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科學家團隊聯合攻關,發現控制大豆產量與品質的關鍵基因

發布時間:2020-06-01來源:浙大新聞辦作者:柯溢能23

大豆馴化起源于中國,隨后廣泛傳播于世界各地,為人類提供了主要的植物油和蛋白資源,是世界性的重要糧食經濟作物。隨著世界人口的增加和飲食結構的改變,全球對大豆消費需求逐年增加,進一步提高大豆單產和品質對于保障世界大豆生產具有重要意義。

野生大豆籽粒小、含油量低、蛋白質含量高,而經過馴化的栽培大豆通常籽粒大、含油量高、蛋白質含量低。在大豆馴化和改良過程中,這些產量和品質性狀的協同調控是否能夠由單基因獨立完成尚不清楚。

近日,浙江大學生命科學學院壽惠霞教授團隊聯合中國科學院遺傳與發育生物學研究所、福建農林大學、美國伊利諾伊大學等多加科研機構的研究團隊,在國際知名期刊《國家科學評論》(National Science Review)上發表題為“Simultaneous changes in seed size, oil content, and protein content driven by selection of SWEET homologues during soybean domestication”的研究論文。該研究發現糖轉運蛋白GmSWEET10a/b協同調控大豆籽粒大小、含油量和蛋白含量,在大豆馴化改良過程中起到了關鍵作用。

前期研究中,壽惠霞團隊利用國內頂尖的大豆技術體系和研究平臺,挖崛影響種子發育的關鍵基因,并率先發現種子特異表達基因GmSWEET10a/b。與此同時,田志喜團隊對870余個大豆資源材料開展了全基因組測序和性狀評估。通過兩者關鍵基因的比對,科研人員發現,GmSWEET10a/b是迄今發現大豆馴化過程中對產量和品質最具影響力的基因。

進一步研究發現,GmSWEET10a/b特異表達在大豆種皮的薄壁組織,并介導蔗糖、葡萄糖及果糖從種皮向胚的運輸。敲除GmSWEET10aGmSWEET10b都會導致百粒重和油份顯著下降,蛋白質含量顯著提高。兩個基因同時敲除,百粒重降低40.2%, 油分含量降低40.7%,蛋白含量提高32.1%。群體遺傳學發現,GmSWEET10aGmSWEET10b發生了漸進式的變異和人工選擇。其中,GmSWEET10a在大豆馴化過程中受到強烈選擇,使栽培品種的籽粒變大、含油量提高、蛋白質含量降低;GmSWEET10b的馴化和完成選擇的程度

滯后于GmSWEET10a。在栽培大豆中過表達這兩個基因,大豆種子百粒重及油分含量都顯著提高,且單株產量提高達11%-20%。該研究對于通過分子育種提高大豆產量及品質有重要意義?!跋乱淮蠖褂N就可以直接運用這項成果?!眽刍菹冀榻B,這項研究對可以直接運用于大豆品質篩選和分子標記物輔助的雜交育種,對于增產保質具有積極意義?!拔覀儗嶒炇仪捌谶€發現了另一個調控大豆粒數的關鍵糖轉運蛋白,與本研究發現的新蛋白疊加有望在大豆高產、優質等重要性狀上獲得更大突破?!?/span>

該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。浙江大學為第一作者單位。浙江大學王守冬博士、中科院遺傳發育所劉書林博士、福建農林大學王杰博士為文章的共同第一作者。中科院遺傳發育所田志喜研究員、浙江大學壽惠霞教授、福建農林大學關躍峰教授和美國伊利諾伊大學陳利清助理教授為文章的共同通訊作者。

論文鏈接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa110

大豆GmSWEET10aGmSWEET10b馴化模式圖

(文 柯溢能/圖片由課題組提供)

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