孔凡江回國從事大豆研究10年了。如今，“與大豆主產(chǎn)國相比，我國大豆單產(chǎn)較低，關(guān)鍵技術(shù)仍有待突破。提高產(chǎn)量是當(dāng)前我們大豆研究工作者面臨的最主要問題。”廣州大學(xué)分子遺傳與進(jìn)化創(chuàng)新研究中心研究員孔凡江告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
近日，孔凡江與同事劉寶輝研究員團(tuán)隊(duì)，以及中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜團(tuán)隊(duì)等合作，首次系統(tǒng)報(bào)道了大豆馴化過程中開花期基因的進(jìn)化與選擇分子機(jī)制，并確認(rèn)了光周期開花是作物核心的馴化性狀。這為大豆分子模塊挖掘與設(shè)計(jì)育種，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的大豆栽培品種奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果在《自然—遺傳學(xué)》上發(fā)表。
解決了一個(gè)爭議
大約5000年前，栽培大豆起源于我國，北緯30°~45°黃淮海區(qū)域的野生大豆馴化為今天的栽培大豆。用大豆加工的食品，如豆腐和醬油等在我國飲食文化中占有舉足輕重的地位。
大多數(shù)植物必須經(jīng)過一定時(shí)間的日照長度后才能開花。而光周期現(xiàn)象即晝夜周期中光照期和暗期長短的交替影響植物開花的效應(yīng)。大豆是光周期敏感的高溫短日照作物，成熟期是影響大豆產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一。
“大豆對(duì)光周期的反應(yīng)通常影響著成熟期的長短，進(jìn)而影響產(chǎn)量。具體表現(xiàn)為同一品種在低緯度地區(qū)光照時(shí)間短，開花期提前，成熟較早，產(chǎn)量低；而在高緯度地區(qū)光照時(shí)間長、晚開花、晚成熟、產(chǎn)量高。”論文通訊作者之一孔凡江表示。
不過，目前，栽培大豆的范圍已大大拓展，既能在高緯度的俄羅斯種植，也能在赤道附近的巴西等國家種植。
大豆是如何降低對(duì)光周期的敏感性，而讓自己具有了廣泛的生態(tài)適應(yīng)性呢？這是自然選擇的變異還是人工馴化的結(jié)果呢？
論文通訊作者之一劉寶輝告訴《中國科學(xué)報(bào)》，作物從野生種到農(nóng)家種的馴化過程經(jīng)歷了一系列性狀的人工改良，比如休眠性減弱、種子落粒等，這些性狀被稱為“馴化綜合特征性狀”。科學(xué)家對(duì)于光周期是不是馴化綜合特征性狀一直存在爭論。
研究人員利用基因組學(xué)分析、生物信息學(xué)和經(jīng)典正向遺傳學(xué)相結(jié)合的方法，發(fā)掘并克隆了調(diào)控大豆光周期的兩個(gè)關(guān)鍵位點(diǎn)Tof11和Tof12。Tof12-1基因上光周期鈍感的選擇可能是大豆早期馴化的關(guān)鍵事件，并可能與Shat1-5、GmHs1-1和G基因上對(duì)落莢性、種子硬度和休眠性的選擇相伴發(fā)生。這一結(jié)果證實(shí)了光周期適應(yīng)性改變可能是作物早期馴化的重要進(jìn)化步驟，是大豆作物核心的馴化性狀。
來自同源基因的影響
盡管當(dāng)前大豆種植廣泛，但由于其高敏感度的光周期特征，單個(gè)大豆品種所能適應(yīng)的緯度范圍很窄。這并不利于大豆品種的推廣。
“比如，我們希望北方的品種在南方也能高產(chǎn)。”孔凡江說。然而現(xiàn)實(shí)是，哈爾濱的品種拿到廣州會(huì)提早開花，植株矮小，只長出幾厘米，結(jié)粒很少；廣州的品種帶到哈爾濱則一直生長不開花，在冬天溫度下降時(shí)也不能結(jié)莢。
因此，有哪些基因在調(diào)控大豆光周期和開花、調(diào)控機(jī)制又是什么、如何解決大豆高產(chǎn)與早熟之間的矛盾，這是研究人員一直想解決的問題。
對(duì)模式植物擬南芥的研究發(fā)現(xiàn)，生物鐘核心元件PRRs家族基因通過對(duì)下游基因的調(diào)控， 進(jìn)行著復(fù)雜而有序的節(jié)律表達(dá)，以完成光周期開花。“在水稻和小麥等作物中，我們發(fā)現(xiàn)了與擬南芥同源的PRRs基因，在調(diào)控光周期途徑中發(fā)揮著重要作用。我們就想了解該基因在大豆中發(fā)揮著怎樣的功能。”劉寶輝說。
最終，他們證明，Tof11和Tof12是編碼PRR類的一對(duì)同源基因。Tof11和Tof12通過減弱生物鐘基因LHY對(duì)豆科特有的光周期調(diào)控核心E1的抑制，導(dǎo)致成花素基因FT表達(dá)下調(diào)，最終延遲開花。據(jù)此，作者建立并揭示了大豆中完整的光周期調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)。
