作科所发现调控大豆耐荫性和产量的关键基因

作科所发现调控大豆耐荫性和产量的关键基因

10月26日,中国农业科学院作物科学研究所联合多家单位定位了调控大豆株高的关键基因PH13,揭示了其优异单倍型在高纬度地区品种选育中的重要作用及分子机制,明确了PH13及其同源基因在改良大豆株高和耐荫性方面的重要应用价值。该研究为提高大豆耐荫性和产量提供了理论基础和基因资源。相关研究成果在线发表于《自然·通讯( Nature Communications )》上。

大豆是我国重要的粮饲兼用作物。随着人们生活水平的提高,我国对大豆的需求量逐年攀升,供需矛盾日益突出,提高大豆产能已成为保障国家粮食安全的迫切需求。大豆是典型的光环境敏感型作物,密植和间套作会引起大豆明显的茎杆徒长避荫反应,尤其是在高纬度地区叠加长日照诱导的茎杆伸长效应,更容易引发倒伏和减产。因此,挖掘株高相关的耐荫基因对于培育耐密植高产大豆新品种具有重要意义。

图1. PH13 作为调控大豆株高的关键基因在高纬度品种改良中获得广泛利用

该研究定位了一个位于13号染色体上调控大豆株高的主效基因PH13,并证实了PH13是大豆主茎伸长促进因子。研究发现,PH13基因通过参与降解STF1/2转录因子,从而促进茎杆伸长。该基因在自然群体中存在三种主要的单倍型,其中PH13H3单倍型编码的部分功能缺失的PH13蛋白互作减弱,导致下游转录因子STF1/2蛋白积累从而降低大豆株高。进一步研究发现PH13H3单倍型所占比例由地方品种的1.4%上升至栽培品种的32.7%;由于该单倍型降低株高的遗传效应,在高纬度地区品种改良过程中被育种家广泛利用。

以中低纬度地区品种TL1为亲本,利用基因编辑技术对PH13及其直系同源基因PHP进行敲除,创建了突变体株系。田间测试表明该突变体株高对光周期和遮荫变化不敏感,在各种植密度下株高均保持恒定且无倒伏出现。在吉林长春地区密植条件下,与TL1亲本和当地品种相比,该突变体株系产量显著提高;此外在哈尔滨地区玉米-大豆条带复合种植条件下,该突变体株系展现了极强的抗倒伏性,且其产量与当地高产抗倒伏品种龙垦317、农垦18-842持平,从而为南豆北移提供了新途径。

图2.利用PH13及同源基因PHP改良大豆株高,培育适应高纬度高密度种植的优良品种

综上所述,该研究不仅解析了PH13调控大豆株高适应高纬度的分子机制,且创制了具有显著耐荫和增产潜力的突变体,为培育适合高纬度地区密植的高产新品种提供了重要新基因和新材料。

作科所博士后秦超、研究员李英慧和博士后李德林为该论文的共同第一作者,刘斌研究员、邱丽娟研究员和广州大学的孔凡江教授为通讯作者。广州大学、美国普渡大学等多家单位参与合作研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农业科学院农业科学技术创新项目、中央公益性科研机构基本研究基金和中国博士后科学基金的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-42608-5