大豆生育期基因E1～E4研究概述

侯思宇,王俊蘇,韓德復

(長春師范大學生命科學學院,吉林 長春 130032)

0 引言

大豆作為一種重要的經濟作物,在世界范圍內扮演著重要的角色,是油料和蛋白質的主要來源之一[1]。大豆起源于中國,屬短光照作物,對日照時間反應敏感,雖然分布廣泛,但不能跨區種植。在光周期敏感性方面,不同的大豆品種展現出顯著的差異,這直接影響了它們的開花和成熟時間。尤其在長日照、高緯度的地區,大豆品種必須具備對光的不敏感性,才能確保在霜凍前正常成熟。因此,對大豆光周期敏感性遺傳因素的研究,在大豆育種領域中占據著至關重要的地位。

早在1927年,OWEN[2]就已發現大豆中存在一種能夠調控其生育期的遺傳因子。而在中國,王金陵[3]率先開展了關于大豆生育期遺傳規律的研究。王國勛[4]則進一步深化了這一領域的研究,他根據我國24份代表性大豆品種對光周期敏感性的差異,將這些品種劃分為七個生育期類型,包括極早熟、早熟、早中熟、中熟、中遲熟、遲熟和極遲熟。他明確了每個類型的代表品種及其相應的適宜種植區域,為我國大豆種植的優化布局提供了科學依據。在農業生產中,為了更好地適應不同緯度地區的生長環境,研究人員根據大豆品種的生育期性狀進行分類。通過這種方式,他們將大豆品種劃分為13個生育期組,并命名為MG000[5]、MG00[6]、MG0[7]、MGI～MGX[8],每個組別都代表了不同的生育期特征。這種分類方法不僅揭示了大豆品種對光溫條件的適應性差異,而且在實際應用中展現出巨大的價值。這一分類標準現已成為國際通用的標準,為全球大豆育種和種植提供了統一的參考依據。通過了解和利用不同大豆品種的光周期敏感性,育種者和農民可以更好地選擇適合當地氣候和種植條件的品種,從而提高產量和品質,為全球大豆產業的可持續發展作出貢獻。此外,JIA等[9]研究者在中國北方高緯度寒冷地區的大豆品種生育期特征研究中,對生育期組劃分標準進行了調整和完善。他們根據北美的生育期組劃分標準,新增了一個更為精確的組別,即MG0000,以更好地描述高寒地區超早熟品種的生育期特性。這一調整不僅反映了我國大豆品種的多樣性,也為寒冷地區的大豆種植提供了更為科學的指導,有助于提高產量和品質。這一新增組別的出現,進一步豐富和完善了大豆品種生育期分類體系[10],為更好地適應我國北方高緯度寒冷地區的種植條件提供了有力支持。

生育期類型的多樣性是大豆的一個重要特性,這一特性引起了研究者的廣泛關注。通過經典遺傳學的研究,科學家們揭示了一些與生育期相關的基因位點,這些基因位點在不同的大豆品種中有著不同的作用和影響,比如E1～E4、E6～E10和J[11-21]。其中除了與長童期相關的J位點外[22-23],在這些基因中,E1、E2、E3和E4的效應最為顯著,對大豆生育期的調控起著至關重要的作用。這些基因通過不同的機制影響大豆對光周期的反應,從而影響其開花和成熟的時間。對大豆開花期變異貢獻率高達62%～66%[24]。為此,我們對E1～E4基因的克隆、功能鑒定及變異類型進行綜述,以期利用分子生物學技術為初步鑒定大豆品種資源生育期提供依據。

1 大豆E1～E4基因變異類型概述

E基因等位變異類型的組合,使大豆具備在各種光照條件和不同緯度地區生長的適應性,從而其能夠在不同的環境中實現最佳的生長和繁殖。E1～E4基因作為調控光周期敏感性的主效基因族,其不同變異類型組合對大豆的生育期控制至關重要。通過對E1～E4不同基因型的鑒定,能夠初步明確大豆在特定光周期條件下的表現,這為育種者提供了選擇適應特定環境的親本的依據,從而提高了育種效率和精準性。為此,我們對已鑒定的E1～E4基因不同等位變異類型進行整理,見表1。

