東北地理所在大豆高蛋白主要控制基因POWR1的鑒定和分析取得新進(jìn)展
大豆（Glycine max）是富含植物油（20%）和蛋白（40%）的糧飼作物，在我國糧食供給、食品工業(yè)和禽畜飼料中處于重要地位。豆油在我國占植物油食用消費(fèi)的50%左右，豆粕在飼料蛋白中的占比達(dá)80%。大豆蛋白包含8種人體必須氨基酸，是優(yōu)質(zhì)的植物蛋白，在膳食中可以部分代替動物蛋白。高蛋白育種一直是大豆育種的一個重要內(nèi)容。但是，大豆蛋白質(zhì)的遺傳改良十分緩慢，主要因?yàn)榇蠖沟鞍踪|(zhì)和油脂的極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。近些年以產(chǎn)量為目標(biāo)的大豆育種帶動了油脂含量的不斷提升，但是蛋白質(zhì)含量總體上有下降趨勢，這為培育高蛋白或蛋油平衡的優(yōu)質(zhì)大豆帶來很大挑戰(zhàn)。
近日，美國農(nóng)業(yè)部（USDA-ARS）和Donald Danforth Plant Science Center的Yong-Qiang Charles An（安永強(qiáng)）團(tuán)隊(duì)在大豆高蛋白主要控制基因的鑒定和分析取得研究成果，以“POWR1 is a domestication gene pleiotropically regulating seed quality and yield in soybean”為題發(fā)表在國際權(quán)威SCI期刊Nature Communications（IF：14.919）上。Dr. An實(shí)驗(yàn)室的博士后Dr. Goettel是論文第一作者，東北地理所大豆遺傳與分子改良學(xué)科組張恒友博士為論文共同第一作者。Dr. An為論文通訊作者。
本研究利用經(jīng)典連鎖QTL分析結(jié)合基因組測序數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，鑒定到位于20號染色體的一個主效QTL cqPro-20。該QTL自1992年首次鑒定，在不同遺傳背景中被鑒定到，但基因不清楚，發(fā)掘其控制基因一直是大豆蛋白研究的主要內(nèi)容。研究發(fā)現(xiàn)一個編碼CCT結(jié)構(gòu)域的基因POWR1（Protein, Oil, Weight Regulator 1）控制cqPro-20，一個321-bp轉(zhuǎn)座子在CCT結(jié)構(gòu)域的插入/缺失是該位點(diǎn)引起蛋白和油脂變異的主因（圖1A）。通過群體基因組學(xué)、近等基因系和大豆遺傳轉(zhuǎn)化研究證實(shí)POWR1調(diào)控蛋白質(zhì)和油份含量，同時影響粒重和田間產(chǎn)量；突變和野生型分別控制高油和高蛋白表型，從遺傳上解釋了部分蛋-油負(fù)相關(guān)遺傳基礎(chǔ)。研究也表明POWR1是大豆馴化的重要基因之一，高油基因型受到強(qiáng)烈選擇，推斷對高油基因型的強(qiáng)烈選擇主要是由于對大籽粒的優(yōu)先選擇而導(dǎo)致。高蛋白基因型在栽培大豆中含量很少且主要分布在亞洲，并且在POWR1位點(diǎn)有明顯的基因?qū)牒圹E（圖1B），推測與本地高蛋白育種需求有關(guān)，符合亞洲自古都是大豆蛋白主要消費(fèi)地的認(rèn)識。這項(xiàng)研究為闡明大豆蛋白質(zhì)和油份的分子調(diào)控機(jī)制以及高蛋白的精準(zhǔn)分子育種帶來了機(jī)遇。
圖1 POWR1的鑒定（A）和該位點(diǎn)的基因?qū)敕治觯˙）。
論文信息：
Wolfgang Goettel#, Hengyou Zhang#, Ying Li, Zhenzhen Qiao, He Jiang, Dianyun Hou, Qijian Song, Vincent R. Pantalone, Bao-Hua Song, Deyue Yu, Yong-qiang Charles An*. POWR1is a Key Domestication Gene Pleiotropically Regulating Seed Quality and Yield in Soybean. Nature Communications, 2022, 3051.
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30314-7
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