大豆异黄酮含量相关基因的鉴定、功能分析及其育种利用

Soybean isoflavone is beneficial for human health, while localization and cloning of isoflavone content related genes are important for quality breeding and detecting the genetic mechanism in isoflavone content. In the process of soybean domestication, the phenotypic of isoflavone content maybe under negative selection as its bitter tasting in bean products. By the soybean seed isoflavone content QTL results and soybean germplasm including wild soybean, isoflavone content genes will be cloned and functional analysed. The objectives of this project are to fine map the isoflavone content genes; to analyse the sequences and transcription difference of genes in QTL region between wild and cultivated soybean for a further screening of candidate genes; to find the evolution model of isoflavone content genes in soybean domestication between wild and cultivate soybean; to clone and functional verify the final candidate genes through genetic transformation to soybean; and to develop higher isoflavone content transgenic germplasm resources.

大豆异黄酮有助于人类身体健康，定位和克隆异黄酮含量相关基因对大豆品质育种和异黄酮含量遗传机理研究有重要意义。研究表明多数野生大豆异黄酮含量高于栽培大豆，推测野生大豆向栽培大豆的驯化过程中人们对其进行了负向选择，从而导致异黄酮相关基因在两者间产生分化。本项目综合利用包括野生大豆在内的种质资源和大豆籽粒异黄酮含量QTL定位结果，筛选、克隆并功能验证大豆籽粒异黄酮含量相关基因，内容包括：对籽粒异黄酮含量主效QTL进一步精细定位；利用不同异黄酮含量的野生栽培种质资源群体，分析主效QTL内所有候选基因的基因序列和表达模式，从而筛选候选基因；通过不同异黄酮含量野生栽培大豆转录组和异黄酮代谢相关基因序列的分析，探寻野生大豆高异黄酮含量的遗传机理，阐明异黄酮代谢相关基因在栽培大豆驯化过程中的进化模式；克隆并借助大豆子叶节转化体系验证大豆籽粒异黄酮含量相关基因的功能并选育高异黄酮含量转基因种质。

课题结合使用全基因组关联分析，转录组测序，候选基因筛选和基因系统进化等手段探究大豆异黄酮遗传机理。.课题组构建来源于全国20多个省份的319份材料组成的自然群体并使用基因芯片进行基因分型。分型结果显示319份材料的组成群体结构合理，材料来源较为随机，符合自然群体的构建要求。随后使用高效液相色谱（HPLC）技术检测319份大豆材料的3种异黄酮苷元含量。发现该自然群体异总黄酮含量均值约为5373.21µg/g，最高可达10436.57µg/g。其三种异黄酮苷元DAC、GEC和GLC的均值为3955.79ug/g、1069.80ug/g和347.56ug/g。.结合分子标记对319份大豆材料进行异黄酮含量的GWAS分析，获得43个总含量或者单个苷元的相关SNP，经过临近的SNP的整合和统筹分析，划分为7个主要QTL。通过的标记附近200KB区域内基因的基因家族分析，发现其中几个QTL区域内存在异黄酮代谢相关的基因，涉及MYB和Dof基因家族。.以高异黄酮材料科丰1号为材料进行了6个籽粒时期的转录组测序和异黄酮含量测定。6个时期从大豆鼓粒期持续到成熟期，S2期种子平均重量最小为10.68，S7平均重量为82.10。经过对不同基因表达模块的功能注释以及和籽粒发育时期的聚类分析，大豆籽粒重量约为61.65mg时，异黄酮相关基因的表达显著升高。.重要候选基因属于Dof基因家族，故对其进行系统分析。借助于来自44个种子植物和9种非种子植物的序列信息，鉴定出1959个植物Dof基因，并将Dof基因划分为9个亚家族，分别为A、B1、B2、C1、C2、C3、C4、D1和D2亚家族。进一步分析不同物种间的Dof基因，发现C2亚家族是最古老的Dof基因类群，可存在于部分单细胞藻类中。值得注意的是D1和D2类群是最特化的Dof基因。D1亚家族同时存在于单双子叶植物中，但在单子叶植物中大大膨胀，显示该基因快速进化。而D2亚家族几乎不存于单子叶植物，主要在双子叶植物中起调控作用。进化分析显示D1和D2类群都受到强烈的正向选择，是Dof基因中进化最快的种类。