大豆開花和高產背後的微觀世界—新聞—科學網

2020-11-26 科學網


古代豆腐加工製作流程 圖片來源：劉玉明

不同大豆品種的光周期敏感性比較。左側植株為光周期鈍感型品種，可以正常成熟；右側植株為光周期敏感型品種，持續營養生長，不能正常成熟。圖片來源：孔凡江

野生大豆和栽培大豆的比較左側植株為馴化前的野生大豆，右側植株為馴化後的栽培大豆。圖片來源：孔凡江

孔凡江回國從事大豆研究10年了，依然深感大豆事業任重道遠。

「與大豆主產國相比，我國大豆單產較低，關鍵技術仍待突破。提高產量是當前我們大豆研究工作者面臨的最主要問題。」廣州大學分子遺傳與進化創新研究中心研究員孔凡江告訴《中國科學報》。

幸運地是，研究團隊長期的堅持和系統深入的研究，近年來不斷有了新突破。

近日，孔凡江與同事劉寶輝研究員團隊，以及中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員田誌喜團隊等合作，首次系統報導了大豆馴化過程中開花期基因的進化與選擇分子機制，並確認了光周期開花是作物核心的馴化性狀。這為大豆分子模塊挖掘與設計育種，培育高產、優質的大豆栽培品種奠定了理論基礎。相關研究成果在《自然—遺傳學》上發表。

解決了一個爭議

大約5000年前，栽培大豆起源於我國，北緯30°—45°黃淮海區域的野生大豆馴化為今天的栽培大豆。用大豆加工的食品在我國飲食文化中佔有舉足輕重的地位，豆腐和醬油等豆製品是中華文明的重要遺產之一。

過去的研究表明，大豆是光周期敏感的高溫短日照作物，成熟期是影響大豆產量和品質的重要因素之一。在大多數植物生長發育過程中，必須經過一定時間的日照長度後才能開花，否則將一直處於營養生長狀態。而光周期現象即一種晝夜周期中光照期和暗期長短的交替影響植物開花的效應。

「大豆對光周期的反應通常影響著成熟期的長短、從而影響產量。具體表現為同一品種在低緯度地區光照時間短，開花期提前，成熟較早，產量低；而在高緯度地區光照時間長、晚開花、晚成熟、產量高。」論文通訊作者之一孔凡江表示。

不過，目前，栽培大豆的範圍已大大拓展，既能在高緯度的俄羅斯種植，也能在赤道附近的巴西等國家種植。

大豆是如何降低對光周期敏感性，而讓自己具有了廣泛的生態適應性呢？這是自然選擇的變異還是人工馴化的結果呢？

論文通訊作者之一劉寶輝從事大豆重要性狀遺傳與功能基因研究20年了。他告訴《中國科學報》，作物從野生種到農家種的馴化過程經歷了一系列性狀的人工改良，比如休眠性減弱、種子落粒等，這些性狀也被成為「馴化綜合特徵性狀」。而關於光周期是否是馴化綜合特徵性狀一直存在爭論。

研究人員利用基因組學分析、生物信息學和經典正向遺傳學相結合的方法，發掘並克隆了調控大豆光周期的兩個關鍵位點Tof11和Tof12。

研究發現，Tof12-1基因上光周期鈍感的選擇可能是大豆早期馴化的關鍵事件，可能與Shat1-5, GmHs1-1和G基因上對落莢性、種子硬度和休眠性的選擇相伴發生。這一結果證實了光周期適應性改變可能是作物早期馴化的重要進化步驟，是大豆作物核心的馴化性狀。

來自同源基因的影響

儘管當前大豆種植廣泛，但由於其高敏感度的光周期特徵，單個大豆品種所能適應的緯度範圍很窄。這並不利於大豆品種的推廣。

「比如，我們希望北方的品種在南方也能高產。」孔凡江說。然而現實是，哈爾濱的品種拿到廣州會提早開花，植株矮小，只長出幾公分，結粒很少；相反，廣州的品種帶到哈爾濱則一直生長不開花，在冬天溫度下降時也不能結莢。

