杂交育种技术广泛应用于农业生产领域。这一技术通过引入遗传关系较远的亲本开展杂交，在杂交后代中实现优于亲本的生产性能。然而，杂种优势的遗传机制复杂，优势预测是亟待突破的技术。同时，杂交育种需要克服和排除杂种劣势的影响。
动物细胞中的线粒体DNA（mtDNA）和核基因组遵循不同的遗传模式。线粒体与细胞核之间的相互作用是维持线粒体功能的关键。远缘物种之间的杂交干扰杂交子代中mtDNA与核基因组之间的相互作用，影响线粒体电子传递呼吸链的组装与功能，导致繁殖力、生产性能、生长发育、环境适应能力下降等杂交劣势现象，表现为核质不兼容。目前，协调杂交后代的mtDNA与核基因组之间的匹配是进化生物学研究领域的热点。
中国科学院院士、昆明动物研究所研究员张亚平团队联合国内外畜牧研究团队，选取家牛杂交育种广泛采用的普通牛和瘤牛杂交体系为研究对象，以核质互作为切入视角，分析了近1000份家牛基因组数据，揭示了杂交群体中mtDNA与核基因组相互作用的动态规律。研究发现，在非洲杂交家牛群体中，mtDNA全部来自普通牛，核基因组主要来自瘤牛，表现为mtDNA与核基因组明显不匹配。研究显示，选择作用不断清除非洲家牛核基因组中的普通牛组分，增加了mtDNA与核基因组之间不匹配程度，减弱了核质互作，或对线粒体的组装与功能产生不利影响。同时，研究发现，选择作用通过富集瘤牛组分，影响线粒体相关的基因表达，提升线粒体拷贝数，改善线粒体功能并缓解和补偿削弱的线粒体-细胞核相互作用。
该研究提出了核质互作进化中通过改变线粒体数量的新型核基因补偿机制，表明mtDNA拷贝数可作为预测杂交优势或劣势的新型分子标记。
相关研究成果以Selection increases mitonuclear DNA discordance but reconciles incompatibility in African cattle为题，发表在《分子生物学与进化》（Molecular Biology and Evolution）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中国科学院的支持。
论文链接
核补偿机制通过调控核基因的表达水平缓解核质不相容
家牛群体mtDNA拷贝数的动态变化规律，可作为杂种优势预测的新型分子标记
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