2022年3月2日，Theoretical and Applied Genetics在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(xué)院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所大豆遺傳與分子改良學(xué)科組題為“A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean”的研究論文，助理研究員王飛飛為文章第一作者，張恒友研究員和潘相文高級工程師為文章的并列通訊作者。該研究對大豆多聚半乳糖醛酸酶基因PG031對種子吸水性的調控機制進(jìn)行了解析。

　　大豆群體的種皮吸水性差異很大，幾乎所有野生大豆的種皮都是硬的、不吸水的，而栽培大豆群體的種皮相對容易吸水。硬的吸水性差的種皮可以保護種子在自然條件下免受病菌、旱澇、腌漬的侵害，以順利度過(guò)休眠期而適時(shí)萌發(fā)，同時(shí)收獲的種子容易儲存。相反，栽培大豆種皮相對容易吸水，在播種后可以保障大豆的適時(shí)整齊發(fā)芽，但收獲的種子不易保存。每年全世界都會(huì )因存儲過(guò)程中種子變質(zhì)而導致巨大的經(jīng)濟損失，由此可見(jiàn)，種皮硬度/吸水性對作物/大豆生產(chǎn)是一個(gè)非常重要的農藝性狀。但是，栽培大豆群體的種皮硬度/吸水性仍有較大變異，很難通過(guò)表型辨別，鑒定關(guān)鍵控制基因對分子設計育種變得尤為重要。前人的研究鑒定了大豆種皮硬度由兩個(gè)主要位點(diǎn)(qHS1和qHS2)來(lái)控制。已有研究對qHS1位點(diǎn)的解析增加了對大豆種皮性狀分子基礎的理解，但是對qHS2的基因的功能依然未知。大豆種皮硬度/吸水性的變化也被認為是大豆馴化的重要表型特征之一，鑒定qHS2基因將會(huì )加大對這一重要大豆馴化性狀的深刻理解，有助于利用相關(guān)遺傳機理優(yōu)化現代大豆育種和改良。

　　本研究發(fā)現了控制大豆種皮吸水性的一個(gè)編碼多聚半乳糖醛酸酶基因PG031.該基因位于qHS2置信區間內。PG031在花中高表達，但在吸水后的種子種皮中特異表達，種子萌發(fā)后降低或無(wú)表達，表明PG031在種皮吸水性的重要作用。我們在大豆群體中鑒定到3種PG031變異，即PG031^289H、PG031^289Y 和PG031^Hap3.其中野生大豆中僅含有PG031^289H型，控制種皮不吸水性，將PG031^289H導入到高滲透性大豆PG031^289Y型大豆顯著(zhù)降低轉基因種子的種皮吸水性(圖1)，且使百粒重有所降低，顯微鏡分析證實(shí)PG031^289H的導入減少了種皮的柵欄層和薄壁細胞層的細胞內空間，增加了水分進(jìn)入種皮的屏障。另外兩個(gè)等位變異中，PG031^289Y型來(lái)源于PG031^289H的1個(gè)SNP突變，與種子種皮透水性增加緊密相關(guān)(圖2)，因為PG031^289Y等位變異與大粒重相關(guān)，這個(gè)等位變異可能正在經(jīng)歷人工選擇。該研究結果為深入了解大豆種皮吸水性的遺傳機制提供了理論依據，也為定向改良栽培品種以滿(mǎn)足不同的貯藏需求提供一定的理論基礎。

圖1 過(guò)表達PG031^289H大豆(T1-TG1.4)與野生型(WT)的表型比較

圖2 PG031等位變異對種子吸水性的影響及在全國的分布

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金(31301337)、黑龍江省自然科學(xué)基金(QC2014C036)以及作物人工智能設計與精準育種技術(shù)(B21HJ0101)等項目聯(lián)合資助。

　　論文信息如下：Wang F, Sun X, Liu B, Kong F, Pan X, Zhang H. A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean. Theoretical and Applied Genetics 2022. DOI:10.1007/s00122-022-04057-4

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