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PNAS揭開百年未解之謎,廣州大學孔凡江/劉寶輝團隊在大豆光周期現象的遺傳機制研究取得重要突破

来源:     作者:    编辑:chen    发布时间:2021-02-10 11:44    点击数: Views

大豆古稱菽,《詩經》記載“蓺之荏菽,荏菽旆旆”,大約5000年前,栽培大豆起源于我國,由分布于我國黃淮海區域(北緯32-40度)的野生大豆馴化而來,在我國的農業生産中占據著重要的地位。大豆是光周期極爲敏感的典型短日照作物,單個品種或種質資源一般只適宜種植于緯度跨度較小的區域內,那麽起源于黃淮海區域的大豆是如何適應全世界廣泛的生態環境呢?又是如何影響大豆的産量和在世界範圍的種植和分布呢?這一直是科學家們研究的熱點。

1920年,美国科学家Garner和Allard发现两个有意思的现象,同一大豆品种,从5-7月每隔两周播种一次,尽管植株生长的“年龄”不同,但到了秋天(9月份)几乎同时开花;将在美国南部正常开花的烟草品种(Maryland Mammoth)移至美国北部栽培时,夏季只长叶不开花,但如果在秋冬移入温室则可开花结实。他们试验了温度、光质、营养等各种条件,最终发现日照长度是影响大豆开花的关键因素(圖1),并由此提出了植物光周期现象的概念。

1.左側大豆植株在短日照條件下生長,播種後100天已經完全成熟;右側大豆植株在長日照條件下生長,播種後100天尚未開花。(Garner and Allard, 1920

广州大学孔凡江/刘宝辉研究团队多年以来对大豆光周期调控的开花途径进行了长期系统和深入的研究,并取得了一系列进展。2017年,该团队报道了大豆长童期(Long Juvenile)关键基因J的克隆及進化機制研究成果,揭示了大豆特異的光周期調控開花的PHYA(E3E4)-J-E1-FT遺傳網絡,闡明了J基因提高大豆低纬度适应性的机制(Lu et al.,Nature Genetics, 2017)。2020年,该团队又发表了关于大豆光周期适应性进化的研究成果,揭示了大豆光周期调控开花的PHYA (E3E4) -Tof11/Tof12-LHY-E1-FT分子调控网络,系统阐释了大豆中高纬度适应的多基因进化机制(Lu et al.,Nature Genetics, 2020)。

近期,該團隊在PNAS在线发表了题为A critical role of the soybean Evening Complex in the control of photoperiod sensitivity and adaptation的研究论文,解析了大豆夜间复合体(Soybean Evening Complex, SEC)调控光周期敏感性与适应性的分子机制。该研究发现,大豆有两个拟南芥LUX的同源基因,LUX1LUX2,二者在光周期調控的開花途徑中功能冗余。同時敲除兩個LUX基因造成大豆极度晚花,其表型与著名的光周期敏感的烟草突变体Maryland Mammoth类似(圖2),故作者将大豆LUX双突变体命名为“Guangzhou Mammoth”。此外,Guangzhou Mammoth在长短日照的开花时间无显著差异,证明EC蛋白复合体控制着大豆的光周期敏感性,从而揭开了100年前发现的大豆光周期现象分子遗传机制的神秘面纱。

2.左側爲Maryland Mammoth (Amasino, 2013),右側爲Guangzhou Mammoth(大豆EC複合體的突變體)

進一步研究發現,LUX1和LUX2均能與J相互作用形成SEC,通過結合E1及其兩個同源基因E1LaE1Lb的啓動子而抑制其表達,從而釋放E1對FT2aFT5a的转录抑制,促进开花(圖3),揭示了SEC-E1调控分子模块是大豆光周期反应的核心分子模块,这为今后开发具有不同开花时间和适应性的大豆新品种提供了更多的可能性,将对热带地区国家的大豆适应性和产量具有非常重要的意义。

3.短日照條件下SEC的工作机制模式圖

广州大学分子遗传与进化创新研究中心的博士后步田田、芦思佳教授、博士后王凯和董利东讲师为文章的共同第一作者,孔凡江教授为文章的通讯作者。塔斯马尼亚大学的James L. Weller教授、河南大学的徐小冬教授和谢启光教授参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学杰出青年基金、国家自然科学基金青年基金和广东省基础与应用重点项目研究的资助。

 

1. Garner WW and Allard HA (1920) Effect of the relative length of day and night and other factors of the environment on growth and reproduction in plants.J Agr Res18, 553-606.

2. Bu T, Lu S, Wang K, Dong L, Li S, Xie Q, Xu X, Cheng Q, Chen L, Fang C, Li H, Liu B, Weller JL, Kong F (2021) A critical role of the soybean Evening Complex in the control of photoperiod sensitivity and adaptation.PNAS10.1073/pnas.2010241118.

3. Lu S, Dong L, Fang C, Liu S, Cheng Q, Kong L, Chen L, Su T, Nan H, Zhang D, Zhang L, Wang Z, Yang Y, Yu D, Liu X, Yang Q, Lin X, Tang Y, Zhao X, Yang X, Tian C, Xie Q, Li X, Yuan X, Tian Z, Liu B, Weller JL, Kong F (2020) Stepwise selection on homeologousPRRgenes controlling flowering and maturity during soybean domestication.Nat Genet52, 428-436.

4. Lu S, Zhao X, Hu Y, Liu S, Nan H, Li X, Fang C, Cao D, Shi X, Kong L, Su T, Zhang F, Li S, Wang Z, Yuan X, Cober ER, Weller JL, Liu B, Hou X, Tian Z, Kong F (2017) Natural variation at the soybeanJlocus improves adaptation to the tropics and enhances yield.Nat Genet49, 773-779.

5. Amasino R (2013) My favourite flowering image.J Exp Bot64, 5817

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