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大豆百粒重調控基因首次被中國科學家克隆丨BioArt推薦

BioArt按大豆是重要的糧食作物和經濟作物,是植物蛋白和油分的重要來源。百粒重是大豆產量的重要構成因子,因此是大豆育種的重要目標性狀。儘管大豆百粒重種質資源篩選和遺傳研究工作開始很早,但有關大豆百粒重基因的克隆,種子形成的分子機制等研究尚不清楚。3月27日,科學院遺傳與發育生物學研究所張勁松研究員和陳受宜研究員領導的研究團隊與黑龍江省農科院大豆所滿為群研究員和耕作所來永才研究員團隊等合作,在Molecular Plant發表了題為「A PP2C-1 Allele Underlying a Quantitative Trait Locus Enhances Soybean 100-Seed Weight」的研究論文,該研究首次克隆了大豆百粒重QTL基因大豆磷酸酶2C(PP2C-1),揭示了基因功能,並鑒定了優異等位變異。功能分析發現,該基因的優異等位變異PP2C-1能與油菜素內酯BR信號通路的轉錄因子如GmBZR1等相互作用,通過去磷酸化從而激活這些轉錄因子,促進下游控制種子大小的基因表達以提高粒重。後續研究可以將PP2C-1基因型通過雜交導入到不含該位點的大豆品種中,從而提高產量潛力,對於大豆育種具有重要意義。

論文解讀:

大豆是重要的糧食作物和經濟作物,是植物蛋白和油分的重要來源。百粒重是大豆產量的重要構成因子,因此是大豆育種的重要目標性狀。由於栽培大豆品種遺傳基礎狹窄,在育種過程中某些栽培大豆品種中優異等位的丟失,阻礙了大豆百粒重和產量的進一步增加。近年來研究人員對大豆百粒重遺傳位點的研究有較多,目前SoyBase資料庫已經收錄了定位的百粒重QTL 位點94個(http://www.soybase.org/)。儘管大豆百粒重種質資源篩選和遺傳研究工作開始很早,但有關大豆百粒重基因的克隆,種子形成的分子機制等研究較少。

圖片來源於網路

科學院遺傳與發育生物學研究所張勁松研究員和陳受宜研究員領導的研究團隊與黑龍江省農科院大豆所滿為群研究員和耕作所來永才研究員團隊等合作,首次克隆了大豆百粒重QTL基因,揭示了基因功能,鑒定了優異等位變異。通過分析衍生於野生大豆ZYD7和栽培大豆HN44的1036份重組自交系材料,鑒定了一個種子百粒重增加的株系R245。隨後對198份自交系材料和2個親本進行了全基因組重測序,獲得了高質量的SNPs。以上述SNPs作為分子標記,構建了大豆遺傳圖譜並利用多年多點的數據定位了調控種子百粒重和油分含量的QTL位點。其中調控種子百粒重的有14個位點而控制油分含量的有3個位點。

在調控百粒重的位點中,13個位點的優勢基因來源於栽培大豆HN44,1個位點的優勢基因來源於野生大豆ZYD7(圖1A)。通過對高百粒重的優異品系R245進行全基因組重測序及基因分型驗證,發現它含有前述的來源於栽培型的13個百粒重調控位點及來源於野生型的1個百粒重調控位點。來源於野生大豆ZYD7的百粒重遺傳位點位於285 kb區間內,共有22個蛋白編碼基因,但它們在栽培和野生大豆種子發育期間無顯著表達差異。而其中Glyma17g33690 (PP2C)和Glyma17g33790 (EAL) 的核苷酸變異改變了氨基酸序列(圖1A)。轉基因分析發現,來源於ZYD7的PP2C-1基因顯著增加了轉基因植物種子的重量,而來源於HN44的PP2C-2和EAL-2以及來源於ZYD7的EAL-1並不能改變轉基因植物種子重量(圖1B)。

