東北地理所在大豆重要農藝性狀分子調控元件解析方面取得進展
近10年來，大豆功能基因組學學科組創(chuàng)制了容量為40萬株系的大豆突變群體并建立了大豆飽和基因突變庫和優(yōu)良變異材料庫，在突變體庫中篩選和鑒定了調控大豆高產、優(yōu)質、抗逆的重要基因20多個，為大豆新品種培育提供優(yōu)異材料和目標基因。最近學科組通過對突變體分析研究，解析了調控大豆維生素B1合成、四吡咯代謝和表皮毛發(fā)育相關基因的功能。
維生素B1是人和植物的生長發(fā)育必不可缺的營養(yǎng)物質，但是動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之一。研究團隊從實驗室突變體庫中獲得了一個葉色變淺的突變體，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)的有機酸含量改變。GmPGL1基因的研究對于大豆品質改良有重要意義。
四吡咯物質的異常積累會導致細胞內單線態(tài)氧含量的增加，觸發(fā)發(fā)育中的葉片產生光動力損傷，最終葉片細胞死亡形成壞死斑。因此，研究大豆四吡咯物質類物質代謝對于提高植物光保護能力、光合作用及產量具有重要意義。學科組從突變體庫中篩選到了與大豆四吡咯物質合成相關的類病斑突變體Gmlmm2-1，通過對Gmlmm2-1突變體的圖位克隆、全基因組重測序、互補實驗驗證和基因敲除實驗證明Glyma.14G003200是控制Gmlmm2-1葉片黃化和類病斑表型的靶標基因。接種大豆疫霉毒性菌株P7076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突變增強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控機制提供了重要的理論基礎及基因材料。
表皮毛作為一類特化的表皮細胞，普遍存在于植物的莖、葉等器官上，起到保護植物免受食草類動物及昆蟲的侵害的作用，同時減少葉片水分蒸發(fā)及紫外線的傷害。學科組從大豆突變體庫篩選得到兩個葉片和莖表皮毛縮短的突變體Gmdtm1-1和Gmdtm1-2。相對于野生型，突變體的表皮毛細胞長度分別降低了81%和79%、表皮細胞面積分別增加了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圖位克隆定位結果顯示Glyma.20G019300為目標基因，編碼GmNAP1蛋白。該基因在大豆第二次復制（約1300萬年前）中產生兩個拷貝，而在后續(xù)進化中，其中一個拷貝由于基因序列的缺失突變，使其喪失功能。GmNPA1機制的深入研究對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、馬晶晶和唐寬強完成，責任作者楊素欣研究員。系列研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然基金面上項目和中科院重點部署項目等資助。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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