崖州湾国家实验室揭秘大豆基因组新突破

创作时间:

2025-01-21 22:29:15

作者:

@小白创作中心

崖州湾国家实验室揭秘大豆基因组新突破

近日，崖州湾国家实验室在大豆基因组研究方面取得重大突破。田志喜研究员带领团队在Nature Communications发表论文，揭示了大豆种子大小的调控机制。这一发现不仅为大豆高产育种提供了新的基因资源，也为理解大豆种子发育的分子机制提供了重要线索。

大豆（Glycine max L. Merr.）是全球重要的油料作物和经济作物之一，是人类优质蛋白和饲料蛋白的主要来源。尽管大豆原产于中国，但目前我国大豆供需矛盾严重，约85%的需求依赖进口。主要原因在于我国大豆单产水平低，导致国内大豆产能供不应求。因此，提高我国大豆单产刻不容缓。种子大小是决定大豆产量的关键因素之一，大豆种子大小关键基因的鉴定及其调控机制的解析，对利用分子设计育种培育高产大豆新品种具有重要意义。

田志喜课题组通过连续两年对1,800多份大豆种质资源籽粒宽度性状的全基因组关联分析，在17号染色体上鉴定到一个与粒宽紧密关联的稳定信号区间。进一步结合QTL定位分析，确定了一个控制大豆籽粒宽度的基因GmSW17(Seed Width 17)。GmSW17编码一个含有锌指结构域(Zinc finger, Zf)和泛素羧基末端水解酶(Ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase, UCH)结构域的去泛素化酶，是拟南芥UBP22的同源基因。遗传分析发现，GmSW17正调控大豆粒宽和粒重，CRISPR/Cas9基因敲除株系粒宽明显减小，小区产量明显下降；过表达株系粒宽显著变大，小区产量明显增加。进一步，通过酵母双杂交、双分子荧光互补和免疫共沉淀实验发现，GmSW17、GmSGF11和GmENY2三个蛋白可以形成一个以GmSGF11为骨架的去泛素化模块(DUBm)，具有去泛素化H2Bub活性，且GmSW17H2比GmSW17H1活性强。转录组和表观组学联合分析发现，GmSW17通过改变GmDP-E2F-1位点的H2Bub水平来调控G1/S期转换，从而影响细胞增殖和细胞扩张，最终调控大豆种子发育。

此外，在野生大豆驯化成地方品种再到栽培大豆的过程中，GmSW17H1的比例逐渐减少，而GmSW17H2的比例则逐渐增加。群体分析表明，在大豆驯化过程中，GmSW17经历了人工选择，但在现代育种中尚未被固定。

综合上述结果，我们提出了GmSW17-GmSGF11-GmENY2-GmDP-E2F-1调控种子大小的分子机制：GmSW17 (包括GmSW17H1和GmSW17H2)与GmSGF11和GmENY2形成三聚体DUBm，影响GmDP-E2F-1位点的H2Bub水平，进而调控大豆种子细胞的细胞周期转变。而GmSW17H1相较于GmSW17H2去泛素化组蛋白H2B的活性较弱，导致GmDP-E2F-1位点H2Bub水平降低程度较小，使其表达量较高，从而阻碍了G1到S期的转变，最终导致较小的种子产生。

该研究成果以题为“Natural variation inGmSW17controls seed size in soybean”于2024年8月28日在线发表于Nature Communications。田志喜课题组博士生梁闪和崖州湾国家实验室青年科学家段宗彪为该论文共同第一作者，田志喜研究员和刘书林副研究员为通讯作者，该课题得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、海南省种业实验室和中国科学院战略先导专项等项目支持。

这一发现不仅揭示了大豆种子大小的调控机制，更为重要的是，它为大豆高产育种提供了新的基因资源。通过调控GmSW17基因的表达，可以实现对大豆种子大小的精准控制，从而提高大豆产量。

