大豆百粒重调控基因首次被中国科学家克隆丨BioArt推荐
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BioArt按：大豆是我国重要的粮食作物和经济作物，是植物蛋白和油分的重要来源。百粒重是大豆产量的重要构成因子，因此是大豆育种的重要目标性状。尽管大豆百粒重种质资源筛选和遗传研究工作开始很早，但有关大豆百粒重基因的克隆，种子形成的分子机制等研究尚不清楚。3月27日，中国科学院遗传与发育生物学研究所张劲松研究员和陈受宜研究员领导的研究团队与黑龙江省农科院大豆所满为群研究员和耕作所来永才研究员团队等合作，在Molecular Plant发表了题为“A PP2C-1 Allele Underlying a Quantitative Trait Locus Enhances Soybean 100-Seed Weight”的研究论文，该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，并鉴定了优异等位变异。功能分析发现，该基因的优异等位变异PP2C-1能与油菜素内酯BR信号通路的转录因子如GmBZR1等相互作用，通过去磷酸化从而激活这些转录因子，促进下游控制种子大小的基因表达以提高粒重。后续研究可以将PP2C-1基因型通过杂交导入到不含该位点的大豆品种中，从而提高产量潜力，对于大豆育种具有重要意义。
论文解读：
大豆是我国重要的粮食作物和经济作物，是植物蛋白和油分的重要来源。百粒重是大豆产量的重要构成因子，因此是大豆育种的重要目标性状。由于栽培大豆品种遗传基础狭窄，在育种过程中某些栽培大豆品种中优异等位的丢失，阻碍了大豆百粒重和产量的进一步增加。近年来研究人员对大豆百粒重遗传位点的研究有较多，目前SoyBase数据库已经收录了定位的百粒重QTL 位点94个(http://www.soybase.org/)。尽管大豆百粒重种质资源筛选和遗传研究工作开始很早，但有关大豆百粒重基因的克隆，种子形成的分子机制等研究较少。
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中国科学院遗传与发育生物学研究所张劲松研究员和陈受宜研究员领导的研究团队与黑龙江省农科院大豆所满为群研究员和耕作所来永才研究员团队等合作，首次克隆了大豆百粒重QTL基因，揭示了基因功能，鉴定了优异等位变异。通过分析衍生于野生大豆ZYD7和栽培大豆HN44的1036份重组自交系材料，鉴定了一个种子百粒重增加的株系R245。随后对198份自交系材料和2个亲本进行了全基因组重测序，获得了高质量的SNPs。以上述SNPs作为分子标记，构建了大豆遗传图谱并利用多年多点的数据定位了调控种子百粒重和油分含量的QTL位点。其中调控种子百粒重的有14个位点而控制油分含量的有3个位点。
在调控百粒重的位点中，13个位点的优势基因来源于栽培大豆HN44，1个位点的优势基因来源于野生大豆ZYD7（图1A）。通过对高百粒重的优异品系R245进行全基因组重测序及基因分型验证，发现它含有前述的来源于栽培型的13个百粒重调控位点及来源于野生型的1个百粒重调控位点。来源于野生大豆ZYD7的百粒重遗传位点位于285 kb区间内，共有22个蛋白编码基因，但它们在栽培和野生大豆种子发育期间无显著表达差异。而其中Glyma17g33690 (PP2C)和Glyma17g33790 (EAL) 的核苷酸变异改变了氨基酸序列（图1A）。转基因分析发现，来源于ZYD7的PP2C-1基因显著增加了转基因植物种子的重量，而来源于HN44的PP2C-2和EAL-2以及来源于ZYD7的EAL-1并不能改变转基因植物种子重量（图1B）。
图1，大豆百粒重基因鉴定。(A),利用重测序群体定位的百粒重QTL位点。C：表明优势位点来源于栽培大豆HN44；W：表明优势位点来源于野生大豆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在同样位置分别有4个L，一个D（天冬氨酸）。(B), PP2C-1在模式植物拟南芥中过表达可使籽粒及子叶变大。WT为对照，其它为转基因株系。(C), 不同大豆资源中PP2C变异分析。左图：近40% 的大豆资源中没有PP2C-1优异等位变异；黑色名称材料为野生大豆，黄色名称材料为栽培大豆。右上图：野生和栽培大豆中基因型与百粒重的关系；右中图：野生大豆ZYD203与栽培大豆HF47的F2群体中基因型与百粒重相关性比较；右下图：野生大豆ZYD7与栽培大豆HN44的重组自交系群体中基因型与百粒重的关系。
功能分析发现，PP2C-1能与油菜素内酯BR信号通路的转录因子如GmBZR1等相互作用，通过去磷酸化从而激活这些转录因子，促进下游控制种子大小的基因表达以提高粒重。而PP2C-2则没有上述功能。种质资源分析发现，近40%的栽培大豆还没有PP2C-1基因型（图1C）。进一步将PP2C-1基因型通过杂交导入到不含该位点的品种中将可能提高产量潜力，对于大豆育种具有重要意义。
据悉，该研究员团队成员中，陆翔和熊青博士为论文共同第一作者，。黑龙江省农业科学院大豆研究所的杜维广和满为群研究员历经十余年构建了野生大豆ZYD7和栽培大豆HN44重组自交系群体。在此以后，，在重组自交系群体性状鉴定、QTL位点精细定位、基因组学、转基因和蛋白功能等方面开展一系列的研究，最终揭示了PP2C-1控制大豆百粒重的遗传基础和分子机制。
张劲松，博士，研究员，博士生导师。1986年在北京大学生物系获学士学位。1991年在北京大学生物系获博士学位。1991－1994年，。1994－1997年，美国堪萨斯州立大学博士后研究。1998－2005年，。2006年，。2009年获得国家杰出青年基金资助。主持或参与多项国家自然科学基金项目，转基因专项，973及先导专项等。获得基因发明专利20余项，发表SCI论文60余篇。主要研究方向为乙烯信号转导及大豆功能基因组研究。
陈受宜，荣誉研究员，博士生导师。1963年毕业于北京大学生物系生物化学专业，，1981－1982和1982－1984分别在美国哥伦比亚大学生物系和纽约公共卫生研究所任访问学者。，副所长；研究员，所长。1999－至今任研究员.。；；2004年获973项目完成先进个人奖；；， ，，2015年入选全球植物学2015年高被引科学家。为第八、九、十届全国。该实验室主要研究方向是植物对逆境应答的分子机制和大豆籽粒性状的分子基础。
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