PRR(Pseudo-Response Regulator)基因家族是植物生物鐘系統(tǒng)的關(guān)鍵元件,參與光周期調(diào)控開花等生長(zhǎng)發(fā)育過程。然而,該基因家族在短日植物大豆中的作用尚不明確。
近日,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所大豆育種技術(shù)創(chuàng)新與新品種選育創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在《Plant Biotechnology Journal》發(fā)表題為“Natural variation and CRISPR/Cas9-mediated mutation in GmPRR37 affect photoperiodic flowering and contribute to regional adaptation of soybean”的論文,系統(tǒng)研究了大豆PRR家族重要成員GmPRR37在光周期誘導(dǎo)開花中的作用及在不同地域品種中的自然變異,并利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)定點(diǎn)敲除該基因,創(chuàng)制出適合在較高緯度地區(qū)或多熟制條件下種植的早熟突變體,為大豆品種的區(qū)域適應(yīng)性改良提供了技術(shù)支撐和材料基礎(chǔ)。
該團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)制以“自貢冬豆”(極晚熟品種)和“黑河27”(極早熟品種)為親本的重組近交系群體,利用簡(jiǎn)化基因組測(cè)序技術(shù)構(gòu)建高密度遺傳連鎖圖譜,結(jié)合8個(gè)環(huán)境下的開花期數(shù)據(jù)進(jìn)行連鎖分析,發(fā)掘到開花期主效QTL qFT12-2。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)qFT12-2編碼一個(gè)PRR家族成員,命名為GmPRR37。該基因呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律表達(dá)模式,并在重組近交系早熟親本黑河27中發(fā)生無義突變,導(dǎo)致CCT結(jié)構(gòu)域缺失。在北京自然長(zhǎng)日條件下,通過CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)定點(diǎn)敲除GmPRR37的株系開花期提前15.8天,而過表達(dá)GmPRR37的株系開花期顯著延遲;在短日條件下,上述株系的開花期與受體品種均無明顯差異。分析180份來自中國(guó)不同生態(tài)區(qū)的大豆品種,發(fā)現(xiàn)GmPRR37的等位基因變異與大豆對(duì)高緯長(zhǎng)日環(huán)境的適應(yīng)性有密切關(guān)系。該研究確認(rèn)生物鐘基因在大豆光周期調(diào)控開花過程中發(fā)揮重要作用,對(duì)大豆生態(tài)適應(yīng)性的遺傳改良具有重要指導(dǎo)意義。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所王立偉博士和孫石研究員為論文并列第一作者,韓天富研究員和侯文勝研究員為通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目項(xiàng)目的資助。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所大豆育種技術(shù)創(chuàng)新與新品種選育創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事大豆光溫適應(yīng)性相關(guān)的基礎(chǔ)研究和品種改良工作,系統(tǒng)研究了大豆開花后的光周期反應(yīng),發(fā)現(xiàn)了大豆的開花逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象,克隆了多個(gè)大豆光溫反應(yīng)相關(guān)基因,提出了“泛光周期假說”及通過調(diào)控FT基因家族不同成員的表達(dá)活性來調(diào)節(jié)大豆生長(zhǎng)發(fā)育方向的蹺蹺板模型(Teeter-board model)。與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)年海教授團(tuán)隊(duì)合作,率先克隆熱帶大豆適應(yīng)短日高溫環(huán)境的重要基因J(GmELF3),闡明了大豆長(zhǎng)童期性狀形成和向低緯短日地區(qū)擴(kuò)展的分子機(jī)制。發(fā)現(xiàn)光周期和溫度存在明顯的交互作用,提出了光溫互作模型和評(píng)價(jià)光溫敏感性的數(shù)量化指標(biāo)體系。牽頭組織構(gòu)建了大豆育種材料光溫適應(yīng)性鑒定平臺(tái)和多點(diǎn)測(cè)試網(wǎng)絡(luò),形成了全國(guó)一體化的大豆品種生態(tài)適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)體系,篩選、培育出一批廣適應(yīng)大豆品種,其中,中黃39適宜種植區(qū)域跨度達(dá)20個(gè)緯度,是我國(guó)目前種植區(qū)域南北跨度最大的大豆品種之一。