因此，有哪些基因在調控大豆光周期和開花？調控機制又是什麼？如何解決大豆高產與早熟之間的矛盾？這是研究人員一直想解決的問題。

過去對模式植物擬南芥的研究中發現，作為生物鐘的核心元件，PRRs家族基因通過對下遊基因的調控, 進行著複雜而有序的節律表達，以完成光周期開花。「在水稻和小麥等作物中，我們也發現了與擬南芥同源的PRRs基因，在調控光周期途徑中也發揮著重要作用。我們就想了解該基因在大豆中發揮著怎樣的功能。」劉寶輝說。

同源基因是由一個共同祖先在不同物種中遺傳的基因，它們可能發揮相同的功能，也可能產生了功能分化。

最終，研究證明，Tof11和Tof12是編碼PRR類的一對同源基因。通過對分子機制的解析，結果表明，Tof11和Tof12通過減弱生物鐘基因LHY對豆科特有的光周期調控核心E1的抑制，導致成花素基因FT表達下調，最終延遲開花。據此，作者建立並揭示了大豆中完整的光周期調控分子網絡。

在進化機制上，研究還發現，Tof11和Tof12發生了漸進式的變異和人工選擇。其中，tof12-1的功能缺失突變被強烈選擇，並在栽培品種中被迅速固定下來，從而使栽培品種的開花期和成熟期普遍提前。

此外，tof11-1的功能缺失型突變發生於tof12-1之後，在tof12-1遺傳背景上再次受到選擇，從而進一步縮短了栽培大豆的開花期和生育期，提高了栽培大豆的適應性。

「在馴化過程中野生大豆50%的遺傳多樣性在栽培大豆中丟失。因此，挖掘並明確控制重要農藝性狀的關鍵基因及其分子機制，我們可以試著把野生大豆馴化中丟失的控制優良性狀的基因重新『撿』回來，運用到現在分子設計育種中，觀察其能否提高產量。」孔凡江說。

分子設計推動大豆高產

大豆是重要的糧油兼用作物，同時也是人類優質蛋白及畜牧業飼料蛋白的主要來源，在我國糧食結構中佔有重要地位。但我國大豆的單產仍然較低，對外依存度高達85%以上，是世界最大的大豆進口國。

過去幾十年裡，由於關鍵基因的挖掘和雜種優勢，水稻、小麥等糧食作物都發生了產量翻番的「綠色革命」。與之相比，大豆卻始終處在緩慢增長狀態。

「大豆基因研究比較困難。」孔凡江坦承，其中一個原因在於，大豆是由古四倍體演變而來的二倍體自交作物，基因組龐大，約有56000個基因，且75%的基因以同源基因的形式出現，種內遺傳變異程度低、豐富的重複序列使大豆基因組變得十分複雜，遺傳轉化困難，這羈絆著大豆基因功能研究的進展。

事實上，幾十年來，大豆科學家們從未放棄，在摸索中前行。

值得一提的是，2017年，孔凡江、劉寶輝和田誌喜及其合作者團隊，克隆了大豆長童期性狀的關鍵基因J並驗證了其功能。長童期性狀可在短日照條件下，延長大豆營養生長期並且提高大豆產量，使大豆可以在熱帶赤道地區得以大面積種植和推廣。

研究發現，J基因促進了光周期開花，且該基因突變型可推遲低緯度短日照條件下大豆開花時間，比野生型提高產量 30%—50%。此外，J基因在適應低緯度大豆品種中至少存在著8種功能缺失型等位變異，為大豆在低緯度地區的推廣和生產起到重要作用。

「兩項研究相互補充，是一個持續性的過程，不僅進一步完善了以E1基因為關鍵節點的大豆開花分子調控網絡，而且系統闡釋了J基因促進大豆低緯度適應，以及Tof11和Tof12促進大豆中高緯度適應的多基因進化機制。」孔凡江說。儘管已取得了一些突破和進展，但就龐大的基因組而言，這只是「冰山一角」，在大豆的進化和選擇背後，還有諸多疑問需要解決。

