【中國科學網(wǎng)】科學家揭示大豆生態(tài)適應(yīng)性遺傳機制
大豆是世界上重要的經(jīng)濟糧食作物，起源于我國黃淮海地區(qū)，是典型的短日照作物。通常，當高緯度地區(qū)大豆品種引種到低緯度區(qū)域時，由于其對光周期極其敏感，成熟期大大提前，導(dǎo)致大豆植株生物量和產(chǎn)量降低，這極大程度限制了低緯度地區(qū)的大豆種植。大豆長童期 (Long Juvenile, LJ) 性狀在上世紀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。
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所田志喜研究組與中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所孔凡江研究組和劉寶輝研究組以及中科院華南植物園侯興亮研究組合作，通過正向遺傳學的方法圖位克隆了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該基因的功能，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)。群體遺傳學分析發(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。
相關(guān)研究成果以Article形式于3月20日在《自然-遺傳學》（Nature Genetics）雜志上在線發(fā)表 (DOI:10.1038/ng.3819)。該文通訊作者是中科院東北地理所研究員劉寶輝、孔凡江，中科院遺傳發(fā)育所研究員田志喜以及華南植物園研究員侯興亮。東北地理所博士蘆思佳、趙曉暉，華南植物園博士研究生胡一龍，遺傳發(fā)育所博士研究生劉書林和東北地理所博士南海洋為論文共同第一作者。該項研究得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院先導(dǎo)專項的資助。
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