編者按
Science China Life Sciences （《中國科學：生命科學》英文版）第2期以封面文章發表了復旦大學王應祥教授與華南農業大學楊存義教授合作的題為Modulation of Evening Complex Activity Enables North-to-South Adaptation of Soybean的研究論文。該研究發現了1個與J互作的新基因GmLUX2, 深化了對大豆短日適應性遺傳改良途徑的認識。中國農業科學院作物科學研究所韓天富研究員，蔣炳軍副研究員受邀對該項工作進行了點評，以饗讀者！
專家點評
韓天富 研究員、蔣炳軍 副研究員（中國農科院作科所）
大豆是第二次世界大戰後發展最為迅速的主要農作物, 特別是近50年來, 巴西等熱帶國家大豆生產異軍突起, 成為新的世界大豆生產區和出口區, 深刻改變了世界大豆產業的格局。目前, 大豆是國際貿易額最大的農產品, 其供給狀況直接影響人類的營養健康和地緣政治, 對人多地少的我國來說, 更是關係食物供給和國民經濟安全的重大問題。
大豆是光週期反應敏感的短日作物, 當高緯度地區 (長日照) 大豆品種引入低緯度的熱帶、亞熱帶地區 (短日照) 後, 會出現開花期顯著提前、生育期明顯縮短、產量大幅度下降等“水土不服”現象。20世紀60~70年代, 巴西從美國引入在短日高溫條件下營養生長期 (又稱“童期”) 長、幹物質積累量大的種質資源, 經過持續改良, 形成了具有“長童期”特性 (long juvenality) 的熱帶大豆 (Tropical soybean) 品種【1】, 助力巴西迅速發展成為大豆主產國和出口國。科學家們對長童期的遺傳規律開展大量研究工作, 發現控制該性狀的主要為隱性基因j, 但其分子性質長期未能得到詮釋。
20餘年前, 在華南農業大學大豆研究團隊建立之初, 嚴小龍教授、年海教授等即廣泛收集國內外大豆種質資源, 挖掘優異親本【2-6】。期間發現從巴西引進的“長童期”品種巴西13, 在華南地區表現晚花、高產。該團隊將巴西13與本地品種雜交, 經過多年選育, 培育出“華夏3號”等適應泛珠三角地區種植的高產品種 (圖1)。後來, 又與中國農業科學院作物科學研究所合作, 率先克隆了育種家們尋覓半個世紀的長童期基因j (GmELF3a的單鹼基缺失突變)【7】。此後不久, 中國科學院東北地理與農業生態研究所與中國科學院遺傳與發育生物學研究所等單位合作, 利用獨立的遺傳群體, 進一步確認該基因, 並揭示其作用機制【8】。上述兩項工作破解了大豆長童期性狀形成的分子遺傳機制。
最近, 曾在華南農業大學求學和工作、現任職於復旦大學的王應祥教授與華南農業大學楊存義教授、年海教授等合作, 發現了1個與J互作的新基因GmLUX2, 深化了對大豆長童期基因分子作用機制的認識【9】。
圖 1大豆適應熱帶和亞熱帶地區遺傳資源的創制
研究團隊以華夏3號(j 突變體)為材料, 透過EMS化學誘變, 篩選到比華夏3號更加晚花的突變體, 命名為enhancer of j 57 (eoj57) (圖1)。該突變體無論在長日照還是短日照下都表現出更加晚花的表型。透過圖位克隆並結合基因組重測序, 定位到編碼生物鐘組分的MYB轉錄因子GmLUX2。在eoj57突變體中, GmLUX2在DNA結合結構域MYB上發生點突變 (被命名為Lux2-1)。研究者推測, GmLux2-1點突變可能影響了其與DNA的結合能力，進而影響了調控晚花相關基因的表達。
為了進一步確認GmLux2-1突變與eoj57晚花表型的關係, 研究者在eoj57突變體中表達野生型GmLUX2, 發現其能夠完全互補eoj57的表型, 開花時間類似於華夏3號。同時, 又以擬南芥Atlux突變體為材料, 發現GmLUX2可互補該突變體的早花表型, 而GmLux2-1則不能, 這一結果不僅有力證明了GmLUX2突變是造成eoj57晚花的原因, 而且表明LUX2在大豆和擬南芥中的功能相對保守。此外, 透過篩選南方大豆種質資源, 從來自廣東省乳源縣的野生大豆材料Z4中發現1個新的GmLUX2自然變異型別, 命名為GmLux2-2。該變異型別在C端發生12 bp插入和27 bp缺失。研究者發現, 在Z4與桂夏豆2號 (華夏3號的姊妹系) 的雜交後代中, 攜帶GmLux2-2的株系具有與GmLux2-1突變體相似的晚花表型。此外, GmLux2-2也和GmLux2-1一樣, 不能互補擬南芥Atlux突變體的早花表型。上述結果充分證明, GmLUX2就是導致eoj57發生突變的關鍵基因。
