2022年3月2日，Theoretical and Applied Genetics在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所大豆遺傳與分子改良學(xué)科組題為“A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean”的研究論文，助理研究員王飛飛為文章第一作者，張恒友研究員和潘相文高級(jí)工程師為文章的并列通訊作者。該研究對(duì)大豆多聚半乳糖醛酸酶基因PG031對(duì)種子吸水性的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了解析。
大豆群體的種皮吸水性差異很大，幾乎所有野生大豆的種皮都是硬的、不吸水的，而栽培大豆群體的種皮相對(duì)容易吸水。硬的吸水性差的種皮可以保護(hù)種子在自然條件下免受病菌、旱澇、腌漬的侵害，以順利度過休眠期而適時(shí)萌發(fā)，同時(shí)收獲的種子容易儲(chǔ)存。相反，栽培大豆種皮相對(duì)容易吸水，在播種后可以保障大豆的適時(shí)整齊發(fā)芽，但收獲的種子不易保存。每年全世界都會(huì)因存儲(chǔ)過程中種子變質(zhì)而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，由此可見，種皮硬度/吸水性對(duì)作物/大豆生產(chǎn)是一個(gè)非常重要的農(nóng)藝性狀。但是，栽培大豆群體的種皮硬度/吸水性仍有較大變異，很難通過表型辨別，鑒定關(guān)鍵控制基因?qū)Ψ肿釉O(shè)計(jì)育種變得尤為重要。前人的研究鑒定了大豆種皮硬度由兩個(gè)主要位點(diǎn)（qHS1和qHS2）來控制。已有研究對(duì)qHS1位點(diǎn)的解析增加了對(duì)大豆種皮性狀分子基礎(chǔ)的理解，但是對(duì)qHS2的基因的功能依然未知。大豆種皮硬度/吸水性的變化也被認(rèn)為是大豆馴化的重要表型特征之一，鑒定qHS2基因?qū)?huì)加大對(duì)這一重要大豆馴化性狀的深刻理解，有助于利用相關(guān)遺傳機(jī)理優(yōu)化現(xiàn)代大豆育種和改良。
本研究發(fā)現(xiàn)了控制大豆種皮吸水性的一個(gè)編碼多聚半乳糖醛酸酶基因PG031.該基因位于qHS2置信區(qū)間內(nèi)。PG031在花中高表達(dá)，但在吸水后的種子種皮中特異表達(dá)，種子萌發(fā)后降低或無表達(dá)，表明PG031在種皮吸水性的重要作用。我們?cè)诖蠖谷后w中鑒定到3種PG031變異，即PG031289H、PG031289Y 和PG031Hap3.其中野生大豆中僅含有PG031289H型，控制種皮不吸水性，將PG031289H導(dǎo)入到高滲透性大豆PG031289Y型大豆顯著降低轉(zhuǎn)基因種子的種皮吸水性，且使百粒重有所降低，顯微鏡分析證實(shí)PG031289H的導(dǎo)入減少了種皮的柵欄層和薄壁細(xì)胞層的細(xì)胞內(nèi)空間，增加了水分進(jìn)入種皮的屏障。另外兩個(gè)等位變異中，PG031289Y型來源于PG031289H的1個(gè)SNP突變，與種子種皮透水性增加緊密相關(guān)，因?yàn)镻G031289Y等位變異與大粒重相關(guān)，這個(gè)等位變異可能正在經(jīng)歷人工選擇。該研究結(jié)果為深入了解大豆種皮吸水性的遺傳機(jī)制提供了理論依據(jù)，也為定向改良栽培品種以滿足不同的貯藏需求提供一定的理論基礎(chǔ)。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（31301337）、黑龍江省自然科學(xué)基金（QC2014C036）以及作物人工智能設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)育種技術(shù)（B21HJ0101）等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文信息如下：Wang F, Sun X, Liu B, Kong F, Pan X, Zhang H. A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean. Theoretical and Applied Genetics 2022. DOI:10.1007/s00122-022-04057-4