在進(jìn)化機(jī)制上，Tof11和Tof12發(fā)生了漸進(jìn)式的變異和人工選擇。首先，tof12-1的功能缺失突變被強(qiáng)烈選擇，并在栽培品種中被迅速固定下來，使得栽培品種的開花期和成熟期普遍提前。在此基礎(chǔ)上，tof11-1的功能缺失型突變也受到選擇，進(jìn)一步縮短了栽培大豆的開花期和生育期，提高了栽培大豆的適應(yīng)性。
“在馴化過程中，野生大豆50%的遺傳多樣性在栽培大豆中丟失。因此，要挖掘并明確控制重要農(nóng)藝性狀的關(guān)鍵基因及其分子機(jī)制，我們可以試著把野生大豆馴化中丟失的控制優(yōu)良性狀的基因重新‘撿’回來，運(yùn)用到現(xiàn)代分子設(shè)計(jì)育種中，觀察其能否提高產(chǎn)量。”孔凡江說。
分子設(shè)計(jì)推動(dòng)大豆“綠色革命”
大豆是重要的糧油兼用作物，同時(shí)也是人類優(yōu)質(zhì)蛋白及畜牧業(yè)飼料蛋白的主要來源，在我國糧食結(jié)構(gòu)中占有重要地位。但我國大豆的單產(chǎn)仍然較低，對(duì)外依存度高達(dá)85%以上，是世界最大的大豆進(jìn)口國。
過去幾十年里，由于關(guān)鍵基因的挖掘和雜種優(yōu)勢(shì)，水稻、小麥等糧食作物都發(fā)生了產(chǎn)量翻番的“綠色革命”。與之相比，大豆產(chǎn)量卻始終處在緩慢增長狀態(tài)。
“大豆基因研究比較困難。”孔凡江坦承，其中一個(gè)原因在于，大豆是由古四倍體演變而來的二倍體自交作物，基因組龐大，約有56000個(gè)基因，且75%的基因以同源基因的形式出現(xiàn)，種內(nèi)遺傳變異程度低、豐富的重復(fù)序列使大豆基因組變得十分復(fù)雜，遺傳轉(zhuǎn)化困難，這羈絆著大豆基因功能研究的進(jìn)展。
2017年，孔凡江、劉寶輝和田志喜及其合作者團(tuán)隊(duì)，克隆了大豆長童期性狀的關(guān)鍵基因J。長童期性狀可在短日照條件下，延長大豆?fàn)I養(yǎng)生長期并且提高大豆產(chǎn)量。J基因促進(jìn)了光周期開花，且該基因突變型可推遲低緯度短日照條件下大豆開花時(shí)間，比野生型提高產(chǎn)量 30%—50%。這讓大豆可以在熱帶赤道地區(qū)大面積種植和推廣。
“兩項(xiàng)研究相互補(bǔ)充，是一個(gè)持續(xù)性的過程，不僅進(jìn)一步完善了以E1基因?yàn)殛P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的大豆開花分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，而且系統(tǒng)闡釋了J基因促進(jìn)大豆低緯度適應(yīng)，以及Tof11和Tof12促進(jìn)大豆中高緯度適應(yīng)的多基因進(jìn)化機(jī)制。”孔凡江說，但就龐大的基因組而言，這只是“冰山一角”。
除了光周期，我國還在大豆百粒重、單株莢數(shù)、葉柄夾角等產(chǎn)量重要性狀的關(guān)鍵基因上取得了較大的進(jìn)展，也創(chuàng)制了一批大豆優(yōu)異種質(zhì)材料，為大豆的分子設(shè)計(jì)育種奠定了重要的理論基礎(chǔ)。
“加快分子設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系建設(shè)，開展大豆超高產(chǎn)的分子基礎(chǔ)和育種技術(shù)研究，創(chuàng)制革命性品種，實(shí)現(xiàn)大豆的‘綠色革命’，以扭轉(zhuǎn)我國大豆的被動(dòng)局面。”論文通訊作者之一田志喜說。
田志喜表示，產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀大多是多基因控制的復(fù)雜性狀，而不同復(fù)雜性狀間的耦合是分子設(shè)計(jì)育種的關(guān)鍵科學(xué)問題。“我們還需要解析復(fù)雜性狀間耦合的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，明確關(guān)鍵調(diào)控單元。基于這些研究，我們可篩選出適宜在鹽堿、灘涂、高寒、 干旱等邊際土地，以及黑龍江主產(chǎn)區(qū)以北生長的大豆材料和品質(zhì)，擴(kuò)大種植面積，提高產(chǎn)量。”
“目前，大豆的基礎(chǔ)研究水平與水稻和玉米等主要作物相比還非常薄弱，還需要國家的更多重視和投入，科研人員團(tuán)結(jié)協(xié)作、凝聚力量挖掘更多的重要基因和突破關(guān)鍵技術(shù)，把老祖宗留給我們的遺產(chǎn)保護(hù)好，并發(fā)揚(yáng)光大。”孔凡江說。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-020-0604-7
