大豆ZOU基因调控的胚乳降解和物质代谢调控通路的研究

Soybean is one of the most important economic crops and supplies important resources of vegetable protein and oil. Whereas until now, the seed metabolism research is mainly focused on the key enzymes and genes in the metabolic pathway, it’s still unclear about the relationship between seed development and metabolism. In order to give deep insights into this complicated problem, the application selects the ZOU gene, a key regulator in endosperm degradation and nutrient metabolism, as a target, and soybean as a model material. Through phenotype analysis about soybean zou mutant seeds, it will identify GmZOU gene in regulating seed development. The application designs to construct GmZOU regulated metabolic pathway in endosperm and embryo in developing seed by target metabolic method and construct GmZOU transcription regulating pathway through combining the data of transcriptome and interacted proteins; and finally, by integrating the metabolomic and transcriptomic data construct the GmZOU mediated endosperm breakdown and nutrient metabolism regulation network. This application aims to construct the seed development and metabolism regulation network by integrating the metabolomic and transcriptomic profile of different developing stages under different genetic background. And this application would give an insight into the relationship between seed development and metabolism corresponding to the crop production and quality, and provide a system design drawing for soybean molecular breeding.

大豆是重要的经济作物，是植物性蛋白和油脂的重要来源。目前对于种子中营养物质的代谢研究主要集中在代谢通路中的关键酶和关键基因，但对于种子发育与物质代谢的关系仍不清楚。为了深入解析种子发育与物质代谢之间的调控关系，项目主要围绕调控种子胚乳降解和物质代谢关键转录因子ZOU基因，以大豆为研究材料，通过对大豆ZOU基因突变材料的种子发育表型观察，明确大豆ZOU基因对大豆种子发育的影响；通过靶向代谢组分析，建立GmZOU调控的胚乳和胚的物质代谢通路；通过转录组分析和相互作用蛋白筛选建立GmZOU的转录调控网络；最后，通过整合转录组数据和代谢组数据，建立大豆ZOU基因介导的种子胚乳降解和物质代谢调控网络。项目目标是通过整合不同遗传背景、不同发育时期种子的转录组、代谢组数据，建立大豆种子发育和物质代谢调控网络，探讨种子发育-物质代谢与产量-品质等农艺性状之间的调控关系，为分子育种提供系统性的设计蓝图。

大豆是植物性蛋白和油脂的重要来源。目前对于种子中营养物质的代谢研究主要集中在代谢通路中的关键酶和关键基因，但对于种子发育与物质代谢的关系仍不清楚。为了深入解析种子发育与物质代谢之间的调控关系，项目主要围绕调控种子胚乳降解和物质代谢关键转录因子ZOU基因，以大豆为研究材料，整合不同遗传背景、不同发育时期种子的转录组、代谢组数据，建立大豆种子发育和物质代谢调控网络，探讨种子发育-物质代谢与产量-品质等农艺性状之间的调控关系，为分子育种提供重要的基因和种质材料。本课题通过基因编辑方法获得大豆ZOUPI基因的突变材料，发现了GmZOU1基因可以影响大豆种子发育的速度、胚子叶表皮发育以及蛋白、油脂代谢物质的积累，证明了大豆种子中胚乳和胚之间在发育和代谢过程中存在密切的相关性；并通过转录组、DAP测序、代谢组等多组学数据以及互作蛋白筛选建立了种子发育过程中的转录和代谢调控网络，鉴定了GmZOU调控种子发育和物质代谢的关键下游基因，为大豆种子设计改良提供了重要的理论和数据支撑。在实际应用方面，GmZOU1基因的变异材料可以显著提高大豆种子蛋白含量10%以上，而且对于产量的影响不显著，基本证明了项目预期猜测，即通过改变大豆种子发育进程实现对代谢物积累的调控，对于高蛋白、高营养大豆的培育具有重要的应用价值。依托实验室的大豆分子设计育种平台，本课题的研究结果成功应用于分子设计育种中，利用该基因的变异参与设计培育大豆新品种6个，已完成品种审定，目前正在进行转化和推广。