圖1,大豆百粒重基因鑒定。(A),利用重測序群體定位的百粒重QTL位點。C:表明優勢位點來源於栽培大豆HN44;W:表明優勢位點來源於野生大豆ZYD7。PP2C-1在第27位氨基酸是L(亮氨酸),37位是E(谷氨酸)。而PP2C-2在同樣位置分別有4個L,一個D(天冬氨酸)。(B), PP2C-1在模式植物擬南芥中過表達可使籽粒及子葉變大。WT為對照,其它為轉基因株系。(C), 不同大豆資源中PP2C變異分析。左圖:近40% 的大豆資源中沒有PP2C-1優異等位變異;黑色名稱材料為野生大豆,黃色名稱材料為栽培大豆。右上圖:野生和栽培大豆中基因型與百粒重的關係;右中圖:野生大豆ZYD203與栽培大豆HF47的F2群體中基因型與百粒重相關性比較;右下圖:野生大豆ZYD7與栽培大豆HN44的重組自交系群體中基因型與百粒重的關係

功能分析發現,PP2C-1能與油菜素內酯BR信號通路的轉錄因子如GmBZR1等相互作用,通過去磷酸化從而激活這些轉錄因子,促進下游控制種子大小的基因表達以提高粒重。而PP2C-2則沒有上述功能。種質資源分析發現,近40%的栽培大豆還沒有PP2C-1基因型(圖1C)。進一步將PP2C-1基因型通過雜交導入到不含該位點的品種中將可能提高產量潛力,對於大豆育種具有重要意義。

據悉,該研究員團隊成員中,陸翔熊青博士為論文共同第一作者,該研究得到了中科院先導專項和國家轉基因專項等項目的資助。黑龍江省農業科學院大豆研究所的杜維廣和滿為群研究員歷經十餘年構建了野生大豆ZYD7和栽培大豆HN44重組自交系群體。在此以後,中科院遺傳發育所先後有多位研究所參與,在重組自交系群體性狀鑒定、QTL位點精細定位、基因組學、轉基因和蛋白功能等方面開展一系列的研究,最終揭示了PP2C-1控制大豆百粒重的遺傳基礎和分子機制。

張勁松,博士,中科院遺傳發育所研究員,博士生導師。1986年在北京大學生物系獲學士學位。1991年在北京大學生物系獲博士學位。1991-1994年,中科院遺傳所工作。1994-1997年,美國堪薩斯州立大學博士后研究。1998-2005年,中科院遺傳發育所副研究員。2006年,中科院遺傳發育所研究員。2009年獲得國家傑出青年基金資助。主持或參與多項國家自然科學基金項目,轉基因專項,973及先導專項等。獲得基因發明專利20餘項,發表SCI論文60餘篇。主要研究方向為乙烯信號轉導及大豆功能基因組研究。

陳受宜中科院遺傳發育所榮譽研究員,博士生導師。1963年畢業於北京大學生物系生物化學專業,1963-1989在中科院生物物理研究所工作,1981-1982和1982-1984分別在美國哥倫比亞大學生物系和紐約公共衛生研究所任訪問學者。1989-1999在中科院遺傳研究所任副研,副所長;研究員,所長。1999-至今任研究員.1990年獲中科院科技進步一等獎並受國家教委和勞動人事部表彰為歸國有貢獻的中青年科學家。1995年獲中科院巾幗英雄獎及優秀教師獎;2000年獲中科院華為獎教金;2004年獲973項目完成先進個人獎;2005年獲山東省科學技術獎二等獎和中科院第二屆「十大傑出婦女」提名獎;2006年獲中科院研究所院優秀教師榮譽稱號, 2007年獲教育部科技進步一等獎,2008年被評為中科院研究所院傑出教師,2015年入選全球植物學2015年高被引科學家。為第八、九、十屆全國政協委員。該實驗室主要研究方向是植物對逆境應答的分子機制和大豆籽粒性狀的分子基礎。

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