广州大学副教授以第一作者在Nature Communications发表研究成果，揭示调控大豆纬度生态适应性的分子机制
学术
2024-10-04 17:20
法国
近期，广州大学生命科学学院大豆团队在Nature Communications 在线发表了题为Subfunctionalisation and self-repression of duplicated E1 homologues finetunes soybean flowering and adaptation的研究论文。该文深入探讨了作为古四倍体的大豆在经历染色体加倍后，E1基因家族这一关键光周期调控开花因素的进化路径。研究不仅考察了E1基因家族成员之一——E1Lb基因突变对于栽培大豆在高纬度区域适应性的影响，也分析了包含E1Lb在内的多种基因突变对野生大豆在相似环境下的适应性作用。大豆作为一种对光照周期敏感的短日照植物，其生长和开花受到特定光周期调节路径的严格控制，而E1基因家族在此过程中扮演着核心角色。尽管先前的研究已指出E1基因家族的重要性，但对于家族内部各成员之间的关系了解有限。同时，尽管对于栽培大豆如何适应高纬度环境的研究相对成熟，但关于野生大豆在相同条件下的适应机制的研究仍显不足。因此，探索并利用野生大豆中的关键基因及其有利等位变异，对于打破栽培大豆的遗传限制，开发适应高纬度地区的新品种至关重要。本研究发现，在大豆从二倍体向四倍体转变的过程中，E1基因复制成了三个同源副本：E1、E1La和E1Lb。这些副本经历了亚功能化，即E1La和E1Lb的两个同源蛋白因N端第12位氨基酸的变化，导致它们的核定位能力降低，从而减弱了对下游基因FT2a和FT5a的抑制效果。此外，E1家族的三个成员都能够与自身的及另外两个同源基因的启动子结合，实现自我抑制和相互抑制的功能。这种机制确保了复制后的E1基因家族成员在抑制开花方面的作用维持在一个适宜水平，防止了开花过程的过度推迟。图：E1基因家族的亚功能化和自抑制能力（蓝色椭圆代表细胞核）研究还发现，E1Lb编码的位点Tof4b在长日照条件下控制着大豆的开花时间。深入的分子机制研究显示，Tof4b可以直接影响FT2a和FT5a的表达，从而促进大豆的开花，增强野生大豆在高纬度地区的适应能力。长日照条件下，Tof4b的一个部分功能丧失型等位变异tof4-1可以促进大豆的提前开花，增加其在高纬度区域的适应性。此等位变异通过染色体片段交换成为栽培大豆适应高纬度的关键变异；而在此基础上进一步突变形成的tof4-2则进一步增强了栽培大豆在更高纬度区域的适应性。此外，研究还揭示了E1、Tof4(E1La)、Tof4b(E1Lb)、Tof5和Tof12等基因突变在提升野生大豆高纬度适应性方面的重要作用。这些发现不仅加深了我们对大豆特有光周期调控开花机制的理解，也为开发适应高纬度地区的新大豆品种提供了宝贵的理论依据和遗传材料。广州大学生命科学学院副教授方超、博士后孙志慧、李世晨、苏彤、王玲爽、副教授董利东为论文的共同第一作者，刘宝辉教授、孔凡江教授、芦思佳教授为论文的通讯作者，广州大学为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、国家重点研发项目、广东省基础与应用重点项目等项目的资助。
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