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Nature Commun |广州大学孔凡江/刘宝辉团队解析了大豆适应热带地区的进化轨迹和遗传基础|王一大约在5000年前，栽培大豆在我国黄淮海地区(北纬32-40度)从野生大豆中驯化而来，在我国农业生产和粮食安全中占有重要地位20世纪90年代以来，科学家发现并应用了控制大豆长童期性状的两个重要部位j和E6，使热带低纬度地区大豆种植面积迅速扩大。 目前，巴西已成为世界第一大大豆生产国，来自低纬度地区的大豆产量已经超过全球大豆总产量的一半。 但大豆是光周期极其敏感的典型短日照作物，单一品种或种质资源一般只能种植在纬度范围小的地区，那么起源于温带黄淮海地区的大豆如何适应热带低纬度地区的生态环境呢？ 它如何影响大豆的产量和全球种植和分布？ 为了探索这一科学问题，广州大学生命科学学院/分子遗传与进化创新研究中心孔凡江/刘宝辉研究小组多年来进行了长期系统和深入的研究，取得了一系列进展。 2017年，该团队报告了大豆长童期( Long Juvenile )关键基因j的克隆和进化机制的研究成果，揭示了大豆特异性光周期调控开花的phya(E3E4)-J-E1-FT遗传网络， 揭示了j基因提高大豆低纬度适应性的机制) Lu et al .Nat Genet，22017此外，该团队还对控制大豆长童期性状的另一重要位点E6进行了图谱克隆，发现E6是j基因的新J Integr Plant Biol，2021 )，均由生物钟夜间复合体成员ELF3基因编码，提示EC复合体在大豆光周期开花中可能起重要作用。 再敲除两个同源的LUX1和LUX2基因，使EC复合体功能完全缺失，表明大豆完全失去了对光周期的敏感性，证明EC复合体是大豆光周期现象的核心，Bu et al .Proc Natl Acad Sci USA，2021 其次，该团队通过图谱克隆和群体遗传学分析，发现大豆的两个FT同源基因，FT2a和FT5a，分别编码两个大豆的长童期性状QTL位点。 进一步研究发现，FT2a和FT5a单突变体的大量遗传补偿反应对开花时间的影响相对较小，而ft2a ft5a的双重变异可以打破这种补偿反应。 表现出强化的长童期性状表现型，在短日照条件下转化为更高的产量( Li et al .Curr Biol，2021 )。 2021年9月14日，孔凡江和刘宝辉的研究小组在Nature Communications上发表了《geneticbasisandadaptationtrajectoryofsoybeanfromitstemperateorigintotropics 利用生物信息学和经典的正向遗传学方法，在低纬度地区(短日照条件下)挖掘大豆开花期调控新位点Tof16并进行图谱克隆，发现Tof16位点由生物钟基因LHY1a编码短日照条件下Tof16功能缺失等等位变异明显的大豆开花期延长和大豆产量提高。 分子机理分析表明，Tof16直接通过调控E1基因的表达来调控大豆光周期的开花。 利用基因编辑技术，Tof16获得了大豆中4个同源基因的15种突变体。 表型观察表明，4个同源基因在调控大豆开花期和产量方面功能冗余。
图1 .短日照条件下lhy各种突变体的表型研究人员发现，Tof16和j在低纬度地区调控大豆开花期和产量方面是独立的，具有加性遗传效应。 进一步发现，低纬度地区80%以上的大豆品种含有这两个基因的功能失调等位变异。 表明Tof16和j在大豆对低纬度地区的适应过程中起着非常重要的作用。 有趣的是，Tof16和j是大豆在适应低纬度地区过程中发生的阶段性演化和选择现象。 首先，选择了弱功能缺失型等位变异tof16-2和j-11，但由于不能满足低纬度地区大豆产量的需求，在tof16-2和j-11的基础上又发生了功能完全缺失型等位变异。 对来自低纬度热带地区的大豆品种基因组分析表明，80%的品种在Tof16或j位点发生了不同的变异，表明Tof16或j位点的自然变异是栽培大豆适应热带地区的主要遗传基础。 重要的是，通过组合LHY、j、E1的各种等位变异，可以定量大豆的开花期和产量。 以上结果为提高热带低纬度地区大豆的适应性和产量提供了新策略，整合开花基因的自然变异可以适应热带低纬度环境，提高产量，同时该研究为其他作物的分子育种提供了理论基础。
图2 )短日照条件下Tof16和j的工作机制示意图广州大学分子遗传与进化创新研究中心讲师董利东、博士后方超、讲师程群、博士后苏洧和中科院东北地理所寇坤博士是论文的共同第一作者，孔凡江教授、刘宝辉教授、芦思佳教授及塔斯马尼亚大学的jameme 吉林农业科学院张春宝教授参加了这项工作。 该研究得到了国家自然科学基金重大项目、重点项目、青年项目、广东省基础和应用重点项目研究的资助。 论文链接：1. Lu S，Zhao X，Hu Y，Liu S，Nan H，Li X，Fang C，Cao D，Shi X，Kong L，Su T，Zhang F，Li S，Wang Z，Yuan X，Cober ER Kongf*(2017 ) naturalvariationatthesoybeanjlocusimprovesadaptationtothetropicsandenhancesyield.natgeneers 773-779.2.fatged 成城q、Kong L、Li X、Bu T、Li H、Dong L、Lu S、Kong F*， Liu B*. (2021 ) arecentretrotransposoninsertionofjcausede6locusfacilitatingsoybeanadaptationintolowlatitude.jintegrplantbiontion Lu S、Wang K、Dong L、Li S、Xie Q、Xu X、Chen L、Fang C、Li H、Liu B、Weller JL、kongf*(2021 ) )。 acriticalroleofthesoybeaneveningcomplexinthecontrolofphotoperiodsensitivityandadaptation.procnatlacadsciusa 10.1073/PNAS . Yang Y，Lv T，Su T，Chen L，Nan H，Li S，Zhao X，Lu S，Dong L，Cheng Q，Tang Y，Xu M，Abe J Kong F*，LiuB*.(2021 ) ) ) )。 overcomingthegeneticcompensationresponseofsoybeanflorigenstoimproveadaptationandyieldatlowlatitudes.currbioldoi:3359 doi 19 j.cub.2021.06.037.5.DongL，Fang C，Cheng C，Su T，Kou K，Kong L，Zhang C，Li H，Hou H，Zhang Y，Chen L，Yuan X，wan Liub*(2021 ) geneticbasisandadaptationtrajectoryofsoybeanfromitstemperateorigintotroogin natcommundoi:10.1038/s 41467-007
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