控制豆科作物器官大小关键基因BIG SEEDS1的功能与应用研究

Legumes (Fabaceae) provide many important crops and forage resources to the global agriculture. However in our country, the legume agriculture is not well developed, and the consumed soybean and forage legume alfalfa (Medicago sativa) are largely depending on import. It is very necessary and urgent for our country to conduct the relevant genetic research to mining the genetic resource and improve legume crop cultivars. BIG SEEDS1 (BS1) is a critical gene controlling the lateral organ size in legumes. The previous work indicates that, in the model legume Medicago truncatula and grain legume soybean (Glycine max), mutation and silencing of BS1 significantly increase the lateral organ size such as leaves and seeds, and enhance biomass production and forage quality. However, though BS1 has shown the great potential application value, the molecular working mechanism is still large unknown, and the application is also to be further studied. This project will (1) perform the molecular mechanism study for BS1 by screening and investigating its interacting partner which forms the complex with BS1 to regulate the downstream gene expression; (2) update the silencing design to restrict the gene silencing event in soybean seed pods and seeds; (3) investigating and silencing the orthologues in alfalfa aiming to downregulate the orthologues expression in alfalfa. The result of the project will not only extensively gain the critical knowledge regarding the molecular mechanism of BIG SEEDS1, but also build the solid foundation for the future utilization of this valuable gene. Collectively it will substantially contribute to the legume crop and forage breeding in our country.

豆科为农业提供了重要的作物资源和牧草资源。我国当前豆科产业和牧草业相对落后，所需大豆和牧草紫花苜蓿大量依赖进口，因此在我国开展相应的研究，发掘豆科基因资源极为必要。BIG SEEDS1 (BS1)基因为豆科中控制侧生器官如叶和种子大小的关键基因。申请人前期的工作表明，在豆科植物蒺藜苜蓿和大豆中，突变或沉默BS1都引起了侧生器官的增大，生物量和牧草品质的提升。虽然该基因表现出了巨大的应用价值，但其深入的工作机理还未知，应用研究也尚未深入开展。本项目通过研究该基因与互作蛋白互作调控下游基因的详细机理，探讨其分子工作机制，更新其在大豆中的应用设计和挖掘紫花苜蓿的直系同源基因资源。本研究的开展不仅能够深入了解BS1调控豆科侧生器官大小和生物产量的分子工作机理，而且将为其在大豆和紫花苜蓿中的应用打下坚实基础，从而为我国挖掘豆科基因资源，培育有自主知识产权的豆科栽培品种带来实质性贡献。

豆科植物具有蛋白含量高、营养价值大的特点，包括了多个重要粮油作物和优质饲草植物，如大豆和紫花苜蓿。当前我国豆科作物及饲草的生产还远满足不了需求，导致大量依赖进口的现状。在豆科植物中开展一些重要农艺性状相关的遗传学研究，解析其调控机制，并探讨其在品种选育其生产上的应用，具有重要的意义。在豆科模式植物蒺藜苜蓿及其它植物中的研究表明BIG SEEDS1 （BS1）是控制侧生器官，包括种子、果荚和叶片大小的重要基因。突变体研究表明在bs1突变后，植物的侧生器官变大，生物量和牧草品质都得到提升。本项目在此基础上，通过筛选和分离BS1的互作蛋白，对其调控的下游基因进行研究，从而进一步阐释BS1调控植物侧生器官的机理。此外，项目还在大豆的种子和果荚中特异性沉默BS1的同源基因，以获得种子和果荚特异性增大的大豆材料。项目还在紫花苜蓿中对BS1及其互作蛋白的同源基因开展基因编辑工作，以期将相关性状引入到紫花苜蓿中。通过酵母双杂技筛选，项目分离鉴定了BS1的主要互作蛋白BS1-INTERACTOR1（BSI1），为拟南芥中KIX家族同源蛋白。遗传突变研究表明，bsi1的表型bs1突变表型部分类似，叶等侧生器官变大，但其果荚出现了扭曲变形，育性大幅下降。此外，花青素在bsi1叶片的远轴面特异积累。以上结果表明，虽然BS1和BSI1部分功能类似，但两者仍具有功能上的分化，相关的差异机制和意义需开展进一步研究。项目对BS1调控的下游基因GRF5、GIF1a、GIF1b进行了遗传研究，分别分离到了其对应的突变体，并以基因编辑技术来解决GIF 1a和GIF1b的基因冗余问题。项目通过筛选，获得两个在大豆种子和果荚中具有特异活性的启动子，并由其驱动，在大豆中对BS1的同源基因开展了种子和果荚的特异性沉默，已获得转基因株系，其叶片和株型与野生型无显著差异，但种子和果荚变大。项目还在紫花苜蓿中对BS1和BSI1开展了基因编辑，并获得了BSI1的两个等位突变。本项目从基础研究出发，通过研究BS1互作蛋白及下游基因来解析其工作的遗传机制，并以基因沉默、基因编辑等测量来探讨相关应用潜力。