这一突破性成果是崖州湾国家实验室在大豆基因组研究领域持续深耕的结果。实验室联合南京农业大学、中国农业科学院作物科学研究所等多家机构，在Molecular Plant发表综述论文，系统总结了大豆多维组学、功能基因和分子育种的研究进展，并提出未来发展方向。

未来发展方向

在大豆多维组学研究方面，专家建议构建大豆泛转录组、泛表观组、泛代谢组和泛蛋白组，实施大豆ENCODE项目，并利用人工智能驱动精准基因组学研究。这些策略旨在全面解析大豆基因组和表观遗传特征，开发高效的多组学数据库与工具，并构建精准的功能基因网络模型。

在功能基因研究方面，未来将围绕六大方向展开，包括功能基因与机制解析、通过整合组学构建调控网络、提升环境适应性与胁迫耐受性、优化植株结构与挖掘杂种优势、开发全新驯化和创新繁殖技术、提高资源利用效率。这些研究将为大豆功能基因组学的发展提供理论框架和技术支持，加速优质大豆品种的培育。

在分子育种方面，研究将重点关注精准育种技术、遗传资源多样性利用以及气候智能育种等方向，力求在提升大豆产量、抗病性、营养品质及应对气候变化的能力方面取得突破，同时推动大豆产业的可持续发展。

重要意义

生物育种技术是保障粮食安全和重要农产品稳定供给的有力支撑。近年来，我国农业生物育种发展成效显著，农作物良种覆盖率在96%以上，自主选育品种推广面积占比超过95%，良种对作物增产贡献率达45%以上。生物育种技术发展有何趋势，如何提升我国种业创新水平？近日在北京召开的2024年长城工程科技会议生物育种主题大会上，多位院士专家展开研讨。

“随着前沿育种技术与大数据、人工智能深度融合，生物育种正由经验育种、常规育种向智能育种方向发展。”中国科学院院士、崖州湾国家实验室主任李家洋表示，当前全球种业已进入密集创新和产业变革时代，智能设计育种成为未来竞争制高点。

中国工程院院士万建民介绍，近年来，我国种质资源保护与利用体系日趋完善，基础研究与前沿技术创新取得积极进展。比如，主导完成了水稻、小麦、玉米、大豆等主要农作物基因组的测序或重测序。在育种技术方面，水稻等杂种优势利用技术国际领跑，攻克小麦染色体工程技术难题，分子标记技术已经在主要农作物广泛应用。

基础研究是驱动生物育种发展的创新源泉。与种业发达国家相比，我国种业基础研究与关键核心技术仍存在一些不足。比如，主要农作物重要性状形成的遗传基础与调控网络研究不系统，高产优质、抗病虫、耐旱、养分高效等重大基因挖掘不够，等等。

中国工程院院士、中国农业科学院院长吴孔明表示，要夯实种质资源育种的战略性基础，加大生物育种关键技术攻关。进一步加大种质资源搜集、保护、鉴定和育种材料创制力度，阐析优异种质资源形成与演化规律。同时，深化育种理论方法研究，持续推动生物育种关键技术创新，使育种技术向智能化、精准化发展，培育新一代重大新品种。

企业是科技创新的主体。总体上看，我国农作物种业企业整体仍呈现数量多、规模小、竞争力不强的特点，工程化育种技术体系尚未建立。种业企业创新能力短板如何补？万建民建议，支持种业龙头企业整合育种材料、技术、人才等要素资源，扩大商业化育种规模，提升种子企业创新能力。此外，还可以通过引导科研单位建立技术转移中心，加速公共财政支持形成的新品种新技术向企业转移。

“种业创新离不开完善的知识产权保护体系支撑。”万建民表示，要以新基因、新技术、新品种知识产权保护为抓手，持续深化知识产权保护意识，系统设计与整体布局知识产权保护全球化战略，不断完善知识产权保护机制，加快构建企业、高校、科研院所相互支撑、相互协同的知识产权保护联盟，确保关键核心技术自主可控。