10月26日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所聯(lián)合多家單位定位了調(diào)控大豆株高的關(guān)鍵基因PH13，揭示了其優(yōu)異單倍型在高緯度地區(qū)品種選育中的重要作用及分子機制，明確了PH13及其同源基因在改良大豆株高和耐蔭性方面的重要應(yīng)用價值。該研究為提高大豆耐蔭性和產(chǎn)量提供了理論基礎(chǔ)和基因資源。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然·通訊（ Nature Communications ）》上。
大豆是我國重要的糧飼兼用作物。隨著人們生活水平的提高，我國對大豆的需求量逐年攀升，供需矛盾日益突出，提高大豆產(chǎn)能已成為保障國家糧食安全的迫切需求。大豆是典型的光環(huán)境敏感型作物，密植和間套作會引起大豆明顯的莖桿徒長避蔭反應(yīng)，尤其是在高緯度地區(qū)疊加長日照誘導(dǎo)的莖桿伸長效應(yīng)，更容易引發(fā)倒伏和減產(chǎn)。因此，挖掘株高相關(guān)的耐蔭基因?qū)τ谂嘤兔苤哺弋a(chǎn)大豆新品種具有重要意義。
該研究定位了一個位于13號染色體上調(diào)控大豆株高的主效基因PH13，并證實了PH13是大豆主莖伸長促進因子。研究發(fā)現(xiàn)，PH13基因通過參與降解STF1/2轉(zhuǎn)錄因子，從而促進莖桿伸長。該基因在自然群體中存在三種主要的單倍型，其中PH13H3單倍型編碼的部分功能缺失的PH13蛋白互作減弱，導(dǎo)致下游轉(zhuǎn)錄因子STF1/2蛋白積累從而降低大豆株高。進一步研究發(fā)現(xiàn)PH13H3單倍型所占比例由地方品種的1.4%上升至栽培品種的32.7%；由于該單倍型降低株高的遺傳效應(yīng)，在高緯度地區(qū)品種改良過程中被育種家廣泛利用。
以中低緯度地區(qū)品種TL1為親本，利用基因編輯技術(shù)對PH13及其直系同源基因PHP進行敲除，創(chuàng)建了突變體株系。田間測試表明該突變體株高對光周期和遮蔭變化不敏感，在各種植密度下株高均保持恒定且無倒伏出現(xiàn)。在吉林長春地區(qū)密植條件下，與TL1親本和當(dāng)?shù)仄贩N相比，該突變體株系產(chǎn)量顯著提高；此外在哈爾濱地區(qū)玉米-大豆條帶復(fù)合種植條件下，該突變體株系展現(xiàn)了極強的抗倒伏性，且其產(chǎn)量與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)抗倒伏品種龍墾317、農(nóng)墾18-842持平，從而為南豆北移提供了新途徑。
綜上所述，該研究不僅解析了PH13調(diào)控大豆株高適應(yīng)高緯度的分子機制，且創(chuàng)制了具有顯著耐蔭和增產(chǎn)潛力的突變體，為培育適合高緯度地區(qū)密植的高產(chǎn)新品種提供了重要新基因和新材料。
作科所博士后秦超、研究員李英慧和博士后李德林為該論文的共同第一作者，劉斌研究員、邱麗娟研究員和廣州大學(xué)的孔凡江教授為通訊作者。廣州大學(xué)、美國普渡大學(xué)等多家單位參與合作研究。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新項目、中央公益性科研機構(gòu)基本研究基金和中國博士后科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42608-5