表1 E1～E4的等位變異類型

2 大豆E1～E4基因研究概述

2.1 E1基因

E1基因是E基因系列中的第一個成員,它對大豆的花期和生育期具有重要影響。E1基因是由Bernard等[44]在1971年首次發現的。THAKARE等[45]在2012年通過圖位克隆技術將E1基因定位到C2連鎖群的17.4 kb區域內,該區域僅含有一個候選基因。E1基因是一個非常關鍵的基因,控制了大豆的開花和成熟,其cDNA全長為838 bp,去掉5′UTR和3′UTR后剩下525 bp,這部分編碼由175個氨基酸組成的蛋白。該蛋白的N端存在著DNA結合位點和核定位信號,而C端則是B3結構域。研究人員發現,E1基因僅在豆科植物中存在,是豆科作物所特有的轉錄因子[46]。在大豆E1基因的研究中已發現了一些與該基因相關的等位變異,如e1-as[25-26]、e1-nl[27]、e1-fs[28]、e1-re[29]、e1-p[30]及e1-lb[31]等。

在大豆生育期遺傳規律的研究中,除了先前提到的基因位點外,還有E1、E2、E3和E4等基因被廣泛關注。這些基因通過不同的機制影響大豆對光周期的反應,從而調節其生育期。然而,這些基因在自然界中經常發生突變,導致大豆生育期的變異。

天然突變的e1-as等位基因是一個典型的例子。該等位基因由于核定位信號(NLS)點突變導致部分功能喪失,使得部分突變蛋白無法進入細胞核以發揮其功能。這導致e1-as突變體的表型處于正常型和缺失突變體之間,表現為一種弱等位變異[47]。

另一方面,e1-nl基因型變異表現為染色體片段的缺失,缺失的130 kb區域中包含了整個E1基因。這種變異導致E1基因的功能完全喪失,因此e1-nl屬于功能喪失型變異。與e1-as類似,e1-nl也表現為極早的開花和成熟[48]。

除了E1基因外,大豆中還存在與E1同源的基因[49],即e1-la和e1-lb。這些基因同樣具有抑制大豆開花的效能,并且在長日照條件下的表達模式與E1相似。利用近等基因系(NILs)[50]進行研究,研究者發現e1-lb在富含紅光或富含遠紅光的長日照條件下獨立于E1發揮抑制開花的作用。更為重要的是,e1-lb可以抵消E4在富含遠紅光的長日照條件下抑制開花的功能[51]。

2.2 E2基因

E2基因是E基因系列中的另一個關鍵成員,同樣在調控大豆的生育期方面發揮重要作用。大豆的E2基因型也有多種類型。其主要等位變異有E2-in[32]、E2-dl[33]、E2-ns[34]。E2基因為編碼擬南芥GIGANTEA(GmGIa)的大豆同源基因,在生物鐘和開花過程中發揮多重作用[52]。功能性E2等位基因為編碼1 170個氨基酸的全長蛋白;而主要的自然變異隱性e2等位基因,則編碼521個氨基酸的截斷蛋白[53]。來自TILLING群體的e2等位基因和一個功能喪失突變體也編碼截斷蛋白,表現出早開花表型[54]。這些不同類型的E2基因會導致生育期的變化,具有E2基因的大豆品種通常表現出中等生育期,適合在多種環境條件下生長[55]。其中e2-ns基因型是由于編碼區中的4個單堿基變異導致編碼提前終止,促進提前開花和成熟[56]。而E2-in和E2-dl基因型的功能分化尚不清楚。

