大豆是全球重要的植物蛋白和植物油來源之一，其廣泛應用于人類食品、動物飼料及工業原料等領域，具有重要的經濟和社會價值。提高大豆產量一直是大豆育種領域的核心目標，直接關系全球糧食安全和農業可持續發展。近年來，大豆育種研究取得諸多進展，但學界對大豆種子性狀的分子調控機制尚不明晰。因此，深入研究大豆種子性狀的遺傳機制，挖掘影響其產量的關鍵基因，對于提高大豆產量和品質具有重要理論意義和實際價值。
針對上述問題，中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員張勁松、副研究員張萬科和助理研究員陶建軍團隊對穩定轉化的MIR172a過表達大豆植株進行了全生育期觀察和產量性狀分析。研究顯示，MIR172a過表達顯著降低了種子大小和重量，百粒重由對照品種JACK的17.01g降低至6.02g—9.23g。同時，種子中脂肪酸組成發生了變化。其中，軟脂酸（16:0）、硬脂酸（18:0）、油酸（18:1）、亞油酸（18:2）減少，而亞麻酸（18:3）增加，且蛋白質含量有所提升，這表明miR172a在調控大豆種子表型以及脂肪酸和蛋白質積累方面發揮了關鍵作用。為鑒定miR172a靶基因，研究人員利用MiRbase網站篩選出10個AP2/ERF家族基因作為候選并分析發現，ERF416和ERF413在MIR172a轉基因大豆種子中表達顯著下調。同時，5'RACE-PCR實驗證實，miR172a可在ERF416和ERF413靶位點誘導mRNA切割，因此ERF416和ERF413是miR172a的靶基因。
隨后，研究人員通過CRISPR/Cas9基因編輯技術構建了ERF416和ERF413突變體，以研究其大豆種子表型的變化。與對照品種DN50相比，突變體籽粒變小、百粒重顯著下降，但單株產量大幅增加，單株產量最高可提高31.8%。同時，突變體籽粒脂肪酸含量明顯上升，尤其是油酸（18:1），而蛋白質含量下降。研究顯示，過表達ERF416可顯著提高種子大小和百粒重，增幅最高可達13%，且由于過表達材料中單粒莢比例上升、四粒莢比例下降，使每株種子總數減少，產量未受顯著影響。此外，過表達材料中脂肪酸含量顯著降低，尤其是亞油酸（18:2）含量減少。以上結果表明，ERF416過表達有助于提高大豆種子粒重，但或對脂肪酸積累產生負面影響。
進一步，研究人員通過轉錄組分析發現，在ERF416/413突變體中GmKIX8-1表達上調。實驗證明，ERF416/413通過結合其啟動子區域的GCC元件抑制GmKIX8-1表達，從而促進種子增大。同時，ERF416/413可激活另一個下游基因GmSWEET10a的表達，在過表達大豆中該基因上調，在突變體中下調。雙熒光素酶和ChIP實驗均驗證了ERF416/413與GmKIX8-1、GmSWEET10a啟動子的直接結合與調控關系。
最后，研究人員通過分析ERF416啟動子的單倍型變異及其與大豆種子大小和基因表達的關系發現，在195個栽培大豆和94個野生大豆中，有Hap1、Hap2、Hap3三種主要單倍型。其中，Hap1對應較高的ERF416表達和較大的百粒重，且與較低的脂質含量相關，而Hap3與較高的脂質含量相關。不同地區的大豆中，Hap3比例從東北至南方逐漸降低，這表明Hap3可作為高油品種育種的優良等位基因。
該研究發現了miR172a-ERF416/413模塊可調控大豆籽粒大小和粒重，且可能通過不同途徑調控其脂肪酸含量。
近日，相關研究成果以The miR172a-ERF416/413 module regulates soybean seed traits為題，發表在《植物學報（英文版）》（Journal of Integrative Plant Biology）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會等的支持。
論文鏈接
miR172a-ERF416/413模塊調控大豆籽粒性狀機制
本文鏈接：研究發現大豆籽粒性狀調控新機制http://www.sq15.cn/show-12-1626-0.html
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