將野生植物馴化為農(nóng)作物，是人類文明進(jìn)程中的里程碑。大豆由野生大豆馴化而來(lái)，素有“田野里的肉”之稱，是全球最重要的植物蛋白和植物油來(lái)源。目前，全球超過(guò)71%的植物蛋白消費(fèi)依賴大豆供應(yīng)。然而，一個(gè)不為人知的事實(shí)是，我們?nèi)粘７N植的現(xiàn)代大豆，其蛋白質(zhì)含量遠(yuǎn)不如它們的祖先——野生大豆。
在近日發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》的研究中，中國(guó)科學(xué)院華南植物園研究員侯興亮團(tuán)隊(duì)與合作者成功從古老野生大豆基因中“找回”了在現(xiàn)代大豆馴化過(guò)程中“丟失”的高蛋白“寶藏基因”——PC08。
“將這個(gè)名為PC08的古老基因重新引入現(xiàn)代高產(chǎn)大豆中，可顯著提高種子中的蛋白質(zhì)含量，增幅達(dá)3.5%以上，并且不會(huì)降低產(chǎn)量。”論文共同通訊作者侯興亮對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，這一發(fā)現(xiàn)有望打破現(xiàn)代大豆育種中高產(chǎn)與高蛋白難以兼得的困境，為培育優(yōu)質(zhì)大豆新品種提供關(guān)鍵基因靶點(diǎn)和育種策略。
侯興亮。研究團(tuán)隊(duì)供圖，下同
馴化代價(jià)：現(xiàn)代大豆的“營(yíng)養(yǎng)遺憾”
野生大豆蛋白含量豐富，處于50%~60%區(qū)間，但長(zhǎng)期馴化過(guò)程導(dǎo)致栽培大豆蛋白含量降至30%~40%。侯興亮介紹，在數(shù)千年的馴化過(guò)程中，為追求更高的產(chǎn)量和更好的外觀，許多有益基因被無(wú)意中丟棄。“這就像我們?yōu)榱俗非髠€(gè)大的蘋(píng)果，卻丟掉了它原本濃郁的香味。我們的研究，就是要找回高蛋白含量的基因。”
這種在馴化過(guò)程中形成的“營(yíng)養(yǎng)悖論”，使得現(xiàn)代大豆育種長(zhǎng)期陷入兩難困境：試圖提高種子蛋白含量，油脂含量往往會(huì)下降，甚至可能導(dǎo)致產(chǎn)量降低。因此，從作物的野生近緣種中尋找那些在歷史長(zhǎng)河中被“遺忘”的優(yōu)秀基因，成為打破僵局的創(chuàng)新路徑。
研究的起點(diǎn)是一個(gè)龐大的“大豆基因庫(kù)”。作為合作者的廣州大學(xué)教授孔凡江團(tuán)隊(duì)收集了包括231個(gè)優(yōu)良栽培種、206個(gè)地方品種和118份野生大豆在內(nèi)的共555份種質(zhì)資源，構(gòu)建了一個(gè)涵蓋大豆遺傳多樣性的群體。
為精準(zhǔn)、高效獲取所有材料的蛋白質(zhì)含量數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)使用近紅外光譜技術(shù)，對(duì)上萬(wàn)份種子樣品進(jìn)行了無(wú)損快速檢測(cè)。數(shù)據(jù)分析顯示，野生大豆群體的蛋白質(zhì)含量顯著且穩(wěn)定地高于栽培品種，這增加了團(tuán)隊(duì)在野生資源中尋找答案的信心。
基因?qū)ほ櫍捍蠛漆樀目茖W(xué)探索
接下來(lái)是更為繁瑣的全基因組關(guān)聯(lián)分析過(guò)程。論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院華南植物園博士后劉書(shū)說(shuō)，這就像在一個(gè)由數(shù)百萬(wàn)個(gè)遺傳位點(diǎn)構(gòu)成的星空?qǐng)D中尋找與蛋白質(zhì)含量相關(guān)的閃爍“星辰”。團(tuán)隊(duì)用了兩年時(shí)間，在不同地理環(huán)境重復(fù)田間試驗(yàn)，以排除環(huán)境干擾，確保找到的信號(hào)真實(shí)可靠。
最初的分析產(chǎn)生了多個(gè)可能與蛋白含量相關(guān)的染色體位點(diǎn)，但許多信號(hào)在不同年份、不同環(huán)境中飄忽不定。最終，一個(gè)位于第8號(hào)染色體上的位點(diǎn)，以其跨年、跨環(huán)境的穩(wěn)定關(guān)聯(lián)性脫穎而出，成為焦點(diǎn)。
然而，全基因組關(guān)聯(lián)分析只能將范圍縮小到一個(gè)大約180Kb的基因組區(qū)間，這個(gè)區(qū)間內(nèi)仍有20多個(gè)候選基因。哪一個(gè)才是真正的“幕后主宰”？團(tuán)隊(duì)結(jié)合已發(fā)表的基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)，篩選出10個(gè)在種子中高度活躍的基因，隨后逐一分析基因的序列變異與蛋白質(zhì)含量的關(guān)聯(lián)。最終，所有的證據(jù)鏈都指向了一個(gè)與種子蛋白積累聯(lián)系密切的基因。研究人員將其命名為PC08。
團(tuán)隊(duì)成員在田間篩選大豆品系。找到候選基因只是“萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步”，了解其如何工作、為何在野生和栽培大豆中存在差異，才是研究的關(guān)鍵。
團(tuán)隊(duì)很快發(fā)現(xiàn)，PC08的功能差異并非源于編碼區(qū)的突變，而是來(lái)自其“啟動(dòng)開(kāi)關(guān)”——啟動(dòng)子區(qū)域的一個(gè)微小變異。在部分野生大豆中，PC08的啟動(dòng)子區(qū)域多插入了一段富含T/A堿基的序列，他們將這個(gè)珍貴的變異等位基因命名為PC08Ins。
“證明這段小小的插入是‘因’而非‘果’，是非常精細(xì)且需要多角度驗(yàn)證的工作。”論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院華南植物園副研究員李曉明說(shuō)。
為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了環(huán)環(huán)相扣的實(shí)驗(yàn)——
