大豆生育期基因E1～E4研究概述

侯思宇,王俊蘇,韓德復(fù)

(長春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,吉林 長春 130032)

0 引言

大豆作為一種重要的經(jīng)濟作物,在世界范圍內(nèi)扮演著重要的角色,是油料和蛋白質(zhì)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(yīng)敏感,雖然分布廣泛,但不能跨區(qū)種植。在光周期敏感性方面,不同的大豆品種展現(xiàn)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(qū),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(lǐng)域中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。

早在1927年,OWEN[2]就已發(fā)現(xiàn)大豆中存在一種能夠調(diào)控其生育期的遺傳因子。而在中國,王金陵[3]率先開展了關(guān)于大豆生育期遺傳規(guī)律的研究。王國勛[4]則進一步深化了這一領(lǐng)域的研究,他根據(jù)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(yīng)的適宜種植區(qū)域,為我國大豆種植的優(yōu)化布局提供了科學(xué)依據(jù)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,為了更好地適應(yīng)不同緯度地區(qū)的生長環(huán)境,研究人員根據(jù)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(yīng)性差異,而且在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的價值。這一分類標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已成為國際通用的標(biāo)準(zhǔn),為全球大豆育種和種植提供了統(tǒng)一的參考依據(jù)。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(nóng)民可以更好地選擇適合當(dāng)?shù)貧夂蚝头N植條件的品種,從而提高產(chǎn)量和品質(zhì),為全球大豆產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)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(qū)的大豆品種生育期特征研究中,對生育期組劃分標(biāo)準(zhǔn)進行了調(diào)整和完善。他們根據(jù)北美的生育期組劃分標(biāo)準(zhǔn),新增了一個更為精確的組別,即MG0000,以更好地描述高寒地區(qū)超早熟品種的生育期特性。這一調(diào)整不僅反映了我國大豆品種的多樣性,也為寒冷地區(qū)的大豆種植提供了更為科學(xué)的指導(dǎo),有助于提高產(chǎn)量和品質(zhì)。這一新增組別的出現(xiàn),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(yīng)我國北方高緯度寒冷地區(qū)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(guān)注。通過經(jīng)典遺傳學(xué)的研究,科學(xué)家們揭示了一些與生育期相關(guān)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(guān)的J位點外[22-23],在這些基因中,E1、E2、E3和E4的效應(yīng)最為顯著,對大豆生育期的調(diào)控起著至關(guān)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(yīng),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(xué)技術(shù)為初步鑒定大豆品種資源生育期提供依據(jù)。

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(qū)生長的適應(yīng)性,從而其能夠在不同的環(huán)境中實現(xiàn)最佳的生長和繁殖。E1～E4基因作為調(diào)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(guān)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(xiàn),這為育種者提供了選擇適應(yīng)特定環(huán)境的親本的依據(jù),從而提高了育種效率和精準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)的。THAKARE等[45]在2012年通過圖位克隆技術(shù)將E1基因定位到C2連鎖群的17.4 kb區(qū)域內(nèi),該區(qū)域僅含有一個候選基因。E1基因是一個非常關(guān)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(jié)合位點和核定位信號,而C端則是B3結(jié)構(gòu)域。研究人員發(fā)現(xiàn),E1基因僅在豆科植物中存在,是豆科作物所特有的轉(zhuǎn)錄因子[46]。在大豆E1基因的研究中已發(fā)現(xiàn)了一些與該基因相關(guān)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(guī)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(guān)注。這些基因通過不同的機制影響大豆對光周期的反應(yīng),從而調(diào)節(jié)其生育期。然而,這些基因在自然界中經(jīng)常發(fā)生突變,導(dǎo)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(dǎo)致部分功能喪失,使得部分突變蛋白無法進入細(xì)胞核以發(fā)揮其功能。這導(dǎo)致e1-as突變體的表型處于正常型和缺失突變體之間,表現(xiàn)為一種弱等位變異[47]。

另一方面,e1-nl基因型變異表現(xiàn)為染色體片段的缺失,缺失的130 kb區(qū)域中包含了整個E1基因。這種變異導(dǎo)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)e1-lb在富含紅光或富含遠(yuǎn)紅光的長日照條件下獨立于E1發(fā)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(yuǎn)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(guān)鍵成員,同樣在調(diào)控大豆的生育期方面發(fā)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(fā)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(xiàn)出早開花表型[54]。這些不同類型的E2基因會導(dǎo)致生育期的變化,具有E2基因的大豆品種通常表現(xiàn)出中等生育期,適合在多種環(huán)境條件下生長[55]。其中e2-ns基因型是由于編碼區(qū)中的4個單堿基變異導(dǎo)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(zhì),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(zhuǎn)化為化學(xué)能,從而影響植物的生長發(fā)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(nèi)含子中插入了一個長度為2 633 bp的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子,并在第三個外顯子處發(fā)生了突變,這導(dǎo)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(fā)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(xiàn)了13.33 kb的染色體缺失,導(dǎo)致組氨酸結(jié)構(gòu)域的功能發(fā)生改變,進而導(dǎo)致編碼蛋白功能的缺失。這一突變導(dǎo)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(diào)控相關(guān)的其他基因或調(diào)控元件,導(dǎo)致E3蛋白的功能受到影響[61]。同樣導(dǎo)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(xiàn)了移碼突變,導(dǎo)致翻譯提前結(jié)束,從而造成編碼蛋白功能的缺失[63]。

2.4 E4基因

在遺傳學(xué)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(fā)育調(diào)控中發(fā)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(qū)包含4個外顯子,由1 123個氨基酸組成。目前已發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)座子插入,導(dǎo)致編碼序列提前終止,產(chǎn)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(dǎo)致編碼蛋白的組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域缺失,而保留調(diào)控下游的PAS結(jié)構(gòu)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(dǎo)致組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域和PAS2結(jié)構(gòu)域均缺失[66-67]。

這些變異類型對大豆生育期的影響表現(xiàn)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(yīng)不同氣候和種植條件的大豆品種,提高產(chǎn)量和品質(zhì)。同時,這些研究也揭示了光周期和生長發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜機制,有助于深入了解植物的生長發(fā)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(chǎn)應(yīng)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(diào)控中扮演著重要角色。明確E1～E4基因功能,開發(fā)各自不同基因型的分子標(biāo)記,通過分子標(biāo)記輔助選育技術(shù),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(yù)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(shù)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(shù)、遺傳定位和功能基因鑒定方法的不斷發(fā)展,更多生育期基因被陸續(xù)克隆和鑒定。研究者對不同生育期基因的深入了解,可以結(jié)合常規(guī)育種技術(shù)更高效地開展分子育種,加速培育出生育期縮短、產(chǎn)量提高、抗逆性增強等聚集多種優(yōu)良農(nóng)藝性狀的品種。同時,通過研究生育期基因與環(huán)境因素的相互作用,可以更好地了解大豆對環(huán)境的適應(yīng)性。這將有助于研究者根據(jù)不同的氣候、土壤條件,優(yōu)化大豆的生長環(huán)境,提高大豆的產(chǎn)量和品質(zhì),為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更多的支持和幫助。