The Crop Journal | 南京农业大学联合广西农业科学院经济作物研究所揭示大豆耐荫性基因网络

以下文章来源于The Crop Journal ，作者编辑部

中国耕种面积少，作为重要粮油饲料作物的大豆每年需要大量进口，在稳定其它作物产量的同时玉米–大豆间作/套作系统的推广可能是解决大豆种植面积短缺的有效途径。在此种植制度下，大豆容易遭受来自玉米的荫蔽胁迫，研究大豆耐荫性至关重要。目前关于大豆耐荫性的研究主要集中在大豆形态、生理和栽培条件上，其群体遗传机制研究鲜有报道。限制性二阶段全基因组关联分析（RTM-GWAS）相比于传统的连锁分析方法能够鉴别更多QTL/基因，将表型解释率控制在遗传率范围内，减少假阳性和假阴性，特别适合群体结构偏差小的重组自交系群体（RIL），有利于了解耐荫基因系统的全貌。进一步将GWAS和RNA-seq结合将能从正反两个方向全面探究大豆耐荫性遗传网络。

近期，南京农业大学联合广西农业科学院经济作物研究所在The Crop Journal在线发表了题为“Genome-wide association with transcriptomics reveals a shade-tolerance gene network in soybean”的研究论文，作者以矮脚早（耐荫）和Chippewa（敏感）为亲本衍生的重组自交系群体为研究材料，通过全基因组关联分析结合转录组分析，对耐荫基因系统进行研究。

研究者发现，在遮荫胁迫下，随着不耐荫亲本和家系的株高和节间长度增加，多种类型细胞，尤其髓部薄壁细胞，均不同程度伸长，而耐荫亲本和家系的形态变化小（图1），说明株高增加是由细胞伸长引起的。根据形态结构的变化计算了群体STI（相对株高和节长平均值）和RCL（相对髓部细胞长）两个指标，利用GASM-RTM-GWAS（以等位基因序列为标记的限制性两阶段全基因组关联分析）检测耐荫性相关基因位点及其等位基因，发现STI和RCL性状分别与140个和146个贡献率连续变化的基因关联，RIL群体具有丰富的重组潜力（图2）。为探究STI和RCL间的关系，利用SoyBase和STRING数据库分别进行基因功能注释和蛋白–蛋白相互作用（PPI）网络分析，发现虽然STI与RCL间的许多基因具有相似甚至相同的功能注释并在PPI网络中紧密相连（图3），但两性状仍各成体系。对两亲本进行转录组分析，发现21,475个差异表达基因（DEG）存在时间限制，与GWAS结果相比DEG涉及更多生物学功能（图4），并且34%的GWAS识别基因在不同时期发生差异表达（图4），说明GWAS检测的基因通过基因表达在多个生长阶段发挥作用。综上，耐荫性基因网络由不同子性状STI和RCL的基因组成，网络中的核心基因可与不同子性状STI和RCL的基因关联，因而耐荫性的遗传体系是一个复合性状基因网络体系。从该体系中提名了5个关键基因作为研究该体系的入门，并从中预测了该群体的超亲潜力供耐荫性育种参考。

图1 大豆茎秆在自然光和荫蔽胁迫下的示意图

图2 AC-RIL群体耐荫性基因–等位基因系统的鉴定

图3 STI和RCL基因的功能类别和蛋白质相互作用（PPI）网络

图4 双亲的差异表达基因（DEG）和KEGG富集通路

作者和基金项目

南京农业大学苏燕竹博士为该文第一作者，南京农业大学盖钧镒教授和广西农业科学院经济作物研究所孙祖东研究员为共同通信作者。该研究得到国家重点研发计划项目（2021YFF1001204，2021YFD1201602）、教育部高等学校学科创新引智计划（B08025）、国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-04）、江苏省项目（JBGS-2021-014）、广西科学研究与技术发展项目（14125008-2-16）和南京农业大学三亚研究所指导基金（NAUSY-ZZ02，NAUSY-MS05）的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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