余晗，張紅香，袁珊

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130102；2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北京大豆生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)對(duì)于植物油及飼用蛋白的需求量持續(xù)增加。大豆(Glycinemax(L.)Merr.)是世界重要的高蛋白糧油兼用作物，為人類食物和動(dòng)物飼料提供60%左右的蛋白質(zhì)，為全球提供約30%的脂肪[1]。我國(guó)雖然是大豆的原產(chǎn)地，但大豆生產(chǎn)發(fā)展緩慢，單產(chǎn)水平較低，對(duì)國(guó)際大豆的依賴性很強(qiáng)，進(jìn)口量達(dá)總需求量的80%，占全球貿(mào)易量的65%以上[2]。因此，亟需培育高產(chǎn)品種，以滿足大豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求[3]。

提高大豆單產(chǎn)是我國(guó)現(xiàn)階段育種工作的關(guān)鍵目標(biāo)。大豆單產(chǎn)由單位面積株數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重共同決定。過去多年大豆審定品種的各項(xiàng)農(nóng)藝指標(biāo)對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)分析表明，單產(chǎn)增加的主要驅(qū)動(dòng)因素是單株粒數(shù)的增多，籽粒大小并不是育種選擇的首要性狀[4-5]。并非籽粒大小不重要，主要是植物自身通常會(huì)對(duì)籽粒的大小和數(shù)量進(jìn)行權(quán)衡，故傳統(tǒng)育種手段難以選擇兩者兼顧的優(yōu)良材料[6]。但近年來(lái)有研究表明，籽粒大小和數(shù)量控制基因是存在獨(dú)立進(jìn)化的，籽粒大小也受到定向選擇，因此，籽粒大小仍然是一個(gè)重要且有效的選擇性狀，有待深入挖掘[7-9]。大豆籽粒大小不僅是產(chǎn)量的主要構(gòu)成因素[10]，也是重要的外觀商品性狀[11-12]。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，小粒大豆百粒重一般為5～10 g[13]，可用于制作發(fā)酵大豆(納豆)和豆芽；大粒大豆一般大于25 g[13]，可用于菜用(毛豆)、制油以及大豆食品(豆?jié){、豆腐等)加工[14]。較大的籽粒不僅能為種子萌發(fā)代謝過程提供充足的能量，還可保障其在幼苗生長(zhǎng)過程中的競(jìng)爭(zhēng)力[15]。

植物種子(籽粒)通常是由二倍體胚、三倍體胚乳和種皮3部分組成，它們共同協(xié)調(diào)發(fā)育控制，最終決定種子的大小[16]。在擬南芥(Arabidopsisthaliana)和大豆(圖1)等雙子葉植物發(fā)育后期，胚消耗掉胚乳發(fā)育成成熟種子的主體，母本珠被發(fā)育成種皮，包被著胚和胚乳[17]。盡管胚乳細(xì)胞在成熟種子中只剩下一層，但胚乳的細(xì)胞分裂同種子的大小卻是直接相關(guān)的[18]。植物中調(diào)控籽粒大小的信號(hào)通路主要包括：泛素-蛋白酶途徑、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)途徑、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、G蛋白信號(hào)途徑、IKU通路和植物激素等[7,19-20]。其中，多個(gè)信號(hào)通路通過母本的種皮來(lái)控制籽粒大小，胚和胚乳的變化主要受到IKU通路和部分植物激素的調(diào)節(jié)影響，表觀遺傳修飾也起到一定作用[21]。籽粒大小作為典型的數(shù)量性狀，其遺傳特征和分子機(jī)制是復(fù)雜的。但在模式作物中，調(diào)節(jié)籽粒大小的多個(gè)因子功能保守，且隨著技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)分子標(biāo)記輔助選擇(Marker-assisted selection，MAS)、基因組選擇(Genomic selection，GS)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因組編輯技術(shù)等先進(jìn)的分子育種方法和技術(shù)具有打破大豆傳統(tǒng)育種壁壘，突破作物產(chǎn)量的潛力[22]。因此，籽粒大小性狀調(diào)控研究的應(yīng)用前景廣闊。

圖1 大豆籽粒發(fā)育階段示意圖(改編自Sundaresan等[23])Fig.1 Schematic diagram of developmental stages of soybean seeds(revised from Sundaresan et al[23])

本文從定位調(diào)控籽粒大小基因的技術(shù)方法和籽粒大小調(diào)控分子機(jī)制兩方面綜述了近年來(lái)有關(guān)大豆籽粒大小性狀調(diào)控的研究進(jìn)展，以期為未來(lái)大豆籽粒大小分子育種研究提供理論參考。

1 定位與克隆調(diào)控大豆籽粒大小基因的技術(shù)方法

在過去的20多年里，隨著全基因組關(guān)聯(lián)分析(Genome-wide association，GWAS)、分子遺傳標(biāo)記和數(shù)量性狀位點(diǎn)(Quantitative trait loci，QTL)連鎖分析(Linkage analysis)、轉(zhuǎn)基因工程和基因編輯技術(shù)創(chuàng)制突變體材料等多種技術(shù)的興起，國(guó)內(nèi)外研究者借助上述方法逐步解碼大豆種子發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制。其中，大豆遺傳圖譜的建立和分子標(biāo)記技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了對(duì)大豆群體中重要數(shù)量性狀QTL的鑒定。通過遺傳圖譜的構(gòu)建和QTL定位分析方法，使研究人員能夠鑒定大豆中與籽粒大小相關(guān)的調(diào)控遺傳變異QTL數(shù)量[24]，對(duì)于大豆高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)育種具有重要的指導(dǎo)意義。

