東北地理所在大豆生態(tài)適應(yīng)性遺傳機制方面取得重要進展
中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所大豆分子設(shè)計育種重點實驗室劉寶輝、孔凡江研究團隊與中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜研究團隊、中科院華南植物園侯興亮研究團隊合作在大豆生態(tài)適應(yīng)性機制方面取得重要進展。相關(guān)研究論文“Natural variation at the soybean J locus improves adaptation to the tropics and enhances yield” 3月20日在國際期刊Nature Genetics（自然遺傳學(xué)）上在線發(fā)表。
大豆是典型短日照作物，對光周期極其敏感，這一生理特性極大限制了低緯度地區(qū)的大豆種植和產(chǎn)量提高。大豆長童期 (Long Juvenile, LJ) 性狀在上世紀(jì)70年代被發(fā)現(xiàn)，并成功應(yīng)用于低緯度地區(qū)大豆育種。LJ性狀的導(dǎo)入，突破了大豆在低緯度地區(qū)產(chǎn)量極低的限制，使大豆在低緯度(尤其是南美地區(qū))得以快速擴張和推廣。上世紀(jì)90年代，研究發(fā)現(xiàn)J是控制大豆LJ性狀的關(guān)鍵位點，然而其編碼基因和分子調(diào)控機制一直未明確。
研究團隊通過正向遺傳學(xué)的方法圖位克隆了J基因，發(fā)現(xiàn)J基因是擬南芥EARLY FLOWERING 3 (ELF3)的同源基因，通過功能互補實驗和近等基因系等方法驗證了基因的功能。且在低緯度條件下(短日照條件)，突變型j與野生型J相比能提高大豆產(chǎn)量達30-50%。進一步研究表明，在短日照條件下，J蛋白能夠與大豆光周期開花的核心調(diào)控因子E1啟動子的LUX結(jié)合元件直接結(jié)合，進而抑制E1基因的表達，從而解除了E1對FT的抑制，促進FT基因的表達上調(diào)。同時，研究還發(fā)現(xiàn)J基因的表達受到光敏色素蛋白E3和E4的抑制，揭示了大豆特異的光周期調(diào)控開花的PHYA(E3E4)-J-E1-FT遺傳網(wǎng)絡(luò)(圖1)。群體遺傳學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，J基因在適應(yīng)低緯度大豆品種中至少存在著8種功能缺失型等位變異。J基因多種變異的產(chǎn)生是大豆適應(yīng)低緯度地區(qū)和產(chǎn)量增加的重要進化機制，低緯度地區(qū)的環(huán)境壓力是J基因產(chǎn)生變異的主要驅(qū)動力。這些等位變異對大豆在低緯度地區(qū)的推廣和大豆生產(chǎn)必將起到重要的作用。
E3E4誘導(dǎo)調(diào)控E1是通過E3E4抑制調(diào)控J轉(zhuǎn)錄表達，然后J抑制調(diào)控E1轉(zhuǎn)錄表達來完成，J蛋白能夠直接結(jié)合到E1啟動子上抑制其表達，從而釋放了E1對FT轉(zhuǎn)錄抑制，而誘導(dǎo)大豆開花與成熟。
該項工作得到國家自然科學(xué)基金、重點研發(fā)計劃和中科院先導(dǎo)專項等項目資助，論文鏈接：http://www.nature.com/ng/journal/vaop/ncurrent/full/ng.3819.html。
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