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Nat Genet:中科院东北地理所刘宝辉研究组等揭示大豆生态适应性遗传机制

摘要 : 2017年3月20日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Genetics》杂志在线发表了中国科学院东北地理所刘宝辉、孔凡江研究组、遗传发育研究所田志喜研究组以及华南植物园侯兴亮研究组合作的一篇研究论文。

2017年3月20日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Genetics》杂志在线发表了中国科学院东北地理所刘宝辉、孔凡江研究组、遗传发育研究所田志喜研究组以及华南植物园侯兴亮研究组合作的一篇研究论文。东北地理所芦思佳博士、赵晓晖博士、华南植物园博士研究生胡一龙、遗传发育所博士研究生刘书林和东北地理所南海洋博士为论文共同第一作者。通讯作者是中科院东北地理所刘宝辉研究员、孔凡江研究员、中科院遗传发育所田志喜研究员以及华南植物园侯兴亮研究员。

大豆是世界上重要的经济粮食作物,起源于我国黄淮海地区,是典型的短日照作物。通常,当高纬度地区大豆品种引种到低纬度区域时,由于其对光周期极其敏感,成熟期大大提前,导致大豆植株生物量和产量降低,这极大程度限制了低纬度地区的大豆种植。大豆长童期 (Long Juvenile, LJ) 性状在上世纪70年代被发现,并成功应用于低纬度地区大豆育种。LJ性状的导入,突破了大豆在低纬度地区产量极低的限制,使大豆在低纬度(尤其是南美地区)得以快速扩张和推广。上世纪90年代,研究发现J是控制大豆LJ性状的关键位点,然而其编码基因和分子调控机制一直未明确。

遗传与发育生物学研究所田志喜研究组与中科院东北地理所孔凡江研究组和刘宝辉研究组以及中科院华南植物园侯兴亮研究组合作,通过正向遗传学的方法图位克隆了J基因。发现J基因是拟南芥EARLY FLOWERING 3(ELF3)的同源基因,通过功能互补实验和近等基因系等方法验证了该基因的功能,且在低纬度条件下(短日照条件),突变型j与野生型J相比能提高大豆产量达30-50%。进一步研究表明,在短日照条件下,J蛋白能够与大豆光周期开花的核心调控因子E1启动子的LUX结合元件直接结合,进而抑制E1基因的表达,从而解除了E1对FT的抑制,促进FT基因的表达上调。同时,研究还发现J基因的表达受到光敏色素蛋白E3和E4的抑制,揭示了大豆特异的光周期调控开花的PHYA(E3E4)-J-E1-FT遗传网络(图1)。群体遗传学分析发现,J基因在适应低纬度大豆品种中至少存在着8种功能缺失型等位变异。J基因多种变异的产生是大豆适应低纬度地区和产量增加的重要进化机制,低纬度地区的环境压力是J基因产生变异的主要驱动力。这些等位变异对大豆在低纬度地区的推广和大豆生产必将起到重要的作用。

图1 J调控开花和大豆产量的模式图

E3E4诱导调控E1是通过E3E4抑制调控J转录表达,然后J抑制调控E1转录表达来完成,J蛋白能够直接结合到E1启动子上抑制其表达,从而释放了E1对FT转录抑制,而诱导大豆开花与成熟。

原文链接:

Natural variation at the soybean J locus improves adaptation to the tropics and enhances yield

原文摘要:

Soybean is a major legume crop originating in temperate regions, and photoperiod responsiveness is a key factor in its latitudinal adaptation. Varieties from temperate regions introduced to lower latitudes mature early and have extremely low grain yields. Introduction of the long-juvenile (LJ) trait extends the vegetative phase and improves yield under short-day conditions, thereby enabling expansion of cultivation in tropical regions. Here we report the cloning and characterization of J, the major classical locus conferring the LJ trait, and identify J as the ortholog of Arabidopsis thaliana EARLY FLOWERING 3 (ELF3). J depends genetically on the legume-specific flowering repressorE1, and J protein physically associates with the E1 promoter to downregulate its transcription, relieving repression of two important FLOWERING LOCUS T (FT) genes and promoting flowering under short days. Our findings identify an important new component in flowering-time control in soybean and provide new insight into soybean adaptation to tropical regions.

来源: Nature Genetics 浏览次数:0

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