科研人員在大豆中成功克隆對光周期反應及生育期基因

大多數一年生植物的開花取決于每日日照時間的長短，而大豆是光周期極為敏感的典型短日照作物，單個品種或種質資源一般只適宜種植于緯度跨度較小的區域內，單個大豆品種適宜種植范圍狹窄。

大豆這種“特殊”的特性，使得許多優良品種只能在小范圍內推廣，有“寶”不能用，直接影響了我國大豆的穩定和高產。

多年來，我國科研工作者始終致力于解開這道“難題”，而今又有了最新進展。

從2012年開始，中國科學院東北地理與農業生態研究所大豆分子設計育種課題組首次在大豆中成功克隆了對光周期反應及生育期(開花期及成熟期)貢獻最大的基因E1;隨后陸續完成了E2、E3、E4等主要生育期基因的克隆。

E1編碼豆科植物特異性轉錄因子，是大豆光周期響應的核心調控因子，闡明其介導開花途徑的分子機制尤為重要。然而，目前有關E1所調控的下游信號通路在很大程度上仍是未知的。

近日，中國科學院東北地理與農業生態研究所大豆分子設計育種團隊在Plant Physiology上在線發表了研究論文。

研究證實E1編碼蛋白具有轉錄抑制活性。基于RNA-seq比較分析發現，有7個GmMDE基因在E1過表達時顯著下調，而在CRISPR/Cas9介導的e1敲除突變株中顯著上調。這些GmMDE基因表現出相似的組織特異性和表達模式，包括對光周期、E1表達和E1基因型的響應。以GmMDE05和GmMDE06的啟動子為代表進行分析表明，E1直接與其啟動子結合以增加H3K27me3水平，從而在表觀遺傳上抑制其表達。組蛋白H3K27 me3翻譯后共價修飾是表觀遺傳調控的重要方式之一，可以維持基因的沉默狀態。

隨后本研究以GmMDE06為目標，探索GmMDEs基因在開花期調控中的功能。對其中一個GmMDE基因——GmMDE06進行了功能驗證，發現該基因的功能與E1相反，具有促進大豆開花與成熟的作用。過量表達GmMDE06通過抑制結莢習性核心基因Dt1的表達，引起大豆的莖頂提前開花，終止生長，導致主莖節數減少，植株變矮，致使大豆的結莢習性發生改變。

GmMDE06的過表達使大豆中開花素基因GmFT2a和GmFT5a的表達上調。此外，在GmFT2a或GmFT5a過表達植株中GmMDEs的表達顯著增加，GmMDE與GmFT2a/GmFT5a形成了一個促進大豆開花的正調節反饋回路。這種反饋調節，可以放大來自光周期的信號。綜上，E1-GmMDEs-GmFT2a/5a-Dt1信號通路的發現闡明了大豆通過調節開花時間和開花后結莢習性來響應光周期的作用機制。

中國科學院東北地理與農業生態研究所翟紅副研究員為文章的第一作者，夏正俊研究員為文章的通訊作者。東北農業大學柏錫教授團隊、廣州大學孔凡江教授團隊、北京大學羅曉教授參加了部分工作。(通訊員 殷麗婭 科技日報記者 楊侖)

標簽： 科研人員 光周期反應 生育期基因 E1編碼蛋白