2022年3月2日，Theoretical and Applied Genetics在線發表了中國科學院東北地理與農業生態研究所大豆遺傳與分子改良學科組題為“A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean”的研究論文，助理研究員王飛飛為文章第一作者，張恒友研究員和潘相文高級工程師為文章的并列通訊作者。該研究對大豆多聚半乳糖醛酸酶基因PG031對種子吸水性的調控機制進行了解析。
大豆群體的種皮吸水性差異很大，幾乎所有野生大豆的種皮都是硬的、不吸水的，而栽培大豆群體的種皮相對容易吸水。硬的吸水性差的種皮可以保護種子在自然條件下免受病菌、旱澇、腌漬的侵害，以順利度過休眠期而適時萌發，同時收獲的種子容易儲存。相反，栽培大豆種皮相對容易吸水，在播種后可以保障大豆的適時整齊發芽，但收獲的種子不易保存。每年全世界都會因存儲過程中種子變質而導致巨大的經濟損失，由此可見，種皮硬度/吸水性對作物/大豆生產是一個非常重要的農藝性狀。但是，栽培大豆群體的種皮硬度/吸水性仍有較大變異，很難通過表型辨別，鑒定關鍵控制基因對分子設計育種變得尤為重要。前人的研究鑒定了大豆種皮硬度由兩個主要位點（qHS1和qHS2）來控制。已有研究對qHS1位點的解析增加了對大豆種皮性狀分子基礎的理解，但是對qHS2的基因的功能依然未知。大豆種皮硬度/吸水性的變化也被認為是大豆馴化的重要表型特征之一，鑒定qHS2基因將會加大對這一重要大豆馴化性狀的深刻理解，有助于利用相關遺傳機理優化現代大豆育種和改良。
本研究發現了控制大豆種皮吸水性的一個編碼多聚半乳糖醛酸酶基因PG031.該基因位于qHS2置信區間內。PG031在花中高表達，但在吸水后的種子種皮中特異表達，種子萌發后降低或無表達，表明PG031在種皮吸水性的重要作用。我們在大豆群體中鑒定到3種PG031變異，即PG031289H、PG031289Y 和PG031Hap3.其中野生大豆中僅含有PG031289H型，控制種皮不吸水性，將PG031289H導入到高滲透性大豆PG031289Y型大豆顯著降低轉基因種子的種皮吸水性，且使百粒重有所降低，顯微鏡分析證實PG031289H的導入減少了種皮的柵欄層和薄壁細胞層的細胞內空間，增加了水分進入種皮的屏障。另外兩個等位變異中，PG031289Y型來源于PG031289H的1個SNP突變，與種子種皮透水性增加緊密相關，因為PG031289Y等位變異與大粒重相關，這個等位變異可能正在經歷人工選擇。該研究結果為深入了解大豆種皮吸水性的遺傳機制提供了理論依據，也為定向改良栽培品種以滿足不同的貯藏需求提供一定的理論基礎。
該研究得到了國家自然科學基金（31301337）、黑龍江省自然科學基金（QC2014C036）以及作物人工智能設計與精準育種技術（B21HJ0101）等項目聯合資助。
論文信息如下：Wang F, Sun X, Liu B, Kong F, Pan X, Zhang H. A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean. Theoretical and Applied Genetics 2022. DOI:10.1007/s00122-022-04057-4
原文鏈接：
https://rdcu.be/cH2pb
日期：2022-03-09
大豆群體的種皮吸水性差異很大，幾乎所有野生大豆的種皮都是硬的、不吸水的，而栽培大豆群體的種皮相對容易吸水。硬的吸水性差的種皮可以保護種子在自然條件下免受病菌、旱澇、腌漬的侵害，以順利度過休眠期而適時萌發，同時收獲的種子容易儲存。相反，栽培大豆種皮相對容易吸水，在播種后可以保障大豆的適時整齊發芽，但收獲的種子不易保存。每年全世界都會因存儲過程中種子變質而導致巨大的經濟損失，由此可見，種皮硬度/吸水性對作物/大豆生產是一個非常重要的農藝性狀。但是，栽培大豆群體的種皮硬度/吸水性仍有較大變異，很難通過表型辨別，鑒定關鍵控制基因對分子設計育種變得尤為重要。前人的研究鑒定了大豆種皮硬度由兩個主要位點（qHS1和qHS2）來控制。已有研究對qHS1位點的解析增加了對大豆種皮性狀分子基礎的理解，但是對qHS2的基因的功能依然未知。大豆種皮硬度/吸水性的變化也被認為是大豆馴化的重要表型特征之一，鑒定qHS2基因將會加大對這一重要大豆馴化性狀的深刻理解，有助于利用相關遺傳機理優化現代大豆育種和改良。
本研究發現了控制大豆種皮吸水性的一個編碼多聚半乳糖醛酸酶基因PG031.該基因位于qHS2置信區間內。PG031在花中高表達，但在吸水后的種子種皮中特異表達，種子萌發后降低或無表達，表明PG031在種皮吸水性的重要作用。我們在大豆群體中鑒定到3種PG031變異，即PG031289H、PG031289Y 和PG031Hap3.其中野生大豆中僅含有PG031289H型，控制種皮不吸水性，將PG031289H導入到高滲透性大豆PG031289Y型大豆顯著降低轉基因種子的種皮吸水性，且使百粒重有所降低，顯微鏡分析證實PG031289H的導入減少了種皮的柵欄層和薄壁細胞層的細胞內空間，增加了水分進入種皮的屏障。另外兩個等位變異中，PG031289Y型來源于PG031289H的1個SNP突變，與種子種皮透水性增加緊密相關，因為PG031289Y等位變異與大粒重相關，這個等位變異可能正在經歷人工選擇。該研究結果為深入了解大豆種皮吸水性的遺傳機制提供了理論依據，也為定向改良栽培品種以滿足不同的貯藏需求提供一定的理論基礎。
該研究得到了國家自然科學基金（31301337）、黑龍江省自然科學基金（QC2014C036）以及作物人工智能設計與精準育種技術（B21HJ0101）等項目聯合資助。
論文信息如下：Wang F, Sun X, Liu B, Kong F, Pan X, Zhang H. A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean. Theoretical and Applied Genetics 2022. DOI:10.1007/s00122-022-04057-4
原文鏈接：
https://rdcu.be/cH2pb
日期：2022-03-09
