科學家揭示大豆生態適應性遺傳機制

　　大豆是世界上重要的經濟糧食作物，起源于我國黃淮海地區，是典型的短日照作物。通常，當高緯度地區大豆品種引種到低緯度區域時，由于其對光周期極其敏感，成熟期大大提前，導致大豆植株生物量和產量降低，這極大程度限制了低緯度地區的大豆種植。大豆長童期 (Long Juvenile, LJ) 性狀在上世紀70年代被發現，并成功應用于低緯度地區大豆育種。LJ性狀的導入，突破了大豆在低緯度地區產量極低的限制，使大豆在低緯度（尤其是南美地區）得以快速擴張和推廣。上世紀90年代，研究發現J是控制大豆LJ性狀的關鍵位點，然而其編碼基因和分子調控機制一直未明確。

　　中國科學院遺傳與發育生物學研究所田志喜研究組與中科院東北地理與農業生態研究所孔凡江研究組和劉寶輝研究組以及中科院華南植物園侯興亮研究組合作，通過正向遺傳學的方法圖位克隆了J基因。發現J基因是擬南芥EARLY FLOWERING 3(ELF3)的同源基因，通過功能互補實驗和近等基因系等方法驗證了該基因的功能，且在低緯度條件下（短日照條件），突變型j與野生型J相比能提高大豆產量達30-50%。進一步研究表明，在短日照條件下，J蛋白能夠與大豆光周期開花的核心調控因子E1啟動子的LUX結合元件直接結合，進而抑制E1基因的表達，從而解除了E1對FT的抑制，促進FT基因的表達上調。同時，研究還發現J基因的表達受到光敏色素蛋白E3和E4的抑制，揭示了大豆特異的光周期調控開花的PHYA(E3E4)-J-E1-FT遺傳網絡（如圖）。群體遺傳學分析發現，J基因在適應低緯度大豆品種中至少存在著8種功能缺失型等位變異。J基因多種變異的產生是大豆適應低緯度地區和產量增加的重要進化機制，低緯度地區的環境壓力是J基因產生變異的主要驅動力。這些等位變異對大豆在低緯度地區的推廣和大豆生產必將起到重要的作用。

　　相關研究成果以Article形式于3月20日在《自然-遺傳學》（Nature Genetics）雜志上在線發表 (DOI:10.1038/ng.3819)。該文通訊作者是中科院東北地理所研究員劉寶輝、孔凡江，中科院遺傳發育所研究員田志喜以及華南植物園研究員侯興亮。東北地理所博士蘆思佳、趙曉暉，華南植物園博士研究生胡一龍，遺傳發育所博士研究生劉書林和東北地理所博士南海洋為論文共同第一作者。該項研究得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院先導專項的資助。