大豆高蛋白新基因的鉴定和功能标记的开发

The shortage of protein resources is a serious global problem. Soybean (Glycine max (L.) Merrill) is one of the most important plant protein sources. The potent ways to improve soybean protein content is the genetic engineering of the regulating the protein synthesis excellent genes containing by the research of the mutated high protein specific material. The high protein content and curled-cotyledon mutant hpcc of soybean was derived treated by NaN3 and 60Coγ rays. The candidate genes related to soybean protein content will be find by the fine gene mapping. On the other hand, we will carry out genome-wide association analysis through using a natural soybean population with 262 varieties. Through these ways, the candidate genes related to soybean high protein content will be identified by combining the soybean genome resources and bioinformatics. Through analyzing the biological roles for the genes involved in high protein content in soybean, this study aims to explain the molecular mechanism for protein synthesis. This project will explore the excellent soybean germplasm with high protein content and identify and develop new genes and functional markers, to improve the protein content in soybean through marker assistant selection.

蛋白资源的短缺是全球性严重问题，大豆作为植物蛋白质的主要来源，通过对其突变的高蛋白特异材料的研究获得优异的调控大豆蛋白的基因，进而提高大豆蛋白含量是切实可行的。本项目前期通过NaN3-60Coγ诱变获得了一个大豆高蛋白子叶折叠突变体，并已对其进行了初步定位和转录组测序的分析，进一步将通过精细定位筛选到高蛋白子叶折叠突变体的调控基因，另一方面利用262份大豆材料组成的自然群体进行全基因组关联分析，通过这两方面的结果，结合大豆基因组信息和生物信息学的方法挖掘高蛋白新的候选基因。进而通过对蛋白相关基因的功能研究，探讨大豆蛋白合成的分子机理。本研究将发掘大豆种质资源中优异的高蛋白种质和基因资源，并开发新的功能标记，有望通过分子标记辅助选择技术进行大豆高蛋白的种质资源创新和遗传改良。

随着人们生活水平的提高，我国对大豆蛋白的需求越来越大，而大豆是人类和动物食物中高质量植物蛋白质的主要来源，因此挖掘大豆种质资源中蕴含的高蛋白优异新基因和新的功能性标记具有重要意义。本研究利用211份大豆材料组成的自然群体进行全基因组关联分析，获得9个SNP位点与蛋白质含量关联，与水溶蛋白含量关联的的SNP标记在8号染色体上形成一个SNP簇，根据功能注释和极端材料中的表达量筛选出2个候选基因。同时根据对高蛋白突变体材料（cco）和对照（WT）进行的全基因组重测序结果以及突变体基因初步定位的结果，在5号染色体定位区段内筛选所有的变异基因，并根据功能注释和实时定量RT-PCR的结果也筛选出2个候选基因。对4个候选基因进行功能研究，发现其中3个基因可能在大豆种子蛋白的积累中起到一定的作用，根据3个基因拟南芥过量和突变的表型，本研究进一步将其中一个基因GmAK-HSDH进行了crisper-cas9突变和过量表达的转基因大豆遗传转化，并通过转录组分析发现显示与对照相比过量表达的转基因大豆有138个基因的表达量表现出显著上调，有221个基因的表达显著下调，KEGG通路分析DEGs极显著富集在氨基酸合成等通路。同时本研究利用自然群体的重测序数据对GmAK-HSDH进行单倍型分析，发现大豆水溶蛋白差异显著的两种单倍型AK-HSDHC与AK-HSDHT启动子活性存在极显著差异，进一步启动子区域的测序结果表明AK-HSDHC与AK-HSDHT相比存在一个901bp的大片段缺失，基于这一Indel缺失本研究设计DNA分子标记AK-HSDHP，并通过不同的高低蛋白材料证实了AK-HSDHP是有效的，可作为蛋白分子辅助选择育种的功能标记。此外本研究还筛选出高蛋白的优异种质资源15份。已发表标注资助论文11篇，其中SCI论文9篇，申请国家专利2项，获得国家授权专利1项，培养博士研究生2名，硕士研究生2名。