大豆是一種典型的短日照植物，光周期敏感性阻礙了大豆種質(zhì)資源在地理區(qū)域的利用。當(dāng)生長(zhǎng)在溫帶地區(qū)時(shí)，熱帶大豆通過(guò)延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和推遲開花及成熟來(lái)應(yīng)對(duì)延長(zhǎng)的白晝長(zhǎng)度，這將會(huì)延長(zhǎng)收獲時(shí)間。因此修改亞熱帶和熱帶大豆品種的日照適應(yīng)性有利于溫帶地區(qū)引入良好農(nóng)藝性狀的大豆品種。
近日，先正達(dá)集團(tuán)作物種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在知名期刊Plant Biotechnology Journal上發(fā)表了題為“Editing the nuclear localization signals of E1 and E1Lb enables the production of tropical soybean in temperate growing regions”的研究論文，該研究在亞熱帶大豆品種中對(duì)生育期基因E1及其同源基因E1Lb進(jìn)行基因編輯，創(chuàng)制了一系列新種質(zhì)，縮短了開花時(shí)間和成熟時(shí)間，并確定了它們適合栽培的緯度區(qū)。
不同E1/E1Lb 突變體組合表現(xiàn)出不同程度的開花期縮短
研究表明大豆的生育期基因E1通過(guò)控制大豆的開花時(shí)間、成熟時(shí)間和開花后結(jié)莢習(xí)性來(lái)響應(yīng)光周期。研究團(tuán)隊(duì)以亞熱帶大豆品種06KG218440為材料，通過(guò)CRISPR-Cas12a的gRNA靶向E1和E1Lb的保守核定位信號(hào)（NLS）的第二基本結(jié)構(gòu)域，獲取了具有不同E1/E1Lb突變組合的8個(gè)單突或雙突編輯系，根據(jù)突變方式將基因型分為功能缺失、框內(nèi)缺失和替換。不同基因突變株系的開花時(shí)間比較結(jié)果說(shuō)明，E1和E1Lb的框內(nèi)缺失或替換突變可以產(chǎn)生具有部分功能的弱等位基因。此外亞細(xì)胞定位結(jié)果表明NLS第二個(gè)基本結(jié)構(gòu)域的突變減少了E1和E1Lb的核定位。溫室條件下，不同E1/E1Lb突變體組合由于加性效應(yīng)和部分功能等位基因，發(fā)生了不同程度的光周期敏感性降低和開花時(shí)間縮短。此外開花時(shí)間縮短的突變體表現(xiàn)出成熟時(shí)間縮短和株高降低和一定的產(chǎn)量下降。定量結(jié)果表明不同突變組合的開花時(shí)間與開花抑制基因GmFT1a/FT4，促花基因GmFT2a/GmFT5a和AP1基因的表達(dá)水平密切相關(guān)，株高降低與DT1的表達(dá)水平變化趨勢(shì)一致。在三個(gè)低、中、高緯度溫帶地區(qū)的田間適應(yīng)性試驗(yàn)中，不同E1/E1Lb突變體組合顯示出一系列縮短的開花時(shí)間，隨著緯度的增加，每種材料的開花時(shí)間均有所延遲，但光周期不敏感性與不同光周期下的趨勢(shì)一致。因此在不同溫帶地區(qū)可以篩選出最佳成熟時(shí)間和產(chǎn)量的大豆株系。
此研究通過(guò)編輯開發(fā)不同的E1/E1Lb突變體組合的方法，獲得了一系列新的遺傳組合，縮短了開花時(shí)間和成熟期。該方法可用于豐富大豆育種庫(kù)，并可將不同大豆品種的種植區(qū)域擴(kuò)展到更高緯度地區(qū)。NLS編輯產(chǎn)生的部分功能等位基因有助于解決平衡效應(yīng)，為亞熱帶和熱帶大豆種質(zhì)向溫帶地區(qū)轉(zhuǎn)移提供了一種可行的方法。
—— 原文 ——
Gao, Y., Zhang, Y., Ma, C., et al. Editing the nuclear localization signals of E1 and E1Lb enables the production of tropical soybean in temperate growing regions[J]. Plant Biotechnology Journal (2024).