近日，JIPB在線(xiàn)發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)李艷教授團(tuán)隊(duì)題為"Editing a gibberellin receptor gene improves yield and nitrogen fixation in soybean" 的研究論文。該研究通過(guò)基因編輯技術(shù)敲除大豆赤霉素受體基因GmGID1-2，實(shí)現(xiàn)對(duì)株型、產(chǎn)量、種子含油量以及根瘤固氮能力等多個(gè)性狀的綜合改良。創(chuàng)制的GmGID1-2新等位變異優(yōu)于大豆種質(zhì)資源中的自然等位基因，為培育高產(chǎn)、高油、高固氮大豆品種提供了寶貴的遺傳資源。

大豆是我國(guó)乃至全球重要的油料作物，但其單產(chǎn)遠(yuǎn)低于水稻、小麥等作物。在谷類(lèi)作物中，第一輪綠色革命通過(guò)推廣高密度種植抗倒伏的半矮稈品種，提高了單位面積產(chǎn)量，但這一方式依賴(lài)大量施用氮肥以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。新一輪綠色革命則將提高氮利用效率的基因整合到半矮稈品種中，在不過(guò)度施用氮肥的同時(shí)保持其高產(chǎn)特性。與谷類(lèi)作物不同，大豆作為豆科植物，可通過(guò)共生菌同化大氣中的氮來(lái)滿(mǎn)足自身70%以上的氮需求。因此，挖掘既能改良株型、提高產(chǎn)量，又能促進(jìn)根瘤固氮的關(guān)鍵基因，將有助于推動(dòng)大豆實(shí)現(xiàn)可持續(xù)綠色革命。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)GmGID1-2會(huì)顯著增加大豆的株高，而敲除則使株高降低，同時(shí)增加莖稈直徑和強(qiáng)度、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù) (三粒莢和四粒莢顯著增多) 和種子數(shù)，從而提高單株種子重量與大豆產(chǎn)量，并提升種子含油量。進(jìn)一步研究表明，GmGID1-2與DELLA蛋白互作調(diào)控大豆株高，并通過(guò)影響與分枝、固碳作用和脂肪酸代謝等相關(guān)的通路及基因表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控大豆分枝數(shù)和種子含油量。

圖1. 敲除GmGID1-2改良大豆株型并提高產(chǎn)量和種子含油量

基于敲除GmGID1-2后大豆莢和種子數(shù)顯著增加并引起DELLA蛋白積累，以及DELLA在其他豆科植物中可促進(jìn)根瘤菌侵染與根瘤共生的作用，推測(cè)在GmGID1-2敲除突變體中，為大豆提供主要氮源的根瘤固氮作用也相應(yīng)增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，突變體中的根瘤數(shù)目和干重、固氮酶活性以及植株氮含量均顯著提高。進(jìn)一步分析表明，敲除GmGID1-2促進(jìn)了根瘤菌侵染、根瘤共生和固氮相關(guān)基因的表達(dá)。

圖2. 敲除GmGID1-2增強(qiáng)大豆根瘤固氮

分析GmGID1-2的自然變異發(fā)現(xiàn)，在課題組264份大豆資源及大豆公共數(shù)據(jù)庫(kù)中，其編碼區(qū)均未鑒定到導(dǎo)致基因功能喪失或氨基酸變化的序列變異；而啟動(dòng)子區(qū)局部關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，Gm_36396036位點(diǎn)與大豆株高顯著關(guān)聯(lián)。該位點(diǎn)將GmGID1-2啟動(dòng)子分為Pro-C和Pro-T兩種類(lèi)型，其中，Pro-C型啟動(dòng)子的大豆株高更矮、產(chǎn)量和種子含油量更高，且GmGID1-2基因表達(dá)量更低，與GmGID1-2敲除株系表型一致。在Pro-C優(yōu)異單倍型的遺傳背景下敲除GmGID1-2，可進(jìn)一步提高大豆的產(chǎn)量、種子含油量和根瘤固氮。

圖3. 大豆GmGID1-2的優(yōu)異等位變異和一因多效功能

本研究系統(tǒng)解析了GmGID1-2的一因多效性，挖掘到可同時(shí)改良大豆株型、產(chǎn)量和根瘤固氮的優(yōu)異等位變異，并創(chuàng)制了更優(yōu)異的新等位基因。GmGID1-2的優(yōu)異等位基因不僅能改良大豆株型和產(chǎn)量，還可顯著增強(qiáng)莖桿強(qiáng)度、根瘤固氮能力和種子含油量，為可持續(xù)性農(nóng)業(yè)發(fā)展提供寶貴的基因資源和理論依據(jù)。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生唐嘉君為該論文的第一作者，李艷教授為通訊作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)蓋鈞鎰院士和華大基因趙山岑博士為本研究提供了大豆種質(zhì)資源重測(cè)序信息。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省種業(yè)振興揭榜掛帥項(xiàng)目、作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家大豆生物育種產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大豆生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省大豆生物技術(shù)與智能育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、生物育種鐘山實(shí)驗(yàn)室、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)三亞研究院等資助和支持。