关于大豆氮磷协同高效的全基因组关联分析

Nitrogen (N) and phosphorus (P) are two macronutrients for plant growth and development, largely affecting both yield and quality in crops. And N and P fertilizations cause environmental pollution. Therefore, to ensure food security and protect environment, it is necessary to enhance N and P efficiency in crops. Previous studies and our data demonstrated the existence of coordinative efficiency of N and P in soybean. However, the research on its genetic basis is lacking. In the current project, together with re-sequencing-based genotyping, we will perform genome-wide association study of N and P efficiency from field experiments using a soybean core collection with large diversity. After integrating with QTLs detected by linkage analysis, we will identify the loci linking N efficiency and P efficiency. We will also explore candidate genes underlying the loci, validate their function via gene transformation, and identify the superior haplotypes. The project aims to provide insights into the genetic basis of coordinative efficiency of N and P, and to provide its underlying loci/genes resource for soybean improvement.

氮磷是植物生长发育所必需的大量矿质营养元素，对作物的产量和品质具有重要的影响。同时，施肥过多会造成环境污染。因此，提高作物自身氮磷效率至关重要。基于已有报道和我们前期的实验数据证实大豆存在“氮磷协同”机制，但是对其遗传基础了解甚少。本项目利用大豆种质资源丰富的自然变异，整合大田高低磷试验表型数据和二代测序得到的基因分型结果，开展全基因组关联分析，并结合连锁分析，鉴定出氮磷效率共定位的遗传位点；针对这些位点进行候选基因及其优异单倍型的发掘，并通过转化实验对候选基因功能进行初步验证。本项目为培育氮磷协同高效的大豆新材料提供理论依据和位点/基因资源。

氮和磷均是植物生长发育所必需的大量营养元素，并且大豆中存在“氮磷协同”的现象。本项目利用大豆种质资源，开展田间试验，获取氮、磷效率相关的群体数据；结合基因型数据开展全基因组关联分析（GWAS），试图解析大豆“氮磷协同”的遗传基础。基于氮效率和磷效率的GWAS 结果构建了关联网络，发现了一个共定位于20号染色体的显著关联信号，挖掘并验证了其中的候选基因GmCNP1。该基因编码一个SEC12-like蛋白，与蛋白质从内质网向高尔基体的运输相关。已有的结果发现，SEC12-like蛋白与大豆中根特异表达且受低磷诱导的磷转运蛋白GmPT4互作，影响GmPT4从内质网的输出；此外，GmCNP1是否也与氮转运蛋白互作还待后续研究。在自然变异挖掘方面， GmCNP1的变异位点既不在编码区，也不在启动子区，而是位于该基因5'UTR的一个开放阅读框（uORF）内；uORF的一个碱基变异导致了提前终止，改变了uORF长度，影响了下游编码区的翻译效率，最终改变了GmCNP1蛋白的含量和分布。综上所述，该项目鉴定到了一系列与大豆氮磷协同相关的遗传位点，并针对其中一个位点进行了候选基因鉴定、功能验证、功能变异位点的鉴定以及分子机制的初步研究；该项目率先在植物中发现uORF的序列变异导致下游基因翻译效率的改变，最终导致自然群体的表型多样性；同时鉴定到的uORF变异位点为大豆氮磷协同高效分子育种提供了有效的分子标记和精准的基因编辑靶点。