2022年3月2日，Theoretical and Applied Genetics在线发表了中国科学院东北地理与农业生态研究所大豆遗传与分子改良学科组题为“A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean”的研究论文，助理研究员王飞飞为文章第一作者，张恒友研究员和潘相文高级工程师为文章的并列通讯作者。该研究对大豆多聚半乳糖醛酸酶基因PG031对种子吸水性的调控机制进行了解析。
大豆群体的种皮吸水性差异很大，几乎所有野生大豆的种皮都是硬的、不吸水的，而栽培大豆群体的种皮相对容易吸水。硬的吸水性差的种皮可以保护种子在自然条件下免受病菌、旱涝、腌渍的侵害，以顺利度过休眠期而适时萌发，同时收获的种子容易储存。相反，栽培大豆种皮相对容易吸水，在播种后可以保障大豆的适时整齐发芽，但收获的种子不易保存。每年全世界都会因存储过程中种子变质而导致巨大的经济损失，由此可见，种皮硬度/吸水性对作物/大豆生产是一个非常重要的农艺性状。但是，栽培大豆群体的种皮硬度/吸水性仍有较大变异，很难通过表型辨别，鉴定关键控制基因对分子设计育种变得尤为重要。前人的研究鉴定了大豆种皮硬度由两个主要位点(qHS1和qHS2)来控制。已有研究对qHS1位点的解析增加了对大豆种皮性状分子基础的理解，但是对qHS2的基因的功能依然未知。大豆种皮硬度/吸水性的变化也被认为是大豆驯化的重要表型特征之一，鉴定qHS2基因将会加大对这一重要大豆驯化性状的深刻理解，有助于利用相关遗传机理优化现代大豆育种和改良。
本研究发现了控制大豆种皮吸水性的一个编码多聚半乳糖醛酸酶基因PG031.该基因位于qHS2置信区间内。PG031在花中高表达，但在吸水后的种子种皮中特异表达，种子萌发后降低或无表达，表明PG031在种皮吸水性的重要作用。我们在大豆群体中鉴定到3种PG031变异，即PG031289H、PG031289Y 和PG031Hap3.其中野生大豆中仅含有PG031289H型，控制种皮不吸水性，将PG031289H导入到高渗透性大豆PG031289Y型大豆显著降低转基因种子的种皮吸水性(图1)，且使百粒重有所降低，显微镜分析证实PG031289H的导入减少了种皮的栅栏层和薄壁细胞层的细胞内空间，增加了水分进入种皮的屏障。另外两个等位变异中，PG031289Y型来源于PG031289H的1个SNP突变，与种子种皮透水性增加紧密相关(图2)，因为PG031289Y等位变异与大粒重相关，这个等位变异可能正在经历人工选择。该研究结果为深入了解大豆种皮吸水性的遗传机制提供了理论依据，也为定向改良栽培品种以满足不同的贮藏需求提供一定的理论基础。
图1 过表达PG031289H大豆(T1-TG1.4)与野生型(WT)的表型比较
图2 PG031等位变异对种子吸水性的影响及在全国的分布
该研究得到了国家自然科学基金(31301337)、黑龙江省自然科学基金(QC2014C036)以及作物人工智能设计与精准育种技术(B21HJ0101)等项目联合资助。
论文信息如下：Wang F, Sun X, Liu B, Kong F, Pan X, Zhang H. A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean. Theoretical and Applied Genetics 2022. DOI:10.1007/s00122-022-04057-4
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