除了光周期，目前，我國還在百粒重、單株莢數、葉柄夾角等產量重要性狀的關鍵基因上取得了較大的進展，也創製了一批大豆優異種質材料，為大豆的分子設計育種奠定了重要的理論基礎。

多學科聯合催生的分子設計育種技術是現代育種的一次新變革。「加快分子設計育種創新體系建設，開展大豆超高產的分子基礎和育種技術研究，創製革命性品種，實現大豆的『綠色革命』，以扭轉我國大豆的被動局面。」論文通訊作者之一田誌喜說。

田誌喜表示，產量、品質等性狀大都是多基因控制的複雜性狀，而不同複雜性狀間的耦合是分子設計育種的關鍵科學問題。我們還需要解析複雜性狀間耦合的遺傳調控網絡，明確關鍵調控單元。「基於這些研究，我們還可篩選出適宜在鹽鹼、灘涂、高寒、 高旱等邊際土地，以及黑龍江主產區以北生長的大豆材料和品質，擴大種植面積，提高產量。」

「目前，大豆的基礎研究水平與水稻和玉米等主要作物相比還非常薄弱，還需要國家的更多重視和投入，科研人員團結協作，凝聚力量挖掘更多的重要基因和突破關鍵技術，把老祖宗留給我們的遺產保護好，並發揚光大。」孔凡江說。

 

版權聲明：凡本網註明「來源：中國科學報、科學網、科學新聞雜誌」的所有作品，網站轉載，請在正文上方註明來源和作者，且不得對內容作實質性改動；微信公眾號、頭條號等新媒體平臺，轉載請聯繫授權。郵箱：shouquan@stimes.cn。

