研究揭示大豆鉬肥增產(chǎn)的新機(jī)制和關(guān)鍵基因

　　11月22日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組聯(lián)合遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜研究組合作，在《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）上，在線發(fā)表了題為Natural variants of molybdate transporters contribute to yield traits of soybean by affecting auxin synthesis的研究論文。該研究通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，克隆了兩個(gè)調(diào)控大豆籽粒鉬含量自然變異的關(guān)鍵基因——GmMOT1.1與GmMOT1.2。研究表明，這兩個(gè)基因通過(guò)促進(jìn)大豆葉片鉬依賴的生長(zhǎng)素合成，增大葉片光合面積，進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)基因具有5種單倍型，且這些單倍型的地理分布與土壤酸堿度具有密切關(guān)系，從而可為適應(yīng)不同土壤類型的大豆定制性育種提供指導(dǎo)性的分子標(biāo)記。

 

　　鉬（Mo）是植物生長(zhǎng)中不可或缺的微量元素，在多個(gè)生物過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。而對(duì)于豆科植物而言，鉬肥尤其重要。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，常常需要通過(guò)施加葉面鉬肥來(lái)提高豆類作物的生產(chǎn)潛能。通常認(rèn)為，豆科植物對(duì)于鉬肥的超高需求，與豆科植物生物固氮過(guò)程中對(duì)于鉬元素的高需求有關(guān)。然而，這一理論與生產(chǎn)上需要將鉬肥陪撒在葉片上有沖突。這是由于根瘤固氮發(fā)生在根部，但植物中并無(wú)由葉面向根部運(yùn)輸?shù)V質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的報(bào)道。因此，葉面鉬肥促產(chǎn)的原因可能存在未知的機(jī)制。

 

　　大豆是主要作物之一，是人類主要的蛋白質(zhì)和油料的來(lái)源。然而，對(duì)于不同大豆品種之間是否存在吸收利用鉬能力的自然變異、這些變異如何影響大豆生產(chǎn)，以及如何利用這些變異，尚不清楚。

 

　　該研究利用離子組學(xué)和全基因組關(guān)聯(lián)分析，克隆了兩個(gè)調(diào)控大豆鉬含量自然變異的基因——GmMOT1.1與GmMOT1.2。研究通過(guò)進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，大豆自然品系包含5種GmMOT1.1與GmMOT1.2的主要單倍型。其中，第五個(gè)單倍型在大豆中的表達(dá)量以及鉬轉(zhuǎn)運(yùn)能力為最高，而單倍型4表達(dá)量和鉬轉(zhuǎn)運(yùn)能力最低。一系列遺傳和分子實(shí)驗(yàn)表明，GmMOT1.1與GmMOT1.2參與大豆根部對(duì)鉬的吸收以及根部從地上部鉬的轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)GmMOT1.1與GmMOT1.2功能降低時(shí)，突變體鉬含量及產(chǎn)量皆顯著降低，而GmMOT1.1的增強(qiáng)則能夠顯著提升鉬含量及大豆產(chǎn)量。因此，兩基因調(diào)控了大豆地上部的鉬含量，并進(jìn)一步影響大豆產(chǎn)量。

 

　　研究顯示，GmMOT1.1與GmMOT1.2沒(méi)有影響根瘤的固氮能力，也沒(méi)有影響其他的氮同化過(guò)程。GmMOT1.1與GmMOT1.2的突變體和超表達(dá)植株中，葉片的生長(zhǎng)素含量發(fā)生了顯著的變化。其中，突變體葉片生長(zhǎng)素含量顯著降低而超表達(dá)株系葉片生長(zhǎng)素含量升高。進(jìn)一步，研究表明，大豆葉片中存在一種鉬結(jié)合醛氧化酶，能夠催化吲哚-3-乙醛（IAAld）合成生長(zhǎng)素吲哚-3-乙酸（IAA），但催化活性依賴于鉬的含量。因此，當(dāng)GmMOT1.1與GmMOT1.2的功能變強(qiáng)時(shí)，葉片鉬含量增加，從而促進(jìn)生長(zhǎng)素的合成和葉片生長(zhǎng)，進(jìn)而增加了大豆產(chǎn)量。這解釋了為何農(nóng)業(yè)上可以通過(guò)直接噴灑葉片鉬肥來(lái)促進(jìn)大豆產(chǎn)量。

 

　　此外，研究還發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)基因的不同單倍型在中國(guó)不同種植區(qū)的分布情況與土壤pH之間有密切聯(lián)系。功能強(qiáng)的單倍型主要分布在酸性低鉬土壤地區(qū)，而弱功能單倍型則偏向于分布在堿性高鉬土壤地區(qū)，顯示兩者受到了人工選擇。這表明可以利用這兩個(gè)基因設(shè)計(jì)成分子標(biāo)記，用于培育適應(yīng)不同酸堿度土壤的定制化大豆高產(chǎn)品種。

 

　　該研究揭示了大豆籽粒鉬含量自然變異的遺傳機(jī)制，闡明了豆類作物葉片鉬肥促產(chǎn)的作用原理，發(fā)掘了根據(jù)土壤酸堿度定制化大豆育種的分子標(biāo)記，為進(jìn)一步優(yōu)化大豆種植和育種策略、培育營(yíng)養(yǎng)高效型大豆品種提供了科學(xué)依據(jù)。

 

　　研究工作得到中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）的支持。