近日，華南農(nóng)業(yè)大學 生命科學學院王應祥課題組以及華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院楊存義課題組聯(lián)合在Nature Communications雜志在線發(fā)表題為“Natural variation in histone demethylase GmLDL2 confers flowering time divergence for geographical expansion in soybean”的研究論文，解析了組蛋白去甲基化酶GmLDL2調(diào)控大豆開花的分子機制，并揭示了其優(yōu)異單倍型適應低緯度地區(qū)的遺傳基礎，為“北豆南移”提供了新的基因資源。
大豆是油脂和植物蛋白的主要來源，而我國大豆80%以上依賴進口，是國家糧食安全的關鍵短板。華南地區(qū)作為我國大豆第三大主產(chǎn)區(qū)，地處熱帶亞熱帶地區(qū)，其氣候條件全年適宜大豆種植，擴種大豆?jié)摿Υ蟆６蠖故枪庵芷诜磻舾械亩倘兆魑铮敻呔暥鹊貐^(qū)優(yōu)良品種引入到低緯度的華南地區(qū)時，會出現(xiàn)花期顯著提前、生育期縮短、產(chǎn)量大幅下降的現(xiàn)象。因此，合適的開花時間和生育期對培育低緯度地區(qū)的大豆品種具有十分重要的意義。
本研究在華夏3號的γ-射線誘變庫中篩選到一個早花突變體ef1（early flowering 1），通過BSA-seq（混池分離群體測序）定位了控制開花的候選基因GmLDL2（Lys-Specific Demethylase like 2），并利用轉基因互補以及基因敲除實驗驗證了其功能。體內(nèi)外酶活性檢測結果顯示GmLDL2具有組蛋白去甲基化酶活性，可特異性去除H3K4me1以及H3K4me2修飾。深入探究其分子機制發(fā)現(xiàn)，GmLDL2可直接結合下游靶基因GmFER（編碼類受體激酶）并去除該位點的H3K4me1/2甲基化修飾導致其表達下調(diào)，從而調(diào)控開花。進一步遺傳分析發(fā)現(xiàn)，GmFER突變可以恢復Gmldl2突變體的早花表型，說明GmLDL2調(diào)控大豆開花時間依賴于GmFER。綜上，GmLDL2通過影響GmFER位點的H3K4甲基化修飾調(diào)控其表達，從而實現(xiàn)對大豆開花時間精確調(diào)控。
自然變異分析發(fā)現(xiàn)，GmLDL2基因是大豆馴化育種過程中的選擇靶點，其單倍型H1和H2在育種過程中受到人工選擇。單倍型H1為祖先單倍型且集中分布在低緯度地區(qū)，而單倍型H2主要分布在高緯度地區(qū)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，單倍型H1的組蛋白去甲基化能力顯著高于單倍型H2，導致低緯度條件種植下單倍型H1品種的開花時間明顯晚于單倍型H2，從而使得單倍型H1品種的產(chǎn)量也遠高于單倍型H2，說明單倍型H1提高了大豆對低緯度地區(qū)的適應性。
圖1. GmLDL2調(diào)控大豆開花以及低緯度地區(qū)適應性機制
本研究不僅揭示了GmLDL2-GmFER模塊調(diào)控大豆開花的獨特分子機制，且進一步解析了大豆適應低緯度地區(qū)的遺傳基礎，為培育低緯度地區(qū)晚熟、高產(chǎn)品種以及“北豆南移”提供了重要的基因資源。
華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院楊存義教授課題組已畢業(yè)劉夢詩博士，現(xiàn)為生命科學學院博士后、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術廣東省實驗室青年研究員方圓、華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院博士江佳燦為論文的共同第一作者，王應祥教授和楊存義教授為通訊作者。該研究得到了廣東省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新十大主攻方向“揭榜掛帥”項目、國家科技重大專項、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術廣東省實驗室項目、國家自然科學基金以及廣東省珠江人才計劃的支持。
生命科學學院 劉夢詩