AtLUX, AtELF3和AtELF4是擬南芥EC複合物 (evening complex) 的3個成員。大豆經歷過兩次基因組重複事件, EC複合物倍增到7個成員: GmLUX1/2, GmELF3a, GmELF3b-1/-2和GmELF4a/4b, 但目前尚不清楚這些成員之間的互作情況。研究者利用酵母雙雜交系統檢驗了它們之間的兩兩互作關係, 發現GmLUX1/2確實能夠與GmELF3a, GmELF3b-1和GmELF3b-2形成同源和異源二聚體, 但不能與GmELF4a或GmELF4b互作, 表明GmELF3可能也是大豆EC複合體的骨架蛋白。研究者還利用雙分子熒光互補實驗和體外Pull down實驗, 進一步驗證了GmELF3a與GmLUX2的互作。進而透過分析截短片段的互作情況, 發現GmLUX2透過C端MYB結構域與GmELF3a的C端相互作用。值得注意的是, GmLux2-1和GmLux2-2兩種突變形式不僅不能形成同源二聚體, 而且與GmELF3a的相互作用能力也顯著降低。
在擬南芥中, LUX蛋白透過結合順式調節元件LUX binding site (LBS) 抑制AtPRR9等基因的表達【10】。該研究透過凝膠遷移分析 (electrophoretic mobility shift assay, EMSA) 實驗發現, 大豆中GmLUX2能夠與LBS元件結合。由於GmLux2-1的點突變位於MYB結構域, 而GmLux2-2的C端缺失也靠近MYB結構域, 推測兩種突變可能都影響了其與DNA的結合能力。EMSA實驗結果表明, GmLux2-1和GmLux2-2在低濃度下不能與LBS元件結合, 僅在高濃度下具有較弱的結合能力。由於GmLUX2的MYB結構域同時介導蛋白質互作和DNA結合, 研究者推測, GmELF3a可能透過與GmLUX2競爭性互作, 從而降低後者結合DNA的能力。EMSA實驗和菸草葉片瞬時表達分析的結果都表明, 隨著GmELF3a濃度的增加, GmLUX2與LBS結合的能力逐漸變弱。
已有研究報道, 大豆的開花抑制因子E1可能是GmELF3a的下游目標基因【8】。研究者們發現,E1在以下4個基因型中的表達水平高低順序為: WT<Gmlux2<Gmelf3a<Gmlux2<Gmelf3a。而受到E1直接抑制的開花關鍵基因GmFT2a和GmFT5a, 其表達水平在上述4個基因型中呈現與E1相反的趨勢, 表明GmLUX2突變體的晚花表型至少部分依賴於GmFT2a和GmFT5a表達量的下調。該結果也與利用基因編輯技術敲除GmFT2a能夠導致大豆晚花、增加大豆低緯度地區適應能力的結果相吻合【11】。為了進一步驗證GmLUX2是否能夠直接調控E1的表達, 研究者利用ChIP-qPCR (chromatin immunoprecipitation quantitative real-time PCR) 技術證明GmLUX2可富集在E1的啟動子區域。
GmLUX2和J/GmELF3a均為生物鐘EC複合物的組分。由於大豆EC複合體的成員數目(7個) 比擬南芥 (3個) 更多, 它們可透過多種形式組成EC複合體。再加上不同成員可能出現的新功能或亞功能化, 大豆EC複合體的功能和作用方式將更加多樣化, 從而對下游基因進行更加靈活和精準的調控。
綜上所述, 本研究在前期獲得J/GmELF3a基因突變導致長童期性狀這一重要發現的基礎上【7,8】, 進一步鑑定到另外一個與大豆低緯度適應性相關的關鍵作用因子GmLUX2【9】, 結合其他團隊透過GmFT家族基因編輯創造新型長童期材料的成功探索【11】, 使人們對大豆短日適應性遺傳改良途徑的認識更加清晰, 為透過分子生物學手段將我國豐富多彩的北方大豆種質資源改造成可在熱帶、亞熱帶地區育種應用的新材料, 從而為實現規模化“北豆南移”鋪平了道路。
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