PBJ | 广州大学董利东/刘宝辉团队发现COL3a通过同时调控大豆开花期和分枝数进而提高大豆单株产量

学术 2024-10-30 09:46 湖北

大豆是世界上最重要的粮油兼用作物。目前，来自低纬度地区（巴西，阿根廷等）的大豆产量占全球大豆总产量的50%以上。因此，提高低纬度地区大豆产量是非常重要的。大豆作为典型的豆荚类作物，其产量受到分枝数、株高、节数以及成熟期等因素影响。适当延迟大豆的成熟期以及增加分枝数能够增加大豆的单株荚数，最终提高大豆单株产量。因此，挖掘能够同时调控大豆分枝数和成熟期的基因，对高产大豆品种的培育至关重要。

近日，植物学知名杂志Plant Biotechnology Journal在线发表了由广州大学董利东/刘宝辉课题组的研究成果 “COL3a simultaneously regulates flowering and branching to improve grain yield in soybean”研究论文。报道了大豆COL3a基因通过同时调控大豆的开花期和分枝数，进而提高大豆产量。

首先，作者通过稳定转基因的方法获得了两个Williams 82（W82）遗传背景下的COL3a过表达转基因株系（COL3a-OE-1，COL3a-OE-2）（图1a，b）。然后，分别在低纬度短日照条件的广州和高纬度长日照条件的石家庄大田条件下进行表型观察。结果表明，COL3a-OE转基因株系在广州（图1c-e）和石家庄（图1f，g）田间的开花时间和成熟期均明显晚于野生型W82。此外，与野生型W82相比，COL3a-OE转基因株系的分枝数显著增加，单株产量显著提高（图1d-g）。上述结果表明，过表达COL3a通过增加大豆分枝数和延迟成熟期的方式，提高大豆单株产量。

光周期调控大豆开花核心基因E1通过调控FT2a和FT5a基因的表达，进而调控大豆开花。该研究发现 COL3a能够直接激活E1基因的表达，进而抑制FT2a和FT5a基因的表达，延迟大豆开花（图1h-j）。为了进一步探究COL3a与E1之间的遗传关系，作者在短日照条件下观察了不同COL3a-OE2和E1等位基因（e1as是E1的部分功能缺失等位变异， e1CR是E1的完全功能缺失等位变异）组合的大豆植株开花时间，发现COL3a-OE2植物在e1as和e1CR遗传背景下均表现为延迟开花，但在e1CR背景下作用较弱，说明COL3a调控大豆开花的功能主要依赖于E1（图1k）。以上结果表明，COL3a通过直接结合E1的启动子并激活其表达，进而调控大豆的开花期和成熟期。SPL转录因子已被证明在调控大豆分枝数量中发挥关键作用。作者进一研究发现过表达COL3a的转基因大豆植株中大量SPL基因表达量下降（图11），其中包括已证实能够调控大豆分枝数的基因SPL9a和SPL9b。

图1 过表达COL3a可稳定提高大豆产量

最后，作者为了探索自然群体中COL3a基因不同等位的进化起源规律，对617份已重测序的大豆材料（包括177份野生大豆、28份地方大豆和412份栽培大豆）中COL3a编码序列的自然变异情况进行了分析。在617份大豆品种中鉴定出两个主要的单倍型COL3aH1和COL3aH2。COL3aH2中6 bp的碱基缺失与其他豆科植物中COL3同源基因的缺失相同，这表明COL3aH2是大豆的原始单倍型（图1m，n）。含有COL3aH2的大豆品种比含有COL3aH1的大豆品种具有为更长的开花期（图1o，p）。COL3aH1等位变异在农家种和栽培大豆品种中高度富集，说明COL3aH1等位变异在驯化和改良过程中受到了强烈的人工选择（图1m）。综上所述，该团队证实了过表达COL3a基因能够延长大豆的开花期和分枝数，进而提高大豆单株产量，为低纬度地区优质高产大豆新品种的培育提供重要的基因资源。

广州大学董利东副教授、程群副教授和刘宝辉教授为论文的共同通讯作者。广州大学分子遗传与进化创新中心硕士研究生高超升、袁嘉志和卢健维为本论文的共同第一作者，该研究得到了国家自然科学基金重点项目（31930083）、广东省杰出青年科学基金（2023B1515020063）、国家自然科学基金（32330074、32090065、32272073）等项目的资助。

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