表達(dá)量關(guān)聯(lián)分析：在大量種質(zhì)中證實(shí)，攜帶PC08Ins的個(gè)體在種子發(fā)育關(guān)鍵期，該基因的表達(dá)量確實(shí)更高，并且與最終的蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)。
啟動(dòng)子活性實(shí)驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)室中，將帶有和不帶這段插入序列的啟動(dòng)子分別連接到一個(gè)熒光報(bào)告基因上，然后導(dǎo)入大豆細(xì)胞。結(jié)果帶有插入序列的啟動(dòng)子，其“驅(qū)動(dòng)”基因表達(dá)的能力強(qiáng)得多。
群體遺傳學(xué)溯源：在包含近3000份種質(zhì)的大群體中篩查，發(fā)現(xiàn)PC08Ins這個(gè)“高蛋白開(kāi)關(guān)”只存在于約8%的野生大豆中，而在所有栽培種和地方種中完全缺失。這從進(jìn)化角度證明，這個(gè)有益的等位基因在嚴(yán)苛的馴化篩選中被徹底遺落了。
機(jī)制解析：從實(shí)驗(yàn)室到田間的跨越
基因在實(shí)驗(yàn)室條件下表達(dá)量高，是否必然導(dǎo)致大豆種子中的蛋白質(zhì)含量提升？為了回答這個(gè)核心問(wèn)題，研究進(jìn)入功能驗(yàn)證階段。
大豆馴化中遺失的PC08等位基因提高種子蛋白含量。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將含有PC08Ins等位基因的DNA片段導(dǎo)入現(xiàn)代高產(chǎn)大豆品種中，成功獲得了兩個(gè)穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)基因株系。深入的田間表型分析帶來(lái)了令人振奮的結(jié)果：與未轉(zhuǎn)基因的對(duì)照組相比，轉(zhuǎn)基因大豆株系的種子蛋白質(zhì)含量顯著提升，增幅可達(dá)3.5%以上；代表籽粒大小的百粒重有所增加，而種子含油量略有下降，符合蛋白與油分此消彼長(zhǎng)的普遍規(guī)律。更重要的是，植株的株高、節(jié)數(shù)、單株產(chǎn)量等關(guān)鍵農(nóng)藝性狀沒(méi)有受到負(fù)面影響。這意味著，蛋白含量的提高并未以犧牲產(chǎn)量為代價(jià)。
為了形成更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C據(jù)閉環(huán)，團(tuán)隊(duì)還利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，精確敲除了現(xiàn)代大豆中的PC08基因。結(jié)果與過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)完美呼應(yīng)——敲除植株的蛋白含量明顯下降，油分上升，種子也變小了。
進(jìn)一步的研究證實(shí)，PC08通過(guò)促進(jìn)種子中脫落酸（ABA）的合成來(lái)發(fā)揮作用。通過(guò)RNA-Seq轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，團(tuán)隊(duì)比較了轉(zhuǎn)基因植株與野生型的基因表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)了一條清晰的“指揮鏈”。高水平的ABA激活了下游一系列與蛋白質(zhì)合成相關(guān)的通路，其中編碼大豆主要儲(chǔ)藏蛋白——β-伴大豆球蛋白的β亞基基因表達(dá)被強(qiáng)烈上調(diào)。
“這就像是一個(gè)高效的精益化工廠。”李曉明比喻道，“PC08Ins升級(jí)了工廠的‘動(dòng)力核心’，動(dòng)力足了，生產(chǎn)線主管就接到明確指令，開(kāi)足馬力，使蛋白質(zhì)‘產(chǎn)品’豐產(chǎn)。”這一機(jī)制的闡明，清晰描繪了PC08-ABA-儲(chǔ)藏蛋白合成這條通路，讓研究邏輯形成了完美閉環(huán)。
“研究的終極目的是服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。”李曉明表示，團(tuán)隊(duì)利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，將PC08Ins等位基因通過(guò)雜交與多代回交，精準(zhǔn)導(dǎo)入我國(guó)東北地區(qū)的主栽大豆品種“黑農(nóng)35”中，成功培育出蛋白含量穩(wěn)定提升的BC3F2優(yōu)良品系。這標(biāo)志著該成果初步具備應(yīng)用于育種實(shí)踐的潛力，邁出了從論文走向田間的重要一步。
侯興亮指出，該研究猶如一把鑰匙，開(kāi)啟了大豆優(yōu)質(zhì)育種的新大門(mén)，沉睡的“寶藏基因”在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的田野中有待孕育新的豐收希望。下一步，他們將把PC08Ins與其他調(diào)控產(chǎn)量、抗性、高油等優(yōu)良等位基因進(jìn)行“智能聚合”，培育綜合性狀更加優(yōu)異的“夢(mèng)想大豆”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2508709122
本文鏈接：找回大豆“丟失”的高蛋白“寶藏基因”http://www.sq15.cn/show-11-28136-0.html
聲明：本網(wǎng)站為非營(yíng)利性網(wǎng)站，本網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會(huì)到餡餅，請(qǐng)大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除處理。
上一篇： 構(gòu)建國(guó)家高速數(shù)據(jù)網(wǎng)，筑牢網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)根基