近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王應(yīng)祥課題組以及華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院楊存義課題組聯(lián)合在Nature Communications雜志在線發(fā)表題為“Natural variation in histone demethylase GmLDL2 confers flowering time divergence for geographical expansion in soybean”的研究論文，解析了組蛋白去甲基化酶GmLDL2調(diào)控大豆開花的分子機(jī)制，并揭示了其優(yōu)異單倍型適應(yīng)低緯度地區(qū)的遺傳基礎(chǔ)，為“北豆南移”提供了新的基因資源。
大豆是油脂和植物蛋白的主要來源，而我國大豆80%以上依賴進(jìn)口，是國家糧食安全的關(guān)鍵短板。華南地區(qū)作為我國大豆第三大主產(chǎn)區(qū)，地處熱帶亞熱帶地區(qū)，其氣候條件全年適宜大豆種植，擴(kuò)種大豆?jié)摿Υ蟆６蠖故枪庵芷诜磻?yīng)敏感的短日作物，當(dāng)高緯度地區(qū)優(yōu)良品種引入到低緯度的華南地區(qū)時，會出現(xiàn)花期顯著提前、生育期縮短、產(chǎn)量大幅下降的現(xiàn)象。因此，合適的開花時間和生育期對培育低緯度地區(qū)的大豆品種具有十分重要的意義。
本研究在華夏3號的γ-射線誘變庫中篩選到一個早花突變體ef1（early flowering 1），通過BSA-seq（混池分離群體測序）定位了控制開花的候選基因GmLDL2（Lys-Specific Demethylase like 2），并利用轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)以及基因敲除實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其功能。體內(nèi)外酶活性檢測結(jié)果顯示GmLDL2具有組蛋白去甲基化酶活性，可特異性去除H3K4me1以及H3K4me2修飾。深入探究其分子機(jī)制發(fā)現(xiàn)，GmLDL2可直接結(jié)合下游靶基因GmFER（編碼類受體激酶）并去除該位點(diǎn)的H3K4me1/2甲基化修飾導(dǎo)致其表達(dá)下調(diào)，從而調(diào)控開花。進(jìn)一步遺傳分析發(fā)現(xiàn)，GmFER突變可以恢復(fù)Gmldl2突變體的早花表型，說明GmLDL2調(diào)控大豆開花時間依賴于GmFER。綜上，GmLDL2通過影響GmFER位點(diǎn)的H3K4甲基化修飾調(diào)控其表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)對大豆開花時間精確調(diào)控。
自然變異分析發(fā)現(xiàn)，GmLDL2基因是大豆馴化育種過程中的選擇靶點(diǎn)，其單倍型H1和H2在育種過程中受到人工選擇。單倍型H1為祖先單倍型且集中分布在低緯度地區(qū)，而單倍型H2主要分布在高緯度地區(qū)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，單倍型H1的組蛋白去甲基化能力顯著高于單倍型H2，導(dǎo)致低緯度條件種植下單倍型H1品種的開花時間明顯晚于單倍型H2，從而使得單倍型H1品種的產(chǎn)量也遠(yuǎn)高于單倍型H2，說明單倍型H1提高了大豆對低緯度地區(qū)的適應(yīng)性。
GmLDL2調(diào)控大豆開花以及低緯度地區(qū)適應(yīng)性機(jī)制
本研究不僅揭示了GmLDL2-GmFER模塊調(diào)控大豆開花的獨(dú)特分子機(jī)制，且進(jìn)一步解析了大豆適應(yīng)低緯度地區(qū)的遺傳基礎(chǔ)，為培育低緯度地區(qū)晚熟、高產(chǎn)品種以及“北豆南移”提供了重要的基因資源。
農(nóng)學(xué)院楊存義教授課題組已畢業(yè)博士劉夢詩，生命科學(xué)學(xué)院博士后、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室青年研究員方圓，農(nóng)學(xué)院博士江佳燦為論文的共同第一作者，王應(yīng)祥教授和楊存義教授為通訊作者。該研究得到了廣東省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新十大主攻方向“揭榜掛帥”項(xiàng)目、國家科技重大專項(xiàng)、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金以及廣東省珠江人才計(jì)劃的支持。
相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60663-y.pdf
文圖/生命科學(xué)學(xué)院劉夢詩
