Nat Genet：中科院東北地理所劉寶輝研究組等揭示大豆生態適應性遺傳機制

2017年3月20日， 國際學術權威刊物自然出版集團旗下子刊《Nature Genetics》雜誌線上發表了中國科學院東北地理所劉寶輝、孔凡江研究組、遺傳發育研究所田志喜研究組以及華南植物園侯興亮研究組合作的一篇研究論文。 東北地理所蘆思佳博士、趙曉暉博士、華南植物園博士研究生胡一龍、遺傳發育所博士研究生劉書林和東北地理所南海洋博士為論文共同第一作者。 通訊作者是中科院東北地理所劉寶輝研究員、孔凡江研究員、中科院遺傳發育所田志喜研究員以及華南植物園侯興亮研究員。

大豆是世界上重要的經濟糧食作物，

起源于我國黃淮海地區， 是典型的短日照作物。 通常， 當高緯度地區大豆品種引種到低緯度區域時， 由於其對光週期極其敏感， 成熟期大大提前， 導致大豆植株生物量和產量降低， 這極大程度限制了低緯度地區的大豆種植。 大豆長童期 (Long Juvenile, LJ) 性狀在上世紀70年代被發現， 並成功應用於低緯度地區大豆育種。 LJ性狀的導入， 突破了大豆在低緯度地區產量極低的限制， 使大豆在低緯度(尤其是南美地區)得以快速擴張和推廣。 上世紀90年代， 研究發現J是控制大豆LJ性狀的關鍵位元點， 然而其編碼基因和分子調控機制一直未明確。

遺傳與發育生物學研究所田志喜研究組與中科院東北地理所孔凡江研究組和劉寶輝研究組以及中科院華南植物園侯興亮研究組合作，

通過正向遺傳學的方法圖位克隆了J基因。 發現J基因是擬南芥EARLY FLOWERING 3(ELF3)的同源基因， 通過功能互補實驗和近等基因系等方法驗證了該基因的功能， 且在低緯度條件下(短日照條件)， 突變型j與野生型J相比能提高大豆產量達30-50%。 進一步研究表明， 在短日照條件下， J蛋白能夠與大豆光週期開花的核心調控因數E1啟動子的LUX結合元件直接結合， 進而抑制E1基因的表達， 從而解除了E1對FT的抑制， 促進FT基因的表達上調。 同時， 研究還發現J基因的表達受到光敏色素蛋白E3和E4的抑制， 揭示了大豆特異的光週期調控開花的PHYA(E3E4)-J-E1-FT遺傳網路(圖1)。 群體遺傳學分析發現， J基因在適應低緯度大豆品種中至少存在著8種功能缺失型等位變異。 J基因多種變異的產生是大豆適應低緯度地區和產量增加的重要進化機制， 低緯度地區的環境壓力是J基因產生變異的主要驅動力。 這些等位元變異對大豆在低緯度地區的推廣和大豆生產必將起到重要的作用。

圖1 J調控開花和大豆產量的模式圖

E3E4誘導調控E1是通過E3E4抑制調控J轉錄表達， 然後J抑制調控E1轉錄表達來完成， J蛋白能夠直接結合到E1啟動子上抑制其表達， 從而釋放了E1對FT轉錄抑制， 而誘導大豆開花與成熟。

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原文摘要：

Soybean is a major legume crop originating in temperate regions, and photoperiod responsiveness is a key factor in its latitudinal adaptation. Varieties from temperate regions introduced to lower latitudes mature early and have extremely low grain yields. Introduction of the long-juvenile (LJ) trait extends the vegetative phase and improves yield under short-day conditions, thereby enabling expansion of cultivation in tropical regions. Here we report the cloning and characterization of J, the major classical locus conferring the LJ trait, and identify J as the ortholog of Arabidopsis thaliana EARLY FLOWERING 3 (ELF3). J depends genetically on the legume-specific flowering repressorE1, and J protein physically associates with the E1 promoter to downregulate its transcription, relieving repression of two important FLOWERING LOCUS T (FT) genes and promoting flowering under short days. Our findings identify an important new component in flowering-time control in soybean and provide new insight into soybean adaptation to tropical regions.