杂交育种技术广泛应用于农业生产领域。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，发挥杂种优势是保障粮食安全、促进农业可持续发展的关键途径。然而，杂种优势的遗传机制复杂，优势预测一直是亟待突破的技术。同时，杂交育种中也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（mitonuclear interactions）是维持线粒体功能的关键。远缘物种之间的杂交会干扰杂交子代中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，可能导致繁殖力、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。如何协调杂交后代的mtDNA与核基因组之间的匹配，一直是进化生物学研究关注的热点问题。

中国科学院昆明动物所张亚平院士团队联合国内外畜牧研究团队选取家牛杂交育种中广泛采用的普通牛（taurine，别称黄牛, Bos taurus）和瘤牛（zebu，也称高峰牛,B. indicus）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。在非洲杂交家牛群体中，mtDNA全部来自普通牛；核基因组则主要来自瘤牛，表现为明显的mtDNA与核基因组不匹配（mitonuclear DNA discordance）。结果显示，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，减弱核质互作，可能对线粒体的组装与功能产生不利影响。同时，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，缓解和补偿削弱的线粒体-细胞核相互作用（图1）。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拷贝数可以作为预测杂交优势或劣势的新型分子标记（图2）。

该研究成果以“Selection increases mitonuclear DNA discordance but reconciles incompatibility in African cattle”为题发表于国际进化生物学著名刊物《Molecular Biology and Evolution》上。中国科学院昆明动物所博士研究生施贤、马成博士（现为瑞典乌普萨拉大学博士后）、西北农林科技大学陈宁博副教授为本文共同第一作者；昆明动物所彭旻晟研究员、张亚平研究员、国际家畜研究所（ILRI）首席科学家Olivier Hanotte教授和崖州湾国家实验室首席科学家韩建林教授为共同通讯作者。研究工作得到国际旱地农业研究中心（ICARDA）高级科学家Joram M. Mwacharo教授的大力支持。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院中-非联合研究中心项目的资助。

论文链接：https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msaf039/8005707

图1核补偿机制通过调控核基因的表达水平缓解核质不相容

图2 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