野生大豆异黄酮合成调控关键基因育种应用潜力研究

Wild soybean (Glycine soja) is deemed to be an important genetic resource to improve quality of soybean cultivars. Isoflavones improvement is a key goal due to its excellent functions in plant-pathogen interaction and human health. Wild soybean has great application potential in soybean breeding. Three key genes (GsMYB6、GsbHLH and GsCHI2) were cloned from wild soybean. Based on overexpression of genes in plant, Subcellular localization，Chromatin Immunoprecipition, transcriptional activation experiment, yeast one/two-hybrid system and some other methods. Functional mechanism of key genes are suspected to be illuminated in isoflavone metabolic pathway and regulatory network. Biological function will be illuminated and application potential of allele in wild soybean will be evaluated. These studies will evaluate its application value and provide new ideal and new strategy to breeding for soybean disease-resistant or for quality improvement using CRISPR_Cas9 mediated gene editing techniques. The effect of gene editing will be analyzed and new germplasm will be created, This will provide technical support for cultivating high quality food legume with development of new agricultural biotechnology.

野生大豆是进行大豆遗传改良的重要种质资源，异黄酮在植物抗病以及人类健康方面具有重要作用，是大豆育种的重要目标之一，高异黄酮野生大豆在开展大豆品质及耐逆育种方面具有巨大的应用潜力。申请人在利用转录组差异表达分析方法筛选、克隆了野生大豆GsMYB6、GsbHLH转录因子和查尔酮异构酶基因(GsCHI2)3个异黄酮合成关键基因的基础上，拟通过转基因过表达技术、亚细胞定位、染色质免疫共沉淀、转录激活实验、酵母单/双杂交等方法阐明野生大豆等位基因在异黄酮合成代谢调控网络中的作用，明晰这些基因的生物学功能，评价野生大豆优异等位基因的育种应用潜力，探索采用CRISPR_Cas9介导的基因编辑技术进行大豆耐逆及品质性状遗传改良的新思路，分析基因编辑效果，创制新材料，推动大豆分子育种研究和农业生物新技术的开发，为培育优质食用大豆提供新策略和新技术。

【项目背景】大豆异黄酮在植物耐逆防御及营养保健方面具有重要作用，使其成为大豆育种的重要目标之一。前期利用高异黄酮野生大豆与栽培大豆的杂种优势分析表明，异黄酮性状的中亲优势和超高亲优势均比较明显，预示高异黄酮野生大豆在开展大豆品质及耐逆育种方面具有巨大的应用潜力，探索利用野生大豆资源是进行大豆抗病耐逆研究和品质分子育种的新途径。【主要研究内容】主要开展异黄酮合成代谢相关基因筛选验证，确定重点研究的基因；转录因子及关键酶基因调控机理研究，采用基因差异表达分析、亚细胞等位分析等方法阐明其生物学作用；遗传转化及育种应用研究，汇集遗传分析、基因功能分析方面研究结果，开展遗传转化优化、扩繁试验研究。【重要结果及关键数据】克隆获得野生大豆的查尔酮异构酶（GsCHI2）基因CDS全长678bp，编码226个氨基酸，基因表达分析与异黄酮积累趋势相吻合，及转基因大豆发状根中异黄酮含量显著提高，说明该基因在黄酮类物质的积累中起着重要的作用。同时克隆获得GmDFR CDS长1020 bp，编码339个氨基酸。基因功能验证及启动子元件分析表明，DFR可能参与胚乳的形成和花青素及异黄酮合成，并受到生长素、水杨酸和脱落酸的调控，说明在黄酮类物质积累及耐逆过程中发挥极其重要的作用。利用上述基因的开发的多态性标记开展了种质创新研究，创制龙哈05-277等种质3个，应用于育种实践。【科学意义】黑龙江省是中国最大的大豆生产供应基地，其大豆生产对我国大豆产业发展举足轻重，挖掘优异基因资源培育新品种对改善大豆品质至关重要。通过本项目实施，发掘、鉴定野生大豆中与异黄酮合成及耐逆相关的优异基因，有望应用于育种实践，可产生可观的经济和社会效益，有助提升大豆分子育种水平。