東北地理所在大豆重要農(nóng)藝性狀分子調(diào)控元件解析方面取得進(jìn)展
近10年來，大豆功能基因組學(xué)學(xué)科組創(chuàng)制了容量為40萬株系的大豆突變?nèi)后w并建立了大豆飽和基因突變庫(kù)和優(yōu)良變異材料庫(kù)，在突變體庫(kù)中篩選和鑒定了調(diào)控大豆高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的重要基因20多個(gè)，為大豆新品種培育提供優(yōu)異材料和目標(biāo)基因。最近學(xué)科組通過對(duì)突變體分析研究，解析了調(diào)控大豆維生素B1合成、四吡咯代謝和表皮毛發(fā)育相關(guān)基因的功能。
維生素B1是人和植物的生長(zhǎng)發(fā)育必不可缺的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但是動(dòng)物自身不能合成維生素B1，需要從植物中獲取，因此，提高維生素B1的含量是作物重要的育種目標(biāo)之一。研究團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)室突變體庫(kù)中獲得了一個(gè)葉色變淺的突變體，將其命名為Glycine max pale green leaf 1 (Gmpgl1)。GmPGL1基因編碼的大豆噻唑合成酶參與維生素B1的合成。在Gmpgl1突變體中，幼苗和種子中維生素B1的含量與野生型相比顯著下降，VB1的減少導(dǎo)致了丙酮酸脫氫酶和丙酮酸脫羧酶的酶活降低，以及六種氨基酸和三羧酸循環(huán)的有機(jī)酸含量改變。GmPGL1基因的研究對(duì)于大豆品質(zhì)改良有重要意義。
四吡咯物質(zhì)的異常積累會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)單線態(tài)氧含量的增加，觸發(fā)發(fā)育中的葉片產(chǎn)生光動(dòng)力損傷，最終葉片細(xì)胞死亡形成壞死斑。因此，研究大豆四吡咯物質(zhì)類物質(zhì)代謝對(duì)于提高植物光保護(hù)能力、光合作用及產(chǎn)量具有重要意義。學(xué)科組從突變體庫(kù)中篩選到了與大豆四吡咯物質(zhì)合成相關(guān)的類病斑突變體Gmlmm2-1，通過對(duì)Gmlmm2-1突變體的圖位克隆、全基因組重測(cè)序、互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和基因敲除實(shí)驗(yàn)證明Glyma.14G003200是控制Gmlmm2-1葉片黃化和類病斑表型的靶標(biāo)基因。接種大豆疫霉毒性菌株P(guān)7076發(fā)現(xiàn)Gmlmm2-1突變體葉片病原菌侵染面積明顯減少，證明Gmlmm2-1突變?cè)鰪?qiáng)了大豆疫霉等病原菌抗性。本研究為解析大豆葉綠素合成通路調(diào)控機(jī)制提供了重要的理論基礎(chǔ)及基因材料。
表皮毛作為一類特化的表皮細(xì)胞，普遍存在于植物的莖、葉等器官上，起到保護(hù)植物免受食草類動(dòng)物及昆蟲的侵害的作用，同時(shí)減少葉片水分蒸發(fā)及紫外線的傷害。學(xué)科組從大豆突變體庫(kù)篩選得到兩個(gè)葉片和莖表皮毛縮短的突變體Gmdtm1-1和Gmdtm1-2。相對(duì)于野生型，突變體的表皮毛細(xì)胞長(zhǎng)度分別降低了81%和79%、表皮細(xì)胞面積分別增加了34.5和35.13%、百粒重分別降低了68.2%和64.8%、株高分別降低了20%和21%。Gmdtm圖位克隆定位結(jié)果顯示Glyma.20G019300為目標(biāo)基因，編碼GmNAP1蛋白。該基因在大豆第二次復(fù)制（約1300萬年前）中產(chǎn)生兩個(gè)拷貝，而在后續(xù)進(jìn)化中，其中一個(gè)拷貝由于基因序列的缺失突變，使其喪失功能。GmNPA1機(jī)制的深入研究對(duì)于解析大豆表皮毛發(fā)育以及優(yōu)良性狀的改良有重要意義。
以上研究成果分別由博士生馮星星、馬晶晶和唐寬強(qiáng)完成，責(zé)任作者楊素欣研究員。系列研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目和中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目等資助。論文信息如下：
Xingxing Feng, Suxin Yang*, Kuanqiang Tang, Yaohua Zhang Y, Jiantian Leng J, JingJing Ma, Quan Wang, Xianzhong Feng. GmPGL1, a Thiamine Thiazole Synthase, Is Required for the Biosynthesis of Thiamine in Soybean. Frontiers in Plant Science. (2019)10:1546. doi: 10.3389/fpls.2019.01546.
JingJing Ma, Suxin Yang*, Dongmei Wang, Kuanqiang Tang, Xingxing Feng & Xianzhong Feng. Genetic Mapping of a Light-Dependent Lesion Mimic Mutant Reveals the Function of Coproporphyrinogen III Oxidase Homolog in Soybean. Frontiers in Plant Science. (2020)11:557. doi: 10.3389/fpls.2020.00557.
Kuanqiang Tang, Suxin Yang*, Xingxing Feng, Tao Wu, Jiantian Leng, Huangkai Zhou, Yaohua Zhang, Hui Yu, Jinshan Gao, Jingjing Ma & Xianzhong Feng*. GmNAP1 is essential for trichome and leaf epidermal cell development in soybean. Plant Molecular Biology (2020). May 15. doi: 10.1007/s11103-020-01013-y.
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