原文鏈接：
https://rdcu.be/cH2pb
日期：2022-03-09
大豆群體的種皮吸水性差異很大，幾乎所有野生大豆的種皮都是硬的、不吸水的，而栽培大豆群體的種皮相對(duì)容易吸水。硬的吸水性差的種皮可以保護(hù)種子在自然條件下免受病菌、旱澇、腌漬的侵害，以順利度過休眠期而適時(shí)萌發(fā)，同時(shí)收獲的種子容易儲(chǔ)存。相反，栽培大豆種皮相對(duì)容易吸水，在播種后可以保障大豆的適時(shí)整齊發(fā)芽，但收獲的種子不易保存。每年全世界都會(huì)因存儲(chǔ)過程中種子變質(zhì)而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，由此可見，種皮硬度/吸水性對(duì)作物/大豆生產(chǎn)是一個(gè)非常重要的農(nóng)藝性狀。但是，栽培大豆群體的種皮硬度/吸水性仍有較大變異，很難通過表型辨別，鑒定關(guān)鍵控制基因?qū)Ψ肿釉O(shè)計(jì)育種變得尤為重要。前人的研究鑒定了大豆種皮硬度由兩個(gè)主要位點(diǎn)（qHS1和qHS2）來控制。已有研究對(duì)qHS1位點(diǎn)的解析增加了對(duì)大豆種皮性狀分子基礎(chǔ)的理解，但是對(duì)qHS2的基因的功能依然未知。大豆種皮硬度/吸水性的變化也被認(rèn)為是大豆馴化的重要表型特征之一，鑒定qHS2基因?qū)?huì)加大對(duì)這一重要大豆馴化性狀的深刻理解，有助于利用相關(guān)遺傳機(jī)理優(yōu)化現(xiàn)代大豆育種和改良。
本研究發(fā)現(xiàn)了控制大豆種皮吸水性的一個(gè)編碼多聚半乳糖醛酸酶基因PG031.該基因位于qHS2置信區(qū)間內(nèi)。PG031在花中高表達(dá)，但在吸水后的種子種皮中特異表達(dá)，種子萌發(fā)后降低或無表達(dá)，表明PG031在種皮吸水性的重要作用。我們?cè)诖蠖谷后w中鑒定到3種PG031變異，即PG031289H、PG031289Y 和PG031Hap3.其中野生大豆中僅含有PG031289H型，控制種皮不吸水性，將PG031289H導(dǎo)入到高滲透性大豆PG031289Y型大豆顯著降低轉(zhuǎn)基因種子的種皮吸水性，且使百粒重有所降低，顯微鏡分析證實(shí)PG031289H的導(dǎo)入減少了種皮的柵欄層和薄壁細(xì)胞層的細(xì)胞內(nèi)空間，增加了水分進(jìn)入種皮的屏障。另外兩個(gè)等位變異中，PG031289Y型來源于PG031289H的1個(gè)SNP突變，與種子種皮透水性增加緊密相關(guān)，因?yàn)镻G031289Y等位變異與大粒重相關(guān)，這個(gè)等位變異可能正在經(jīng)歷人工選擇。該研究結(jié)果為深入了解大豆種皮吸水性的遺傳機(jī)制提供了理論依據(jù)，也為定向改良栽培品種以滿足不同的貯藏需求提供一定的理論基礎(chǔ)。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（31301337）、黑龍江省自然科學(xué)基金（QC2014C036）以及作物人工智能設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)育種技術(shù)（B21HJ0101）等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文信息如下：Wang F, Sun X, Liu B, Kong F, Pan X, Zhang H. A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean. Theoretical and Applied Genetics 2022. DOI:10.1007/s00122-022-04057-4
原文鏈接：
https://rdcu.be/cH2pb
日期：2022-03-09