目前已報(bào)道與大豆籽粒重相關(guān)的QTL位點(diǎn)309個(gè)(www.soybase.org)，但大多數(shù)位點(diǎn)未得到功能驗(yàn)證。利用大豆雙親后代分離群體進(jìn)行的QTL定位方法中，低密度標(biāo)記的數(shù)量通常足以覆蓋不同定位群體，從而鑒定出大量與目標(biāo)性狀關(guān)聯(lián)的QTL。其中，將連鎖分析和全基因組關(guān)聯(lián)分析兩種強(qiáng)大的工具聯(lián)合共同研究籽粒大小表型差異和潛在QTL位點(diǎn)的關(guān)系是現(xiàn)階段卓有成效的研究方式(表1)。

1.1 連鎖分析

連鎖分析是以遺傳連鎖圖譜為基礎(chǔ)，以往的研究多采用籽粒大和籽粒小的親本組合創(chuàng)建高代群體，后代產(chǎn)生籽粒大小性狀的分離，一般采用單區(qū)間作圖法(Interval mapping，IM)、復(fù)合區(qū)間作圖法(Composite interval mapping，CIM)和完備區(qū)間作圖法(Inclusive composite interval mapping，ICIM)等進(jìn)行數(shù)量性狀的表型值與分子標(biāo)記間的連鎖分析。若研究具有足夠的樣本大小，結(jié)果通常具有較高的精度，目前已通過連鎖分析方法鑒定出大量大豆籽粒大小/重量相關(guān)的QTL[25-36](表1)。

早在1996年，Mian等[25]就利用兩對(duì)親本組合Young(高產(chǎn)品種)×PI416937(抗旱品種)和COKER23(大籽粒)×PI9710(小籽粒)分別雜交形成的120個(gè)F4群體和111個(gè)F2群體對(duì)大豆粒重進(jìn)行QTL分析，分別發(fā)現(xiàn)了7個(gè)和9個(gè)QTL與大豆粒重相關(guān)，然而，并未檢測(cè)到這些F4群體和F2群體有交集的QTL。在眾多的研究中，Kato等[26]采用的親本品種中的籽粒百粒重最大(百粒重35.6 g)，實(shí)驗(yàn)以來(lái)自美國(guó)和日本的大豆品種Ohsuzu(百粒重32.7 g)×Athow(百粒重19.2 g)和Stressland(百粒重16.3 g)×Tachingagaha(百粒重35.6 g)分別雜交獲得重組自交系，確定了2個(gè)群體內(nèi)11條染色體上共15個(gè)與百粒重顯著相關(guān)的QTL，其中17號(hào)染色體中的qSw17-1在兩個(gè)群體以及多個(gè)環(huán)境下均被檢測(cè)到對(duì)百粒重有顯著影響，此位點(diǎn)可用于分子標(biāo)記輔助選擇，并可作為未來(lái)候選基因鑒定的靶向QTL。而Karikari等[27]采用的親本品種中的籽粒百粒重最小(1.33 g)，此研究以大豆品種南農(nóng)493-1(百粒重17.4 g)和野生大豆品系PI 342618B(百粒重1.3 g)為材料，通過單粒親本(SSD)法獲得了一個(gè)由161個(gè)親本組成的種間RIL群體，通過高密度種間連鎖圖譜，在4個(gè)環(huán)境中檢測(cè)到8個(gè)多環(huán)境下穩(wěn)定的百粒重QTLs。其中qSW-17-1和qSW-17-4為主效QTL(R2>10%)，并預(yù)測(cè)5個(gè)穩(wěn)定QTL內(nèi)的29個(gè)基因可能是調(diào)控大豆粒重/粒大小的候選基因。在鑒定的QTL數(shù)量上，Liu等[28]以Zhongpin03-5373和中黃13雜交的F8重組自交系群體(RIL)鑒定出最多的相關(guān)QTL(18個(gè))。

以往對(duì)大豆籽粒大小連鎖分析鑒定出的QTL數(shù)量并未與其子代群體大小成正比，這可能與每個(gè)研究采用的親本組合、群體代數(shù)和分析方法有關(guān)。在不同的遺傳背景和環(huán)境下，前期的研究主要集中在對(duì)大豆籽粒大小/重量主效QTL的鑒定上。然而，很多研究并未找到主效QTL且在理解復(fù)雜的遺傳相互作用效應(yīng)(如上位性和環(huán)境效應(yīng))方面仍需要深入的探究。

