中国农科院揭示开花基因qFT13-3对提高大豆高纬度适应性的重要价值

近日，中国农业科学院作物科学研究所邱丽娟团队和刘斌团队在权威杂志Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Flowering time regulator qFT13-3 involved in soybean adaptation to high latitudes”的研究论文。该研究发掘了调控大豆开花期的又一重要基因qFT13-3，解析了其分子机制，阐明了该基因在改良大豆高纬度适应性方面的重要作用。

大豆是重要的粮食和油料作物，也是典型的短日照作物，开花时间对光周期的敏感反应严重影响大豆纬度适应性。在全球气候变化和耕地减少的背景下，拓宽种植面积、增加产量是保障粮食安全的有效途径。但是早熟与高产是长久以来农业生产中一对矛盾的存在，通过常规育种技术难以实现开花期和成熟期的缩短与产量不变或提高间的协同改良。因此，挖掘大豆开花基因，解除早花与减产之间的耦联，对保障国家粮食安全，具有十分重要的应用价值。

研究分别利用113份野生大豆和1192份栽培大豆开花时间表型进行全基因组关联分析，获得13号染色体上一个在北京（40.1°N, 116.7°E）和荆州（30.4°N, 112.2°E）均显著关联的信号Gm13:24984610（图1）。LD分析将包含Gm13:24984610在内的248 kb区间作为候选QTL，该区间与多个已报道的生育期相关QTL重叠，共包含22个候选基因。其中，候选基因qFT13-3是PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 7 (PRR7)的同源基因，单倍型分析表明该基因在野生和栽培大豆中均与开花时间显著相关（图1），分析地域分布结果显示早花单倍型qFT13-3H1在高纬度地区驯化和遗传改良中受到明显的选择。

图1 全基因组关联分析鉴定开花候选基因qFT13-3

113份野生大豆在北京（a）和荆州（b）开花时间的全基因组关联分析。（c）显著关联SNP局部曼哈顿图和连锁不平衡热图。（d）qFT13-3基因4种单倍型的基因结构、基因变异和蛋白结构。（e）野生大豆、地方和选育品种在不同地理区域的分布。（f-g）qFT13-3基因不同单倍型开花时间比较分析。

进一步研究发现，qFT13-3通过GmELF3b-2/E1/GmFT途径调控大豆开花，且早花单倍型H1对GmELF3b-2的抑制效应弱于晚花H2。野生型和qft13-3突变体之间在短日照条件下并未表现出明显差异，但是在长日条件下比野生型提前开花8天左右（图2），表明qFT13-3具有长日照依赖的开花抑制功能。北京田间测试结果显示，相比于野生型qft13-3突变体开花时间和成熟时间分别提前4天和11天，但是株高、节数和单株粒重等产量相关性状并没有发生显著变化，并且百粒重显著增加（图3），表明qft13-3突变体材料具有早熟不减产特性。上述研究为培育适合高纬度长日照条件的早熟高产品种提供了基因资源和新材料。

图2 野生型和qft13-3突变体的农艺性状调查分析

（a-b）自然长日照条件下野生型和qft13-3突变体在开花和成熟时期的代表性照片。植株在北京顺义6月初播种，10月收获。标尺 = 10cm。开花时间（c）、成熟时间（d）、株高（e）、节数（f）、单株粒重（g）和百粒重（h）的统计分析。显著性检验采用t-tests检验，***表示P < 0.001。

中国农业科学院作物科学研究所已毕业博士生、现中国医学科学院药用植物研究所博士后李艳妃博士，中国农业科学院作物科学研究所博士生张丽雅，长江大学王俊教授和江苏徐淮地区徐州农业科学研究所王幸研究员为本论文的第一作者，中国农业科学院作物科学研究所李英慧研究员、刘斌研究员和邱丽娟研究员为该论文通讯作者。中国农业科学院作物科学研究所硕士生郭诗雨、李德林博士、刘章雄副研究员，江苏徐淮地区徐州农业科学研究所徐泽俊助理研究员也参与了该项研究。本研究得到了到科技创新2030重大项目、国家现代农业大豆产业技术体系、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农业科学院国际农业科学计划和国家作物种质资源平台的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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