相關焦點

  • 俞書宏院士:高質高產的「秘訣」是什麼—新聞—科學網
    在同行眼中，俞書宏「高產出」、「高影響力」，H指數129；在學生眼裡，老師痴迷科研，一聊到好文章就滔滔不絕；但在俞書宏自己心中，文章不是目的，他有更高的目標。 出身「教師之家」 俞書宏1967年出生於安徽廬江。名字中的「宏」字很有時代特色，小時候一直被同學寫為「紅」。「書」字則很有家庭特色——父母是小學老師，哥哥姐姐是中學老師。
  • 梁慧珍等定位24個大豆幼苗期根系性狀基因—新聞—科學網
    河南省農科院梁慧珍等定位24個大豆幼苗期根系性狀基因   本報訊 日前，在國家轉基因重大專項和河南省科技創新傑出人才計劃資助下，河南省農科院研究員梁慧珍等人定位了24個大豆根系相關性狀的QTL（數量性狀座位）位點。
  • 新發現助力「綠色革命」水稻新品種高產且高效—新聞—科學網
    兩者突變，實現了植株半矮化、抗倒伏的高產目標，但也伴隨著氮肥利用效率的降低，造成矮稈品種需要更多化肥投入才能實現高產。 眾所周知，氮肥在現代農業生產中起到重要作用，是保證糧食產量增產的重要措施之一。然而，氮肥過量投入並未大幅提高產量，反而導致經濟效益和生態效益逐漸下滑，在如今環境保護與作物增產雙重目標下，協同提高作物產量和氮肥利用效率具有重大的現實意義。
  • 新型抗小麥白粉病基因被找到—新聞—科學網
    南京農業大學小麥分子細胞遺傳育種團隊長期致力於利用二倍體簇毛麥基因組發掘小麥優質、高產、抗病和耐逆基因。綜合利用分子細胞學技術，選育出了一批小麥—簇毛麥V基因組滲入系材料，並從中發掘出了多個小麥優質、高產和抗病基因。
  • 【中國科學報】大豆分子設計育種重點實驗室:
    在大豆光周期功能基因組學和大豆花器官改造研究領域處於國際領先水平，享有很高的知名度。　　目前，實驗室的四個研究重點主要包括大豆光周期調控開花的分子機理、大豆產量品質形成的功能基因組學、大豆抗逆的分子遺傳機制、大豆抗逆的分子遺傳機制。　　「重點實驗室已成為我國大豆品種設計育種基礎理論和應用基礎研究的一個新的重要基地。」劉寶輝說。
  • 【中國科學報】東北地理所揭秘大豆光周期
    近日，《中國科學報》記者從中科院東北地理與農業生態研究所獲悉，該所研究人員已經完成大豆幾個主要生育期基因E1、E2、E3、E4的克隆，將有望揭開大豆光周期的奧秘。　　大豆光周期研究的重大突破　　光周期現象是生物對晝夜光暗循環格局的反應。大多數一年生植物的開花決定於每日日照時間的長短。
  • 飼料之王如何突破高蛋白瓶頸—新聞—科學網
    近日，中國農業科學院（以下簡稱農科院）黨組書記張合成在該院聯合攻關重大科研任務「高蛋白玉米新品種培育」啟動會上指出，玉米聯結著種植業和畜牧業，影響著糧食和畜禽產品的高產和優質。 該科研任務首席專家張春義告訴《中國科學報》，玉米是動物飼料的主要組成原料，其營養品質直接影響畜禽產品產量和質量，是畜牧業發展水平的重要關鍵因素。
  • 多名科學家寄語中國科學報和科學網—新聞—科學網
    值此《中國科學報》成立60周年之際，向一直致力於傳播科學理念、弘揚科學精神的報社新聞工作者們表示敬意。沒有你們，公眾不可能像如今這樣熟知「悟空」「墨子」「實踐十號」和「慧眼」這些科學衛星計劃。通過你們，公眾從這些計劃中又進一步了解了宇宙、量子、暗物質、黑洞、微重力和空間生命科學這些深奧的科學名詞和基本道理。感謝你們！願你們繼承60年的光榮傳統，將這座橋梁建設得更加寬闊和暢通。
  • 氣候變化對大豆產量的影響分析
    5—7月大豆剛播完還處於開花期，那時的單產數據主要由USDA下屬機構世界農業展望局（WAOB）給出，WAOB有兩套預估單產的模型，一套模型主要依據天氣因素來預估單產，包括溫度和降水量這兩個參數；另一套模型根據種子技術調整來預估單產。而8月—次年1月的單產則是USDA的另一個下屬機構國家農業統計服務局（NASS）給出的。
  • 科學家發現增加水稻分櫱數和產量的重要基因—新聞—科學網
    水稻所供圖 上世紀50-60年代，育種學家利用「矮化基因」改良水稻、小麥等作物株型，培育高產品種，被稱為「綠色革命」。雖然「綠色革命」帶來了高產的株型，但是這種複雜且決定產量的性狀究竟由什麼因素決定，科學家並不清楚。
  • 科研人員繪出大豆圖形結構泛基因組
