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作科所揭示生物鐘基因在大豆馴化中的作用機制

  2020年1月下旬,中國農業科學院作物科學研究所“作物分子標記技術及其應用創新團隊”和“大豆育種技術創新與新品種選育創新團隊”分別在國際知名刊物《分子植物( Molecular Plant )》和《植物生物技術( Plant Biotechnology Journal )》在線發表論文,通過不同策略克隆了與生物鐘調控和大豆馴化相關的基因 GmPRR3b/GmPRR37 , 從多個側面闡明了該基因調控大豆生物鐘和生育期的功能機制,并揭示其自然等位變異與早花和高產性狀的緊密聯系及在大豆馴化和品種改良中的廣泛利用。該研究不僅對理解大豆馴化過程具有重要的科學意義,同時為選育應對氣候變化和適應高緯地區種植的大豆品種提供了理論依據和重要靶點。

  (Li et al ., 2020. Molecular Plant

  作物在馴化過程中形成的區別于其野生祖先的表型特征被稱為馴化性狀。調控大豆種子休眠、落粒性和結莢習性等馴化性狀相關基因已經被克隆,但是否存在調控開花期的馴化基因尚不清楚。

  作物分子標記技術及其應用創新團隊通過對279個大豆品種進行全基因組關聯分析,發現 GmPRR3b 基因與大豆開花期和成熟期密切相關。自然變異分析結果顯示, 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%,表明該基因為生育期性狀相關的關鍵馴化基因。研究發現, GmPRR3b 是生物鐘核心振蕩器的關鍵組分,不僅協同外界光溫環境參與調控開花時間,而且影響主莖節數和單株產量。其優異單倍型H6與早花和高產性狀緊密關聯,從而在大豆馴化和遺傳改良中受到強烈選擇。

  (Wang et al. , 2020. Plant Biotechnology Journal

  大豆育種技術創新與新品種選育創新團隊以重組自交系群體為材料,采用簡化基因組測序技術也定位了該基因,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”中的序列分別對應 GmPRR3b 的單倍型H5和單倍型H6。該研究證實單倍型H5編碼的全長蛋白具有長日照依賴的開花延遲功能,為闡明該基因不同單倍型的功能分化提供了重要信息。通過基因編輯技術在“自貢冬豆”背景下定點敲除該基因,導致開花期提前15.8天,可使受體品種在緯度更高、無霜期更短的地區種植。該團隊進而分析了180份來自我國不同生態區的大豆品種,揭示該等位基因變異與大豆對高緯長日環境的適應性有密切關系。

  《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。《植物生物技術》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。以上研究得到國家重點研發計劃、國家現代農業產業技術體系建設專項、中國農業科學院農業科技創新工程和國家自然科學基金項目的資助。

  原文鏈接:https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30030-7 , https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13346 



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