百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序服務(wù)。

研究背景

大豆是全球重要的植物蛋白來源，但其單產(chǎn)遠(yuǎn)低于水稻、小麥等主糧作物。上世紀(jì)“綠色革命”通過推廣半矮稈品種大幅提升了谷物產(chǎn)量，卻也導(dǎo)致了對(duì)氮肥的嚴(yán)重依賴，帶來環(huán)境問題。與谷類作物不同，大豆作為豆科植物，具備與根瘤菌共生固氮的獨(dú)特能力，可從大氣中獲取70%以上的氮需求。這意味著，大豆的“綠色革命”無法簡(jiǎn)單復(fù)制谷物路徑——我們需要在不過度施肥的前提下，同時(shí)解決三個(gè)問題：如何改良株型以提高產(chǎn)量？如何增強(qiáng)根瘤固氮能力？如何提升水溶性蛋白含量這一關(guān)鍵品質(zhì)指標(biāo)？

長(zhǎng)期以來，能夠同時(shí)調(diào)控這些性狀的關(guān)鍵基因始終未被充分挖掘，制約了高產(chǎn)品種的選育進(jìn)程。尋找既能優(yōu)化株型、又能促進(jìn)固氮的“黃金基因”，正是推動(dòng)大豆實(shí)現(xiàn)可持續(xù)綠色革命的核心突破口。

研究結(jié)果

? 敲除GmGID1-2改良大豆株型并提高產(chǎn)量和種子含油量

該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)過表達(dá)GmGID1-2會(huì)顯著增加大豆的株高，而敲除則使株高降低，同時(shí)增加莖稈直徑和強(qiáng)度、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)?(三粒莢和四粒莢顯著增多)?和種子數(shù)，從而提高單株種子重量與大豆產(chǎn)量，并提升種子含油量。進(jìn)一步結(jié)合表型數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，GmGID1-2與DELLA蛋白互作調(diào)控大豆株高，并通過影響與分枝、固碳作用和脂肪酸代謝等相關(guān)的通路及基因表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控大豆分枝數(shù)和種子含油量。

圖1 敲除GmGID1-2改良大豆株型并提高產(chǎn)量和種子含油量

? 敲除GmGID1-2增強(qiáng)大豆根瘤固氮

基于敲除GmGID1-2后大豆莢和種子數(shù)顯著增加并引起DELLA蛋白積累，以及DELLA在其他豆科植物中可促進(jìn)根瘤菌侵染與根瘤共生的作用，推測(cè)在GmGID1-2敲除突變體中，為大豆提供主要氮源的根瘤固氮作用也相應(yīng)增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，突變體中的根瘤數(shù)目和干重、固氮酶活性以及植株氮含量均顯著提高。進(jìn)一步分析表明，敲除GmGID1-2促進(jìn)了根瘤菌侵染、根瘤共生和固氮相關(guān)基因的表達(dá)。

圖2 敲除GmGID1-2增強(qiáng)大豆根瘤固氮

? 大豆GmGID1-2的優(yōu)異等位變異和一因多效功能

分析GmGID1-2的自然變異發(fā)現(xiàn)，在課題組264份大豆資源及大豆公共數(shù)據(jù)庫(kù)中，其編碼區(qū)均未鑒定到導(dǎo)致基因功能喪失或氨基酸變化的序列變異；而啟動(dòng)子區(qū)局部關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，Gm_36396036位點(diǎn)與大豆株高顯著關(guān)聯(lián)。該位點(diǎn)將GmGID1-2啟動(dòng)子分為Pro-C和Pro-T兩種類型，其中，Pro-C型啟動(dòng)子的大豆株高更矮、產(chǎn)量和種子含油量更高，且GmGID1-2基因表達(dá)量更低，與GmGID1-2敲除株系表型一致。在Pro-C優(yōu)異單倍型的遺傳背景下敲除GmGID1-2，可進(jìn)一步提高大豆的產(chǎn)量、種子含油量和根瘤固氮。

大豆GmGID1-2的優(yōu)異等位變異和一因多效功能

研究總結(jié)

該研究系統(tǒng)解析了GmGID1-2的一因多效性，挖掘到可同時(shí)改良大豆株型、產(chǎn)量和根瘤固氮的優(yōu)異等位變異，并創(chuàng)制了更優(yōu)異的新等位基因。GmGID1-2的優(yōu)異等位基因不僅能改良大豆株型和產(chǎn)量，還可顯著增強(qiáng)莖桿強(qiáng)度、根瘤固氮能力和種子含油量，為可持續(xù)性農(nóng)業(yè)發(fā)展提供寶貴的基因資源和理論依據(jù)。

以上內(nèi)容來源于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，侵刪