大豆是全球重要的植物蛋白和植物油來源之一，其廣泛應(yīng)用于人類食品、動(dòng)物飼料及工業(yè)原料等領(lǐng)域，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。提高大豆產(chǎn)量一直是大豆育種領(lǐng)域的核心目標(biāo)，直接關(guān)系全球糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。近年來，大豆育種研究取得諸多進(jìn)展，但學(xué)界對(duì)大豆種子性狀的分子調(diào)控機(jī)制尚不明晰。因此，深入研究大豆種子性狀的遺傳機(jī)制，挖掘影響其產(chǎn)量的關(guān)鍵基因，對(duì)于提高大豆產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要理論意義和實(shí)際價(jià)值。

 

　　針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員張勁松、副研究員張萬科和助理研究員陶建軍團(tuán)隊(duì)對(duì)穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的MIR172a過表達(dá)大豆植株進(jìn)行了全生育期觀察和產(chǎn)量性狀分析。研究顯示，MIR172a過表達(dá)顯著降低了種子大小和重量，百粒重由對(duì)照品種JACK的17.01g降低至6.02g—9.23g。同時(shí)，種子中脂肪酸組成發(fā)生了變化。其中，軟脂酸（16:0）、硬脂酸（18:0）、油酸（18:1）、亞油酸（18:2）減少，而亞麻酸（18:3）增加，且蛋白質(zhì)含量有所提升，這表明miR172a在調(diào)控大豆種子表型以及脂肪酸和蛋白質(zhì)積累方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。為鑒定miR172a靶基因，研究人員利用MiRbase網(wǎng)站篩選出10個(gè)AP2/ERF家族基因作為候選并分析發(fā)現(xiàn)，ERF416和ERF413在MIR172a轉(zhuǎn)基因大豆種子中表達(dá)顯著下調(diào)。同時(shí)，5'RACE-PCR實(shí)驗(yàn)證實(shí)，miR172a可在ERF416和ERF413靶位點(diǎn)誘導(dǎo)mRNA切割，因此ERF416和ERF413是miR172a的靶基因。

 

　　隨后，研究人員通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)構(gòu)建了ERF416和ERF413突變體，以研究其大豆種子表型的變化。與對(duì)照品種DN50相比，突變體籽粒變小、百粒重顯著下降，但單株產(chǎn)量大幅增加，單株產(chǎn)量最高可提高31.8%。同時(shí)，突變體籽粒脂肪酸含量明顯上升，尤其是油酸（18:1），而蛋白質(zhì)含量下降。研究顯示，過表達(dá)ERF416可顯著提高種子大小和百粒重，增幅最高可達(dá)13%，且由于過表達(dá)材料中單粒莢比例上升、四粒莢比例下降，使每株種子總數(shù)減少，產(chǎn)量未受顯著影響。此外，過表達(dá)材料中脂肪酸含量顯著降低，尤其是亞油酸（18:2）含量減少。以上結(jié)果表明，ERF416過表達(dá)有助于提高大豆種子粒重，但或?qū)χ舅岱e累產(chǎn)生負(fù)面影響。

 

　　進(jìn)一步，研究人員通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，在ERF416/413突變體中GmKIX8-1表達(dá)上調(diào)。實(shí)驗(yàn)證明，ERF416/413通過結(jié)合其啟動(dòng)子區(qū)域的GCC元件抑制GmKIX8-1表達(dá)，從而促進(jìn)種子增大。同時(shí)，ERF416/413可激活另一個(gè)下游基因GmSWEET10a的表達(dá)，在過表達(dá)大豆中該基因上調(diào)，在突變體中下調(diào)。雙熒光素酶和ChIP實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了ERF416/413與GmKIX8-1、GmSWEET10a啟動(dòng)子的直接結(jié)合與調(diào)控關(guān)系。

 

　　最后，研究人員通過分析ERF416啟動(dòng)子的單倍型變異及其與大豆種子大小和基因表達(dá)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在195個(gè)栽培大豆和94個(gè)野生大豆中，有Hap1、Hap2、Hap3三種主要單倍型。其中，Hap1對(duì)應(yīng)較高的ERF416表達(dá)和較大的百粒重，且與較低的脂質(zhì)含量相關(guān)，而Hap3與較高的脂質(zhì)含量相關(guān)。不同地區(qū)的大豆中，Hap3比例從東北至南方逐漸降低，這表明Hap3可作為高油品種育種的優(yōu)良等位基因。

 

　　該研究發(fā)現(xiàn)了miR172a-ERF416/413模塊可調(diào)控大豆籽粒大小和粒重，且可能通過不同途徑調(diào)控其脂肪酸含量。

 

　　近日，相關(guān)研究成果以The miR172a-ERF416/413 module regulates soybean seed traits為題，發(fā)表在《植物學(xué)報(bào)（英文版）》（Journal of Integrative Plant Biology）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等的支持。