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近日，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所(以下簡稱東北地理所)大豆分子設(shè)計(jì)育種課題組有了新的突破，研究人員證實(shí)了E1編碼蛋白具有轉(zhuǎn)錄抑制活性。研究成果在線發(fā)表于《植物生理學(xué)》(Plant Physiolgoy)。

大豆是典型的光周期敏感短日照作物，大豆生育期(開花期與成熟期)及株型都嚴(yán)格受光周期調(diào)控。短日照條件下，大豆的生育期短，植株矮小，長日條件下大豆的生育期延長，植株莖節(jié)增多，植株高大。大豆光周期敏感性使單個(gè)大豆品種適宜種植范圍狹窄，造成了許多優(yōu)良品種的推廣范圍小，有“寶”難用，影響了我國大豆的穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)。大豆分子設(shè)計(jì)育種課題組于2012年首次在大豆中成功克隆了對(duì)光周期反應(yīng)及生育期(開花期及成熟期)貢獻(xiàn)最大的基因E1。E1編碼豆科植物特異性轉(zhuǎn)錄因子，是大豆光周期響應(yīng)的核心調(diào)控因子，闡明其介導(dǎo)開花途徑的分子機(jī)制尤為重要。然而，目前有關(guān)E1所調(diào)控的下游信號(hào)通路在很大程度上仍是未知的。

論文第一作者、東北地理所副研究員翟紅介紹，基于RNA-seq比較分析發(fā)現(xiàn)，有7個(gè)GmMDE(Glycine max MADS-box genes downregulated by E1)基因在E1過表達(dá)時(shí)顯著下調(diào)，而在CRISPR/Cas9介導(dǎo)的e1敲除突變株中顯著上調(diào)。這些GmMDE基因表現(xiàn)出相似的組織特異性和表達(dá)模式，包括對(duì)光周期、E1表達(dá)和E1基因型的響應(yīng)。以GmMDE05和GmMDE06的啟動(dòng)子為代表進(jìn)行分析表明，E1直接與其啟動(dòng)子結(jié)合以增加H3K27me3水平，從而在表觀遺傳上抑制其表達(dá)。組蛋白H3K27 me3翻譯后共價(jià)修飾是表觀遺傳調(diào)控的重要方式之一，可以維持基因的沉默狀態(tài)。

隨后，科研人員以GmMDE06為目標(biāo)，探索GmMDEs基因在開花期調(diào)控中的功能。對(duì)其中一個(gè)GmMDE基因——GmMDE06進(jìn)行了功能驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該基因的功能與E1相反，具有促進(jìn)大豆開花與成熟的作用。過量表達(dá)GmMDE06通過抑制結(jié)莢習(xí)性核心基因Dt1的表達(dá)，引起大豆的莖頂提前開花，終止生長，導(dǎo)致主莖節(jié)數(shù)減少，植株變矮，致使大豆的結(jié)莢習(xí)性發(fā)生改變。

論文通訊作者、東北地理所研究員夏正俊介紹，GmMDE06的過表達(dá)使大豆中開花素基因GmFT2a和GmFT5a的表達(dá)上調(diào)。此外，在GmFT2a或GmFT5a過表達(dá)植株中GmMDEs的表達(dá)顯著增加，GmMDE與GmFT2a/GmFT5a形成了一個(gè)促進(jìn)大豆開花的正調(diào)節(jié)反饋回路。這種反饋調(diào)節(jié)，可以放大來自光周期的信號(hào)。

綜上，E1-GmMDEs-GmFT2a/5a-Dt1信號(hào)通路的發(fā)現(xiàn)闡明了大豆通過調(diào)節(jié)開花時(shí)間和開花后結(jié)莢習(xí)性來響應(yīng)光周期的作用機(jī)制。

本項(xiàng)研究得到中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、黑龍江省自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目、海南省崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。(作者：張晴丹)