栽培大豆5000年前起源于我國的黃淮海區(qū)域，有著悠久的種植歷史，在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位。大豆是光周期極為敏感的典型短日照作物，單個(gè)品種或種質(zhì)資源一般只適宜種植于緯度跨度較小的區(qū)域內(nèi)，那么起源于黃淮海區(qū)域的大豆是如何適應(yīng)全世界廣泛的生態(tài)環(huán)境呢？又是如何影響大豆的產(chǎn)量和在世界范圍的種植和分布呢？

來自廣州大學(xué)生科院孔凡江/劉寶輝研究團(tuán)隊(duì)多年以來對這個(gè)問題進(jìn)行了長期系統(tǒng)和深入的研究。近期這一研究組發(fā)表了題為“Stepwise selection on homeologous PRRgenes controlling flowering and maturity during soybean domestication”的最新研究成果，利用大數(shù)據(jù)基因組學(xué)分析、生物信息學(xué)和經(jīng)典正向遺傳學(xué)相結(jié)合的方法，發(fā)掘了兩個(gè)長日照條件下控制開花期的關(guān)鍵位點(diǎn)Tof11和Tof12。

這一新發(fā)現(xiàn)公布在國際頂級雜志Nature Genetics上，廣州大學(xué)分子遺傳與進(jìn)化創(chuàng)新研究中心的蘆思佳副教授、董利東講師、程群講師、博士后方超、博士后孔令平、博士后陳麗玉和中科院遺傳所的劉書林博士為文章的共同第一作者。

為了探究該科學(xué)問題，在這篇文章中，研究人員利用大數(shù)據(jù)基因組學(xué)分析、生物信息學(xué)和經(jīng)典正向遺傳學(xué)相結(jié)合的方法，發(fā)掘了兩個(gè)長日照條件下控制開花期的關(guān)鍵位點(diǎn)Tof11和Tof12。分子機(jī)制解析表明， Tof11和Tof12通過調(diào)控LHY和E1基因控制大豆光周期開花，建立了完整的光周期調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)：Tof11和Tof12發(fā)生了漸進(jìn)式的變異和人工選擇。其中，tof12-1的功能缺失突變被強(qiáng)烈選擇，并在栽培品種中被迅速固定下來，從而使栽培品種的開花期和成熟期普遍提前。tof11-1的功能缺失型突變的發(fā)生于tof12-1之后，在tof12-1遺傳背景上再次受到選擇，從而進(jìn)一步縮短了栽培大豆的開花期和生育期，因此提高了栽培大豆的適應(yīng)性和種植。該研究首次系統(tǒng)報(bào)道了作物馴化過程中開花期基因的進(jìn)化與選擇分子機(jī)制。

圖1 大豆光周期開花和產(chǎn)量形成的分子模式圖

值得一提的是，2017年孔凡江/劉寶輝研究團(tuán)隊(duì)在Nature Genetics上先期報(bào)道了大豆長童期 (Long Juvenile)關(guān)鍵基因J的克隆及進(jìn)化機(jī)制研究成果“Natural variation at the soybean J locus improves adaptation to the tropics and enhances yield”。

研究發(fā)現(xiàn)， J基因多種功能缺失變異的產(chǎn)生使大豆在短日誘導(dǎo)條件下仍能保持相對較長的營養(yǎng)生長，獲得高產(chǎn)，從而突破了大豆在低緯度地區(qū)產(chǎn)量極低的限制，使大豆在低緯度（尤其是南美地區(qū)）得以快速擴(kuò)張和推廣，改變了世界大豆生產(chǎn)格局（圖2）。

兩篇文章相互補(bǔ)充，不僅進(jìn)一步完善了以E1基因?yàn)殛P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的大豆開花分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，而且系統(tǒng)闡釋了J基因促進(jìn)大豆低緯度適應(yīng)，Tof11和Tof12促進(jìn)大豆中高緯度適應(yīng)的多基因進(jìn)化機(jī)制，為大豆品種適應(yīng)性和產(chǎn)量分子育種提供了重要的理論依據(jù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。

圖2 大豆適應(yīng)熱帶短日照地區(qū)的模式圖

參考文章：

[1] Lu S, Dong L, Fang C, Liu S, Cheng Q, Kong L, Chen L, Su T, Nan H, Zhang D, Zhang L, Wang Z, Yang Y, Yu D, Liu X, Yang Q, Lin X, Tang Y, Zhao X, Yang X, Tian C, Xie Q, Li X, Yuan X, Tian Z, Liu B, Weller JL, Kong F (2020) Stepwise selection on homeologous PRR genes controlling flowering and maturity during soybean domestication. Nat Genethttps://doi.org/10.1038/s41588-020-0604-7

[2] Lu S, Zhao X, Hu Y, Liu S, Nan H, Li X, Fang C, Cao D, Shi X, Kong L, Su T, Zhang F, Li S, Wang Z, Yuan X, Cober ER, Weller JL, Liu B, Hou X, Tian Z, Kong F. (2017) Natural variation at the soybean J locus improves adaptation to the tropics and enhances yield. Nat Genet 49: 773-779.