科学家揭示大豆生态适应性遗传机制

大豆是世界上重要的经济粮食作物，起源于我国黄淮海地区，是典型的短日照作物。通常，当高纬度地区大豆品种引种到低纬度区域时，由于其对光周期极其敏感，成熟期大大提前，导致大豆植株生物量和产量降低，这极大程度限制了低纬度地区的大豆种植。大豆长童期 (Long Juvenile, LJ) 性状在上世纪70年代被发现，并成功应用于低纬度地区大豆育种。LJ性状的导入，突破了大豆在低纬度地区产量极低的限制，使大豆在低纬度（尤其是南美地区）得以快速扩张和推广。上世纪90年代，研究发现J是控制大豆LJ性状的关键位点，然而其编码基因和分子调控机制一直未明确。

中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜研究组与中科院东北地理与农业生态研究所

孔凡江研究组和刘宝辉研究组以及中科院

华南植物园侯兴亮研究组合作，通过正向遗传学的方法图位克隆了J基因。发现J基因是拟南芥EARLY FLOWERING 3(ELF3)的同源基因，通过功能互补实验和近等基因系等方法验证了该基因的功能，且在低纬度条件下（短日照条件），突变型j与野生型J相比能提高大豆产量达30-50%。进一步研究表明，在短日照条件下，J蛋白能够与大豆光周期开花的核心调控因子E1启动子的LUX结合元件直接结合，进而抑制E1基因的表达，从而解除了E1对FT的抑制，促进FT基因的表达上调。同时，研究还发现J基因的表达受到光敏色素蛋白E3和E4的抑制，揭示了大豆特异的光周期调控开花的PHYA(E3E4)-J-E1-FT遗传网络（如图）。群体遗传学分析发现，J基因在适应低纬度大豆品种中至少存在着8种功能缺失型等位变异。J基因多种变异的产生是大豆适应低纬度地区和产量增加的重要进化机制，低纬度地区的环境压力是J基因产生变异的主要驱动力。这些等位变异对大豆在低纬度地区的推广和大豆生产必将起到重要的作用。

相关研究成果以Article形式于3月20日在《自然-遗传学》（Nature Genetics）杂志上在线发表 (DOI:10.1038/ng.3819)。该文通讯作者是中科院东北地理所研究员刘宝辉、孔凡江，中科院遗传发育所研究员田志喜以及华南植物园研究员侯兴亮。东北地理所博士芦思佳、赵晓晖，华南植物园博士研究生胡一龙，遗传发育所博士研究生刘书林和东北地理所博士南海洋为论文共同第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院先导专项的资助。

J调控开花和大豆产量的模式图。E3E4诱导调控E1是通过E3E4抑制调控J转录表达，然后J抑制调控E1转录表达来完成，J蛋白能够直接结合到E1启动子上抑制其表达，从而释放了E1对FT转录抑制，而诱导大豆开花与成熟。




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