GmGS1;2基因进化对大豆氮素同化代谢的影响及其作用机理研究

Nitrogen assimilation metabolism (NAM) is a important crop nutrition metabolic process, which could affect many important economic characters of crops such as seed yield and protein content et al. Improving crop NAM level is very important for constructing friendly mordern agriculture with low cost, high output. Soybean is a high nitrogen demanded crop, and its nitrogen metabolism level is changed significantly during evolutionary process, but the molecular mechanism is not very clear.Glutamine synthetase (GS) assimilates ammonium into amino acids, thus it is a key enzyme for nitrogen metabolism. The cytosolic isoenzymes of glutamine synthetase assimilate ammonium derived from primary nitrogen uptake and from various internal nitrogen recycling pathways.In the previous studies, we found a cytoplasmic GS gene (GmGS1;2) was undergone a positive selection during evolution and one nonsynonymous substitution in this gene could cause an markable change in 100-seed weight and total nitrogen content by association analysis in the landrace of soybean micro-core collections (MCC). By coincidence, this gene was also found have the same function in maize (Martin et al., 2006, The plant cell).Thus, this gene is probably a molecular target for nitrogen assimilation metabolic during soybean evolution. This study will focus on the evolution rules of GmGS1;2 gene and genetic effect of the alleles, and discuss their biological function and applications for the improvement of soybean nitrogen metabolism.

氮素同化代谢是作物体内重要的营养代谢过程，与农作物许多重要经济指标有关，培育高氮素同化代谢农作物新品种对于发展少投入、高产出、环境友好型现代农业具有重要意义。大豆在进化过程中氮素代谢水平发生明显改变，但其进化的分子机制尚不清楚。谷氨酰胺合成酶（GS）可以催化铵根离子与谷氨酸合成谷氨酰胺，在植物氮素同化代谢过程中起中心调节作用，项目组在前期研究中发现一个胞质型GS基因（GmGS1;2）在人工选择的作用下进化出新类型(GmGS1;2b)，关联分析结果表明与野生型(GmGS1;2a)相比拥有GmGS1;2b等位变异的大豆品种具有较高的百粒重和籽粒总氮的含量，推测该基因很可能是大豆氮素同化代谢进化过程中人工选择作用的重要分子靶点。本研究将通过对该基因的进化规律、等位基因遗传学效应及其作用机理进行研究，为大豆氮素代谢进化和调控分子机理的认识以及现代农业体系下大豆新品种培育提供参考。

氮是植物生长发育最主要的营养因子, 是构成生物体内核酸和蛋白的基本要素, 在农业生产中占据十分重要的地位。大豆是一种典型的根瘤固氮作物, 对氮素营养的需求量较高, 需氮总量是禾谷类作物的 4~5 倍。共生固氮对于满足大豆对氮素的高需求起到了至关重要的作用，研究大豆根瘤氮素同化机制对于培育高产、优质、高效大豆新品种具有重要意义。本研究通过对大豆谷氨酰胺合成酶基因家族（GS）基因表达特性、遗传多样性、基因生物学功能等方面进行研究，探讨大豆GS基因调控大豆生长发育的遗传机制，为大豆氮高效分子育种提供依据。研究表明大豆共有8个基因编码GS蛋白，包括 6 个 GS1 和 2 个 GS2，每个 GS 都有 2 个 拷贝，其中GmGS1β1和GmGS1β2基因主要在大豆根瘤中表达；启动子功能研究表明GmGS1β2基因在大豆根中的侧根和根瘤发生部位表达，根瘤中主要在共生固氮区表达，并且表达量受铵态氮特异调控；进化和多年多点试验表明，该基因在进化过程中受到人工选择作用，进化出的新类型对大豆百粒重和分枝数有显著影响；原核表达实验表明，与野生型相比（GmGS1β2a），进化后的基因型（GmGS1β2b）具有较高的GS酶活性（p<0.01）；在大豆根中超表达该基因，可以显著提高转基因大豆根系的生物量，尤其是侧根数量显著增多。研究证实GmGS1β2基因进化在大豆根瘤氮素同化代谢和根系生长发育具有重要作用，这种双重作用暗示GmGS1β2基因可能是大豆进化过程中氮素调控大豆根系形态的重要分子靶点，为进一步探讨大豆共生固氮进化的分子机制奠定了基础。