本網(wǎng)訊 近日，我校農(nóng)學(xué)院王曉波教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際綜合性期刊《Advanced Science》（中科院一區(qū)，IF=14.3）上發(fā)表了題為《GmSop20 Functions as a Key Coordinator of the Oil-To-Protein Ratio in Soybean Seeds》的研究論文。本研究通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）和全轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析（TWAS），鑒定到大豆油脂蛋白含量雙向調(diào)控基因 GmSop20，并系統(tǒng)解析GmSop20對(duì)大豆種子油脂和蛋白比例（oil to protein ratio; 油蛋比）的調(diào)控機(jī)制，為大豆品質(zhì)遺傳改良提供重要依據(jù)。
大豆種子可分為油用和蛋白用兩大類(lèi)，種子中油脂含量的提升往往伴隨著蛋白含量的降低，如何精確調(diào)控油脂和蛋白之間的比例以滿(mǎn)足不同的加工需求，是推動(dòng)大豆產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。在長(zhǎng)達(dá)約5000年的馴化過(guò)程中，栽培大豆種子的含油量顯著上升，而蛋白含量卻相對(duì)下降。 這種 “此消彼長(zhǎng)” 的現(xiàn)象讓科學(xué)家們困惑：是否存在一個(gè) “總指揮官”，能精準(zhǔn)調(diào)控這對(duì)矛盾的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量？
研究團(tuán)隊(duì)對(duì) 1228 份大豆種質(zhì)資源進(jìn)行了連續(xù) 3 年的表型分析，聯(lián)合GWAS與TWAS，確定了GmSop20是一個(gè)尚未鑒定的協(xié)同調(diào)控大豆種子油脂和蛋白含量的關(guān)鍵基因。作者進(jìn)一步分析了1288個(gè)大豆種質(zhì)中 GmSop20 的基因型數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)GmSop20的等位基因 GmSop20C 在人工選擇中被高度青睞，這使得大豆種子的油蛋比從野生大豆的0.35提升至栽培大豆的0.47。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證GmSop20對(duì)于種子油蛋比的調(diào)控功能，研究人員構(gòu)建了GmSop20的突變體和過(guò)表達(dá)材料，在高蛋白（低油蛋比）品種背景下，敲除GmSop20可使油蛋比從0.24降低至0.19，而在高油（高油蛋比）品種背景下過(guò)表達(dá)GmSop20使油蛋比從0.57提升至0.64，表明GmSop20對(duì)大豆種子油分蛋白含量具有強(qiáng)大的雙向調(diào)控能力。而在這些遺傳材料的種子中，油脂和蛋白的總量基本穩(wěn)定在60%左右，表明GmSop20對(duì)于種子油蛋比率的精確調(diào)控不影響油蛋總量。
研究發(fā)現(xiàn)，GmSop20突變體種子中GmSWEET10a/10b的轉(zhuǎn)錄水平較野生型顯著下降，突變體種皮中的葡萄糖和果糖含量顯著升高，而胚中的葡萄糖和果糖含量顯著下降。通過(guò)聯(lián)合DAP-seq、RNA-seq、熒光素酶等分子生物學(xué)技術(shù)，研究進(jìn)一步證實(shí)GmSop20可以通過(guò)直接結(jié)合GmSWEET10a/10b啟動(dòng)子，激活其表達(dá)，促進(jìn)糖分從種皮向胚的運(yùn)輸。
此外，研究分析了129份野生大豆和1228份栽培大豆中GmSop20等位基因頻率，發(fā)現(xiàn)高油低蛋白等位基因GmSop20C在野生豆、地方品種和選育品種中分別占比10.85%、60.47%、91.23%，表明其在馴化過(guò)程中受強(qiáng)烈選擇。地理分布顯示，中國(guó)境內(nèi)GmSop20C頻率自南向北遞增，且該等位基因在中國(guó)北部和美國(guó)地區(qū)的種質(zhì)資源中高度富集，說(shuō)明GmSop20C是兩國(guó)高油育種歷程中的關(guān)鍵受選擇位點(diǎn)。有趣的是，GmSop20及其下游靶基因GmSWEET10a在大豆馴化過(guò)程中分別經(jīng)歷了獨(dú)立的人工選擇，在同一個(gè)調(diào)控模塊內(nèi)的共同選擇產(chǎn)生了累加效應(yīng)，提高大豆種子的油蛋比，其協(xié)同作用使種子油蛋比提升效果比單個(gè)基因更強(qiáng)，這種雙馴化選擇模式為加深對(duì)大豆種子營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)化規(guī)律的認(rèn)識(shí)提供了新的見(jiàn)解。
綜上所述，本研究將種子油脂與蛋白的比例（油蛋比）作為綜合指標(biāo)，并通過(guò)正向遺傳學(xué)方法鑒定到油脂蛋白含量關(guān)鍵調(diào)控新基因GmSop20。利用GmSop20“調(diào)控旋鈕”能夠?qū)崿F(xiàn)油蛋比從0.19到0.64的靈活調(diào)節(jié)，這突顯了GmSop20在提升大豆品質(zhì)和定制種子營(yíng)養(yǎng)組成方面的應(yīng)用潛力，研究建立的能夠精確調(diào)節(jié)大豆種子油蛋比的分子育種技術(shù)，為未來(lái)大豆品質(zhì)性狀遺傳改良提供了新方向。
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院博士后鄭浩偉，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所在讀博士生馮新康和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院特任教授王龍龍為該論文的共同第一作者。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)王曉波教授與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所邱麗娟研究員、李英慧研究員為該論文通訊作者。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院大豆遺傳育種團(tuán)隊(duì)李佳佳、苗龍、高慧慧老師，河北省農(nóng)科院閆龍研究員，呼倫貝爾市農(nóng)牧科學(xué)研究所孫賓成研究員，吉林省農(nóng)科院邱紅梅副研究員，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)Robert M. Stupar教授共同參與了該項(xiàng)研究。同時(shí)感謝湘湖實(shí)驗(yàn)室李德林博士和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所鄭曉明研究員在研究過(guò)程中給予的幫助。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目、農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新計(jì)劃（ASTIP）等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202505181
