大豆持绿抗衰老新基因GmSG的图位克隆、作用机制及分子机理解析

Stay green is an important trait in crops which could inhibit or delay senescence. It improves the efficiency of photosynthesis and thus affects the crop yield. Therefore, identification and functional characterization of genes regulating stay green is not only important for basic research in molecular mechanism of chlorophyll metabolism and senescence, but also for the applied research of high-yield breeding program in soybean. During the previous research of this project, a new stay green geen (GmSG) has been isolated by map based cloning method, which has no homolog with stay green genes identified in other plants. GmSG encodes a transmembran protein located in chloroplast. In this project, the biological function of GmSG will be carefully investigated by genetic transformation, gene expression, and protein analysis. Meanwhile, the molecular mechanism of GmSG in regulating chlorophyll metabolism will also be revealed by studying the regulation pathway of different stay green genes and chlorophyll genes. In addition, the relationship of this gene with photosynthesis and soybean yield will also be studied. Functional markers will be evaluated for marker assisted selection in breeding program. The results of this study will provide guidance for mechanisms of stay green and high-yield breeding practice.

持绿可以抑制或延缓衰老，提高光能利用效率进而影响作物的产量，因而发掘持绿基因并开展分子机理研究对于叶绿素代谢及叶片衰老调控机制的基础研究以及光能高效利用和高产品种选育的应用研究都具有重要意义。本研究在前期工作中利用野生和栽培大豆构建的定位群体，图位克隆了一个持绿新基因GmSG，该基因与已知的持绿基因不具有序列相似性，初步的研究结果表明GmSG蛋白具有跨膜结构域且定位在叶绿体上。本项目计划在前期工作基础上，通过遗传转化和功能研究，基因表达以及蛋白的特性研究，深入研究GmSG的生物学功能。通过与其他持绿基因及叶绿素降解途径基因的相互调控关系研究，深入研究GmSG在调控叶绿素降解过程中的分子机理，为完善叶绿素降解机制提供理论依据。同时，通过研究大豆持绿与光合作用和产量的关系，开发功能性分子标记并明确标记的鉴定效率，为分子标记辅助的大豆光能高效利用和高产育种提供指导。

持绿可抑制或延缓衰老，提高光能利用效率进而影响作物的产量，因此，发掘持绿基因并研究分子机理，对叶绿素代谢及叶片衰老调控机制的基础研究以及光能高效利用和高产品种选育的应用研究具有重要意义。本研究利用野生和栽培大豆构建的遗传分离群体，精细定位并图位克隆了一个持绿新基因GmSG，该基因与已知的持绿基因不具有序列相似性，所编码的蛋白具有跨膜结构域且定位在叶绿体上。在大豆中过表达GmSG可以使大豆叶片在衰老过程中保持绿色，同时茎秆和种皮等其他器官在成熟时也呈现绿色，验证了其在持绿抗衰老过程中的重要作用。通过体外、体内的蛋白质互作研究发掘出3个与GmSG互作的蛋白并鉴定出GmSG蛋白互作的核心序列，研究表明GmSG基因通过抑制叶绿体类囊体膜蛋白光合复合物的降解进而抑制衰老。利用创制的近等基因系开展深入研究，结果表明GmSG基因影响大豆生长发育后期叶片的光合效率，但对产量相关性状无显著影响。进一步根据地方品种和野生大豆GmSG序列多样性开发功能标记，对大豆资源中黄、绿种皮颜色的鉴定效率可达100%，同时发现，在野生大豆到地方品种再到选育品种的进化过程中该基因经历了人工选择。这些结果阐明了大豆衰老过程中GmSG调控叶绿素降解的分子机理，明确了GmSG基因在调控大豆持绿与光合作用和产量的关系，开发了功能标记，为完善植物叶绿素降解机制提供新的科学依据，为大豆资源基因型鉴定提供了技术支撑。