大豆曲茎重叠基因的克隆、调控网络及育种潜力研究

Zigzag stem is a soybean stem shape mutant characterized by bending of the internodes and reduction of plant height without a decrease in the number of nodes. This mutant shows great potential for the genetic improvement of soybeans. The zigzag stems are controlled by two pairs of recessive genes and influenced by light condition as previously reported. Further studies need to be conducted to reveal the molecular mechanism of this stem variation. The major contents of this proposal are: 1) to conduct map-based cloning and function analysis of the duplicate genes sb1 sb2; 2) to characterize their gene expression and regulatory network between zigzag and wild-type stem of various lines (including near isogenic lines and breeding lines from different genetic background) under different light and temperature conditions as well as some hormone treatments; 3) to investigate the morphological, anatomical, physiological and biochemical changes of zigzag stems during their development; 4) to summarize genetic and phenomic performance of zigzag stems, identify suitable indicators and establish breeding procedure for elite lines with zigzag stems. The objectives are to reveal the molecular mechanism of the development of soybean zigzag stem, to provide a special example to reveal the origin and evolution of soybean duplicate genes, and also to establish new technique system to improve soybean cultivars with zigzag stem plant-type. It might be usful to explore a new way to utilize specific gene resource and obtain yield breakthrough in soybean.

曲茎大豆节间弯曲、植株矮化但主茎节数不减少，不同于一般矮秆突变，是培育新株型大豆的理想特性。该性状受2对隐性重叠基因控制，还受到遗传背景和光照强度影响，其遗传机理仍不清楚。本研究主要内容：1）已有基础上对大豆曲茎性状的重叠基因sb1、sb2进行图位克隆与功能验证，2）进一步比较光温及激素处理下突变和野生型材料（不同遗传背景、有代表性的近等基因系和杂交后代品系）曲茎相关基因表达与调控网络特点，3）综合形态鉴定、解剖、生理生化分析曲茎发育过程中不同层面表型变化特点，4）归纳不同类型曲茎品系的遗传特征和表型组特点，筛选反映优良曲茎大豆品系的表型组、基因表达指标，探索建立常规与分子鉴定相结合的优异曲茎大豆育种程序。本研究预期可揭示大豆曲茎形态建成的分子机理，为揭示大豆重复基因产生及演变特点提供特例，建立以曲茎为骨架的大豆新株型育种技术体系，为特异基因资源有效利用和大豆产量突破育种探索新途径。

目前我国大豆单产相对较低，培育高产品种是增产的关键途径。理想株型则是大豆高产突破重要探索方向。大豆曲茎表现为植株节间弯曲缩短，可降低株高、提高抗倒性，被认为具有利用潜力。本项目针对大豆曲茎性状形成与表现特点、曲茎基因图位克隆、相关基因表达与调控网络以及曲茎基因育种潜力等展开研究。主要结果包括：①曲茎使株高、节数、分枝数显著降低，但不同遗传背景下性状变异大；曲茎近等基因系对外施GA3、IAA和BR激素处理的应答反应不相同，曲茎主要对赤霉素GA3有响应；曲茎受光温条件影响，南京春夏日长增加条件和人工气候箱弱光下曲茎表现受抑制，夏播曲茎则表型明显。②曲茎受至少2对基因控制，利用4个F2群体将控制曲茎的sb基因定位在14号染色体295kb区段，含有31个候选基因；进一步根据两套不同来源近等基因系基因组重测序数据，将候选区段缩小到包括8个候选基因的区段。测序发现在突变体中Glyma14g38610基因编码区有1个A→G的碱基变化，导致谷氨酸→精氨酸的变异。在不同来源后代中该变异与曲茎性状均共分离，被认为是目标基因。其属于受乙烯调控的AP2/ERF家族转录因子，其高度同源基因为Glyma02g40320，大豆种质中二者曲茎基因型频率存在差异。③从两对近等基因系基因芯片数据中筛选出重要差异基因，构建了这些基因的代谢网络，其中Glyma13g30990和Glyma15g08370为Glyma14g38610的同源基因。近等基因系茎顶组织中Glyma14g38610的表达与芯片其同源基因的趋势一致。④通过复交重组，育成稳定曲茎新品系100余份，其中7份的产量显著高于对照。部分材料用于构建含573份品系的江淮大豆育种种质群体，全基因组关联分析共检测到一批与倒伏性、株高、主茎节数、始花期、百粒重、蛋白质、油脂含量等性状显著关联的SNP，为选育以曲茎为基础的高产优质新材料奠定基础。综上，通过正向和反向遗传学相结合的策略揭示了控制曲茎性状的遗传与基因调控特点，并对其他相关性状展开研究；同时通过不断杂交重组，育成综合性状优良的曲茎新品系，表明该性状具有重大育种利用价值。