大豆（Glycine max）是全球最重要的“糧油飼”兼用作物之一，是優(yōu)質(zhì)植物蛋白的主要來源。中國是世界上最大的大豆消費國和進口國。近年來，我國大豆供需矛盾日益突出，已成為制約國家農(nóng)業(yè)發(fā)展的卡脖子問題。種子大小是決定作物產(chǎn)量的關鍵農(nóng)藝性狀之一。挖掘調(diào)控大豆種子大小的關鍵基因并解析其分子機制，對培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大豆新品種具有重要意義。

大豆GmSMS6序列多樣性與調(diào)控種子大小的分子模塊及工作模型

國家植物園（南園）賀超英研究團隊在前期工作基礎上，通過對大豆小粒突變體sms6進行分析，克隆到了調(diào)控大豆粒重及品質(zhì)的關鍵基因GmSMS6。研究發(fā)現(xiàn)，在GmSMS6基因敲除株系中，其百粒重、單株產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量顯著提高，但油脂含量降低。GmSMS6編碼一個14-3-3蛋白，該蛋白可與轉錄因子GmbZIP151和E3泛素連接酶GmUBQ1發(fā)生蛋白-蛋白互作。進一步生化與分子生物學分析發(fā)現(xiàn)，這些蛋白-蛋白互作介導了GmbZIP151的泛素化修飾與降解，精準調(diào)節(jié)其蛋白豐度與轉錄調(diào)控活性，影響其下游基因的表達。結合遺傳分析進一步證明，GmSMS6通過物理和遺傳互作與GmUBQ1-GmbZIP151形成一個模塊調(diào)控大豆粒重與品質(zhì)。小區(qū)測試發(fā)現(xiàn)，通過對GmSMS6進行基因敲除可使大豆增產(chǎn)約10%，表明該分子模塊潛在的育種價值。

此外，進化分析推演了該模塊中3個基因在大豆馴化過程中的受選擇情況、單倍型變異式樣與最優(yōu)單倍型組配方案。研究人員在大豆核心種質(zhì)群體中未發(fā)現(xiàn)GmSMS6的功能缺失等位變異，而人工誘變的sms6是由一個氨基酸替換導致GmSMS6功能增強的突變體，使得大豆種子變小。

上述研究結果揭示了大豆粒重與品質(zhì)調(diào)控的新分子模塊及其機制，為通過基因編輯與多基因聚合培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大豆新品種提供了重要的基因資源與理論指導，并為理解植物種子大小調(diào)控、形態(tài)進化與作物產(chǎn)量-品質(zhì)的協(xié)同改良提供了新見解與新思路。

研究成果于近日在線發(fā)表在Nature Communications上。國家植物園（南園）已畢業(yè)博士研究生李兵兵為論文第一作者，賀超英研究員為通訊作者。國家植物園（南園）在讀博士研究生楊策、安正紅、余宏強和碩士研究生陳漫影，已畢業(yè)博士研究生雍斌和朱韋韋，高級工程師王艷與中國農(nóng)科院作科所谷勇哲副研究員也參與了該工作。該研究得到農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學基金和中國科學院戰(zhàn)略先導專項等項目的資助。

功能進化發(fā)育生物學研究組

組長：賀超英研究員

郵箱：chaoying@ibcas.ac.cn

主要研究方向：

（1）果實起源及形態(tài)結構多樣性和形態(tài)創(chuàng)新進化發(fā)育的遺傳基礎；

（2）大豆果實性狀馴化的遺傳變異基礎及高產(chǎn)分子模塊解析；

（3）植物生殖器官適應性進化和可塑性的遺傳基礎；

（4）花和果實發(fā)育相關重要基因家族的功能進化及其挖掘利用等。

編輯 | 韓藝

審核 | 梁鵬鴻