揭示生物鐘基因在大豆馴化中的作用機(jī)制(2020.2.10 iPlants)

作物在馴化過(guò)程中形成的區(qū)別于其野生祖先的表型特征被稱為馴化性狀。調(diào)控大豆種子休眠、落粒性和結(jié)莢習(xí)性等馴化性狀相關(guān)基因已經(jīng)被克隆，但是否存在調(diào)控開(kāi)花期的馴化基因尚不清楚。

2020年1月下旬，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所“作物分子標(biāo)記技術(shù)及其應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”和“大豆育種技術(shù)創(chuàng)新與新品種選育創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”分別在國(guó)際知名刊物《分子植物（ Molecular Plant ）》和《植物生物技術(shù)（ Plant Biotechnology Journal ）》在線發(fā)表論文，通過(guò)不同策略克隆了與生物鐘調(diào)控和大豆馴化相關(guān)的基因 GmPRR3b/GmPRR37 ， 從多個(gè)側(cè)面闡明了該基因調(diào)控大豆生物鐘和生育期的功能機(jī)制，并揭示其自然等位變異與早花和高產(chǎn)性狀的緊密聯(lián)系及在大豆馴化和品種改良中的廣泛利用。該研究不僅對(duì)理解大豆馴化過(guò)程具有重要的科學(xué)意義，同時(shí)為選育應(yīng)對(duì)氣候變化和適應(yīng)高緯地區(qū)種植的大豆品種提供了理論依據(jù)和重要靶點(diǎn)。

作物分子標(biāo)記技術(shù)及其應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)279個(gè)大豆品種進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn) GmPRR3b 基因與大豆開(kāi)花期和成熟期密切相關(guān)。自然變異分析結(jié)果顯示， GmPRR3b 在自然群體中存在至少有8種單倍型，其中單倍型H6在野生大豆、地方品種和主栽品種中所占的比例分別為3.4%、69.4%和100%，表明該基因?yàn)樯谛誀钕嚓P(guān)的關(guān)鍵馴化基因。研究發(fā)現(xiàn)， GmPRR3b 是生物鐘核心振蕩器的關(guān)鍵組分，不僅協(xié)同外界光溫環(huán)境參與調(diào)控開(kāi)花時(shí)間，而且影響主莖節(jié)數(shù)和單株產(chǎn)量。其優(yōu)異單倍型H6與早花和高產(chǎn)性狀緊密關(guān)聯(lián)，從而在大豆馴化和遺傳改良中受到強(qiáng)烈選擇。

大豆育種技術(shù)創(chuàng)新與新品種選育創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以重組自交系群體為材料，采用簡(jiǎn)化基因組測(cè)序技術(shù)也定位了該基因，命名為 GmPRR37 。該基因在極晚熟品種“自貢冬豆”與極早熟品種“黑河27”中的序列分別對(duì)應(yīng) GmPRR3b 的單倍型H5和單倍型H6。該研究證實(shí)單倍型H5編碼的全長(zhǎng)蛋白具有長(zhǎng)日照依賴的開(kāi)花延遲功能，為闡明該基因不同單倍型的功能分化提供了重要信息。通過(guò)基因編輯技術(shù)在“自貢冬豆”背景下定點(diǎn)敲除該基因，導(dǎo)致開(kāi)花期提前15.8天，可使受體品種在緯度更高、無(wú)霜期更短的地區(qū)種植。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)而分析了180份來(lái)自我國(guó)不同生態(tài)區(qū)的大豆品種，揭示該等位基因變異與大豆對(duì)高緯長(zhǎng)日環(huán)境的適應(yīng)性有密切關(guān)系。

《分子植物》論文以作科所李聰博士生、李英慧研究員和李艷妃博士生為論文并列第一作者，邱麗娟研究員和劉斌研究員為通訊作者?！吨参锷锛夹g(shù)》論文以作科所王立偉博士生和孫石研究員為并列第一作者，韓天富研究員和侯文勝研究員為通訊作者。以上研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。