2.3 E3基因

E3被證實是擬南芥光敏色素A(PHYA)基因的同源基因,并被命名為GmPHYA3[57]。光敏色素是一種蛋白質,存在于植物和藻類的生長表面,它們能夠吸收光能并將其轉化為化學能,從而影響植物的生長發育和生理過程。其編碼蛋白由1 130個氨基酸組成。該基因存在多種等位變異,包括E3-Ha[35]、E3-Mi[36]、e3-mo[37]、e3-tr[38]、e3-fs[39]和e3-ns[58]等基因型。其中,E3-Mi基因型為無義突變型,其對光敏色素A的正常表達沒有影響[59]。e3-mo基因型的第四內含子中插入了一個長度為2 633 bp的反轉錄轉座子,并在第三個外顯子處發生了突變,這導致了編碼蛋白功能的改變[60]。與e3-mo基因型相比,E3-Ha基因型僅在第三個外顯子處沒有發生變化,編碼蛋白功能正常,光敏色素A能夠正常表達[11]。e3-tr基因型在第三外顯子后面出現了13.33 kb的染色體缺失,導致組氨酸結構域的功能發生改變,進而導致編碼蛋白功能的缺失。這一突變導致了e3-tr基因型大豆的生育期變化和表型特征的改變。缺失的染色體片段可能包含了與生育期調控相關的其他基因或調控元件,導致E3蛋白的功能受到影響[61]。同樣導致編碼蛋白功能的缺失[62]。而e3-fs基因型的第一個外顯子堿基序列出現了移碼突變,導致翻譯提前結束,從而造成編碼蛋白功能的缺失[63]。

2.4 E4基因

在遺傳學研究中,E4基因被證實是擬南芥光敏色素A(PHYA)基因的同源基因,被命名為GmPHYA2[64]。E4基因在光周期和生長發育調控中發揮重要作用,其變異類型對大豆生育期和開花時間有顯著影響。

E4基因編碼區包含4個外顯子,由1 123個氨基酸組成。目前已發現多種E4基因變異類型,包括e4-SORE-1[40]、e4-kam[41]、e4-oto[42]、e4-tsu[43]和e4-kes[65]。這些變異類型通過不同的方式影響E4蛋白的結構和功能,進而影響大豆的生育期和開花時間。

其中,e4-SORE-1基因型的第一外顯子存在一個Ty1/copia-like反轉座子插入,導致編碼序列提前終止,產生功能缺失型蛋白。e4-kam和e4-kes基因型的第二外顯子分別因單堿基缺失和插入導致編碼蛋白的組氨酸激酶結構域缺失,而保留調控下游的PAS結構域。e4-oto和e4-tsu基因型則分別為第一和第二外顯子單堿基缺失,導致組氨酸激酶結構域和PAS2結構域均缺失[66-67]。

這些變異類型對大豆生育期的影響表現為延遲開花、提早開花或正常開花等不同表型。這為大豆育種提供了新的思路和方法,有助于培育適應不同氣候和種植條件的大豆品種,提高產量和品質。同時,這些研究也揭示了光周期和生長發育調控的復雜機制,有助于深入了解植物的生長發育過程。

3 展望

大豆生育期分組及E基因型鑒定對大豆遺傳育種及生產應用具有廣泛意義。E1、E2、E3和E4等主效基因,在大豆的親本生育期調控中扮演著重要角色。明確E1～E4基因功能,開發各自不同基因型的分子標記,通過分子標記輔助選育技術,檢測不同大豆品種資源及其雜交分離后代的基因型組合,可以在早期初步預測親本及雜交后代的生育期,這將為今后大豆雜交、回交后代生育期的快速遺傳改良提供技術支撐。

雖然E1～E4基因在大豆生育期中起著重要的作用,但是隨著高通量測序技術、遺傳定位和功能基因鑒定方法的不斷發展,更多生育期基因被陸續克隆和鑒定。研究者對不同生育期基因的深入了解,可以結合常規育種技術更高效地開展分子育種,加速培育出生育期縮短、產量提高、抗逆性增強等聚集多種優良農藝性狀的品種。同時,通過研究生育期基因與環境因素的相互作用,可以更好地了解大豆對環境的適應性。這將有助于研究者根據不同的氣候、土壤條件,優化大豆的生長環境,提高大豆的產量和品質,為農業生產提供更多的支持和幫助。