大豆馴化起源于中國，隨后廣泛傳播于世界各地，為人類提供了主要的植物油和蛋白資源，是世界性的重要糧食經(jīng)濟(jì)作物。隨著世界人口的增加和飲食結(jié)構(gòu)的改變，全球?qū)Υ蠖瓜M(fèi)需求逐年增加，進(jìn)一步提高大豆單產(chǎn)和品質(zhì)對于保障世界大豆生產(chǎn)具有重要意義。
野生大豆籽粒小、含油量低、蛋白質(zhì)含量高，而經(jīng)過馴化的栽培大豆通常籽粒大、含油量高、蛋白質(zhì)含量低。在大豆馴化和改良過程中，這些產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的協(xié)同調(diào)控是否能夠由單基因獨(dú)立完成尚不清楚。
近日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院壽惠霞教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、福建農(nóng)林大學(xué)、美國伊利諾伊大學(xué)等多加科研機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)，在國際知名期刊《國家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）上發(fā)表題為“Simultaneous changes in seed size, oil content, and protein content driven by selection of SWEET homologues during soybean domestication”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GmSWEET10a/b協(xié)同調(diào)控大豆籽粒大小、含油量和蛋白含量，在大豆馴化改良過程中起到了關(guān)鍵作用。
前期研究中，壽惠霞團(tuán)隊(duì)利用國內(nèi)頂尖的大豆技術(shù)體系和研究平臺(tái)，挖崛影響種子發(fā)育的關(guān)鍵基因，并率先發(fā)現(xiàn)種子特異表達(dá)基因GmSWEET10a/b。與此同時(shí)，田志喜團(tuán)隊(duì)對870余個(gè)大豆資源材料開展了全基因組測序和性狀評(píng)估。通過兩者關(guān)鍵基因的比對，科研人員發(fā)現(xiàn)，GmSWEET10a/b是迄今發(fā)現(xiàn)大豆馴化過程中對產(chǎn)量和品質(zhì)最具影響力的基因。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GmSWEET10a/b特異表達(dá)在大豆種皮的薄壁組織，并介導(dǎo)蔗糖、葡萄糖及果糖從種皮向胚的運(yùn)輸。敲除GmSWEET10a或GmSWEET10b都會(huì)導(dǎo)致百粒重和油份顯著下降，蛋白質(zhì)含量顯著提高。兩個(gè)基因同時(shí)敲除，百粒重降低40.2%, 油分含量降低40.7%，蛋白含量提高32.1%。群體遺傳學(xué)發(fā)現(xiàn)，GmSWEET10a和GmSWEET10b發(fā)生了漸進(jìn)式的變異和人工選擇。其中，GmSWEET10a在大豆馴化過程中受到強(qiáng)烈選擇，使栽培品種的籽粒變大、含油量提高、蛋白質(zhì)含量降低；GmSWEET10b的馴化和完成選擇的程度
滯后于GmSWEET10a。在栽培大豆中過表達(dá)這兩個(gè)基因，大豆種子百粒重及油分含量都顯著提高，且單株產(chǎn)量提高達(dá)11%-20%。該研究對于通過分子育種提高大豆產(chǎn)量及品質(zhì)有重要意義。“下一代大豆育種就可以直接運(yùn)用這項(xiàng)成果?！眽刍菹冀榻B，這項(xiàng)研究對可以直接運(yùn)用于大豆品質(zhì)篩選和分子標(biāo)記物輔助的雜交育種，對于增產(chǎn)保質(zhì)具有積極意義?！拔覀儗?shí)驗(yàn)室前期還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)調(diào)控大豆粒數(shù)的關(guān)鍵糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，與本研究發(fā)現(xiàn)的新蛋白疊加有望在大豆高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)等重要性狀上獲得更大突破?！?/span>
該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。浙江大學(xué)為第一作者單位。浙江大學(xué)王守冬博士、中科院遺傳發(fā)育所劉書林博士、福建農(nóng)林大學(xué)王杰博士為文章的共同第一作者。中科院遺傳發(fā)育所田志喜研究員、浙江大學(xué)壽惠霞教授、福建農(nóng)林大學(xué)關(guān)躍峰教授和美國伊利諾伊大學(xué)陳利清助理教授為文章的共同通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa110
大豆GmSWEET10a和GmSWEET10b馴化模式圖
（文 柯溢能/圖片由課題組提供）
