揭示生物钟基因在大豆驯化中的作用机制(2020.2.10 iPlants)

作物在驯化过程中形成的区别于其野生祖先的表型特征被称为驯化性状。调控大豆种子休眠、落粒性和结荚习性等驯化性状相关基因已经被克隆，但是否存在调控开花期的驯化基因尚不清楚。

2020年1月下旬，中国农业科学院作物科学研究所“作物分子标记技术及其应用创新团队”和“大豆育种技术创新与新品种选育创新团队”分别在国际知名刊物《分子植物（ Molecular Plant ）》和《植物生物技术（ Plant Biotechnology Journal ）》在线发表论文，通过不同策略克隆了与生物钟调控和大豆驯化相关的基因 GmPRR3b/GmPRR37 ， 从多个侧面阐明了该基因调控大豆生物钟和生育期的功能机制，并揭示其自然等位变异与早花和高产性状的緊密联系及在大豆驯化和品种改良中的广泛利用。该研究不仅对理解大豆驯化过程具有重要的科学意义，同时为选育应对气候变化和适应高纬地区种植的大豆品种提供了理论依据和重要靶点。

作物分子标记技术及其应用创新团队通过对279个大豆品种进行全基因组关联分析，发现 GmPRR3b 基因与大豆开花期和成熟期密切相关。自然变异分析结果显示， GmPRR3b 在自然群体中存在至少有8种单倍型，其中单倍型H6在野生大豆、地方品种和主栽品种中所占的比例分别为3.4%、69.4%和100%，表明该基因为生育期性状相关的关键驯化基因。研究发现， GmPRR3b 是生物钟核心振荡器的关键组分，不仅协同外界光温环境参与调控开花时间，而且影响主茎节数和单株产量。其优异单倍型H6与早花和高产性状紧密关联，从而在大豆驯化和遗传改良中受到强烈选择。

大豆育种技术创新与新品种选育创新团队以重组自交系群体为材料，采用简化基因组测序技术也定位了该基因，命名为 GmPRR37 。该基因在极晚熟品种“自贡冬豆”与极早熟品种“黑河27”中的序列分别对应 GmPRR3b 的单倍型H5和单倍型H6。该研究证实单倍型H5编码的全长蛋白具有长日照依赖的开花延迟功能，为阐明该基因不同单倍型的功能分化提供了重要信息。通过基因编辑技术在“自贡冬豆”背景下定点敲除该基因，导致开花期提前15.8天，可使受体品种在纬度更高、无霜期更短的地区种植。该团队进而分析了180份来自我国不同生态区的大豆品种，揭示该等位基因变异与大豆对高纬长日环境的适应性有密切关系。

《分子植物》论文以作科所李聪博士生、李英慧研究员和李艳妃博士生为论文并列第一作者，邱丽娟研究员和刘斌研究员为通讯作者。《植物生物技术》论文以作科所王立伟博士生和孙石研究员为并列第一作者，韩天富研究员和侯文胜研究员为通讯作者。以上研究得到国家重点研发计划、国家现代农业产业技术体系建设专项、中国农业科学院农业科技创新工程和国家自然科学基金项目的资助。