    田誌喜團隊聯合中科院遺傳發育所梁承志和朱保葛研究團隊、中科院分子植物科學卓越創新中心韓斌院士團隊、上海師範大學黃學輝團隊等，對來自世界大豆主產國的2898個大豆種質材料進行了深度重測序和群體結構分析，精心挑選出26個最具代表性的大豆種質材料，包括3個野生大豆，9個農家種和14個現代栽培品種
  • 為何要大量進口大豆
    作為世界糧食最大進口國，中國每年糧食進口量基本超過1億噸，不過主要是因為進口大豆數量佔到總糧食進口量的80%以上，例如2019年中國大豆進口總量達8551.1萬噸，為歷史第二高峰。為了降低貿易風險，我國除了實施大豆振興計劃，還堅持推動大豆進口多元化，近日還與這一國新籤大豆協議。年產量10000噸，中坦兩國達成大豆輸華協議！
  • 「分子設計育種」帶來的盛宴—新聞—科學網
    突變體是分子生物學了解基因功能的重要工具，馮獻忠團隊10多年前就在國內率先建立突變體資料庫，目前建立40萬個株系的大豆突變體，成為世界上最大的大豆突變體庫，以及大豆分子設計育種的元件庫和基因資源庫。 2013年，馮獻忠來到東北地理所，恰好趕上中國科學院啟動戰略性先導科技專項「分子模塊設計育種創新體系」，這讓他及其團隊有了難得的探索、打磨、積澱的契機。
  • 國際空間站發現奇異物質—新聞—科學網
    玻色—愛因斯坦凝聚橫跨量子力學支配的微觀世界和經典物理支配的宏觀世界，因此有望提供關於量子力學的基本洞察。然而受重力作用影響，人們難以對其進行精準測量。 為了克服這些限制，美國加州理工學院的Robert Thompson及同事在國際空間站上啟動並成功運行了冷原子實驗室。他們描述了在微重力條件下製備的玻色—愛因斯坦凝聚，並測量了它們與地球上觀測到的玻色—愛因斯坦凝聚之間的特性差異。
  • 根瘤菌的減「肥」行動—新聞—科學網
    陳文新認為，根瘤菌生物固氮是解決這一問題的一個重要技術途徑，「接種與豆類作物品種相匹配且適應種植土壤的根瘤菌，廣泛開展豆類與其他作物間套輪作，可大幅減少化學氮肥的施用，並可減少病蟲害，獲得優質高產。」 然而，利用根瘤菌固氮這一天然手段實現減「肥」目標，不僅尚未得到學界和政府足夠的重視，我國的農業實踐也已經基本放棄了根瘤菌固氮這一傳承千年的傳統。所幸的是，還有一批科學家在堅持著。
  • 烏克蘭銀行和企業為農民種植非轉基因大豆提供優惠貸款
    烏克蘭通訊社8月21日消息，烏克蘭OTP銀行和KMD有限責任公司向農民提供現代技術種植高產作物收購方案優惠貸款。OTP銀行中小企業客戶銷售部經理Olga Volkova指出：「我們推出一項按優惠價格收購產品計劃，包括全套解決方案：融資、保險和合作夥伴專家的技術支持。」
  • 種康委員:牧草分子設計育種得提上日程—新聞—科學網
    「先進的分子設計育種科技有可能加速優質高產牧草的選育。」種康告訴《中國科學報》。為此他建議，國家在「十四五」規劃中設立牧草分子設計育種體系國家科技專項。 種康表示，我國牧草品種選育工作進程緩慢主要體現在育成品種少、優質性狀不突出和傳統方法效率低、質量難保證。
  • 鹽脅迫抑制豆科植物根瘤菌共生分子機制獲揭示—新聞—科學網
    因此，研究豆科植物和根瘤菌的相互作用，從而增加共生固氮的效率，是減少氮肥施用、發展綠色可持續農業的關鍵。豆科植物和根瘤菌的互作和共生固氮受到外部環境條件的影響。非生物脅迫嚴重抑制了豆科植物的根瘤發育和共生固氮。然而，其中的遺傳和分子機制仍知之甚少。
  • 大豆從我國走向全世界 有對「雙胞胎」基因很關鍵
    我國的黃淮海區域5000年前就開始栽培大豆，目前它已經成為廣受世界各地農戶歡迎的農作物。早在5000年前，我國的黃淮海區域就開始栽培大豆，目前它已在全球農業生產中佔據重要的地位。但大豆對光周期極為敏感，單個品種或種質資源一般只適宜種植於緯度跨度較小的區域內。起源於黃淮海區域的大豆又是如何「走遍世界都不怕」的呢？近日，廣州大學的孔凡江、劉寶輝教授團隊在《自然·遺傳學》雜誌上發表的最新研究，發掘了兩個長日照條件下控制大豆開花期的關鍵位點Tof11和Tof12，揭示了這對同源基因的逐步進化促進大豆適應中高緯度地區的分子機制。
  • 「吃掉」亞馬孫背後:全球化下大豆與牛的雙重詛咒
    但是，危機背後隱藏的土地投機和農業技術底下之弊並非無解。 撰文 | 宋宇錚 責編 | 陳曉雪 「我們絕不會交出對亞馬孫的控制權。我們會繼續用這裡的土地餵飽世界！」