1.2 關(guān)聯(lián)分析

除了利用連鎖分析對(duì)大豆粒大小/粒重進(jìn)行QTL定位之外，全基因關(guān)聯(lián)分析也被應(yīng)用到相關(guān)基因的定位挖掘之中。關(guān)聯(lián)分析是以自然群體或種質(zhì)資源為研究對(duì)象，以連鎖不平衡為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)百萬(wàn)計(jì)SNP分子遺傳標(biāo)記，對(duì)目標(biāo)性狀的遺傳因素進(jìn)行相關(guān)性分析。相比于連鎖分析，關(guān)聯(lián)分析具有快速、高通量、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，在大豆種質(zhì)資源選擇群體中鑒定出對(duì)種子質(zhì)量有顯著影響的QTL[37-42](表1)，這些位點(diǎn)和候選基因?yàn)檫M(jìn)一步研究大豆籽粒大小相關(guān)性狀的調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

表1 大豆籽粒大小/重量相關(guān)數(shù)量性狀基因座Table 1 The quantitative trait loci of soybean seed size or weight

關(guān)聯(lián)分析不需要構(gòu)建專門的作圖群體，以往研究多采用一般線性模型(General linear model，GLM)和混合線性模型(Mixed linear model，MLM)方法。Copley等[37]采用的大豆引種株系數(shù)量最少(86個(gè))，此研究利用基因分型測(cè)序和微陣列方法，發(fā)現(xiàn)31 283個(gè)連鎖不平衡SNPs，GWAS分析檢測(cè)到5個(gè)與百粒重相關(guān)的基因位點(diǎn)。而Zhang等[38]采用的大豆種質(zhì)資源材料數(shù)量最多(309份)，此研究利用31 045個(gè)SNPs進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明與粒重相關(guān)的位點(diǎn)有22個(gè)，其中在Chr4和Chr19上呈現(xiàn)熱點(diǎn)，且這些位點(diǎn)的混合模型解釋了83.4%的表型變異。在鑒定出的QTL數(shù)量上，Li等[39]通過對(duì)133個(gè)大豆地方品種的82187個(gè)SNPs連續(xù)兩年的數(shù)據(jù)進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，檢測(cè)到最多的百粒重相關(guān)位點(diǎn)(63個(gè))。此外，Li等[40]的研究除了鑒定出了21個(gè)與種子大小性狀相關(guān)的位點(diǎn)之外，又在第9染色體上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的基因座SW9-1，該基因座解釋了10.05%～10.93%的種子重量變異與種子大小性狀的顯著相關(guān)。

大豆籽粒大小屬于典型的數(shù)量性狀，受不同的遺傳因素控制，存在多個(gè)主效QTL位點(diǎn)。以往的研究結(jié)果為大豆籽粒大小相關(guān)基因精細(xì)定位、編輯和分子機(jī)制研究奠定了基礎(chǔ)。雖然定位到大量籽粒大小和百粒重的QTLs，然而現(xiàn)階段卻很少在大豆育種項(xiàng)目中直接應(yīng)用，究其原因可能是：其一，對(duì)已篩選出的眾多基因具體功能了解不明確，仍需深入研究；其二，很多的QTL定位區(qū)間并沒有精細(xì)化，其位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主效基因及基因效應(yīng)在很大程度上仍然未知；其三，因籽粒大小與籽粒數(shù)量存在權(quán)衡關(guān)系，作用于大豆籽粒大小上的基因可能并未對(duì)大豆育種工作提供產(chǎn)量和品質(zhì)整體上的改進(jìn)。因此，對(duì)這些基因進(jìn)行更明確的功能研究，更完善的效率評(píng)估和進(jìn)一步工程化利用將會(huì)是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

2 大豆籽粒大小調(diào)控分子機(jī)制研究進(jìn)展

目前大豆有多個(gè)基因被鑒定參與籽粒大小和粒重的調(diào)控過程(表2)。其中，鑒定出的部分基因與種皮、胚和胚乳發(fā)育相關(guān)，而部分基因與植物激素相關(guān)，都在大豆籽粒大小調(diào)控中發(fā)揮重要作用(圖2)，這些研究確定了多個(gè)可以提高大豆籽粒大小/重量的優(yōu)良等位基因，未來(lái)或許可以通過引入該類等位基因改善大豆作物的產(chǎn)量，而部分基因的分子作用機(jī)理及調(diào)控部位仍需更多的探索。

表2 大豆籽粒大小/重量發(fā)育相關(guān)的基因Table 2 Genes associated with the development of soybean seed size/weight

2.1 大豆種皮發(fā)育調(diào)控

大豆中已被鑒定出許多基因通過調(diào)控種皮的發(fā)育過程來(lái)影響其籽粒大小。KLUH/CYP78A編碼蛋白細(xì)胞色素P450(CYP450)，通過控制珠被發(fā)育過程的細(xì)胞增殖，從而決定種皮的生長(zhǎng)潛力，正向調(diào)控種子大小[43-46]。大豆中含有2個(gè)CYP78A10同源基因(GmCYP78A10a和GmCYP78A10b)，分別存在于野生大豆和栽培大豆中，其中GmCYP78A10b與大豆粒重和形狀更為相關(guān)[47]。此外，CYP78A5在大豆中的同源基因GmCYP78A57、GmCYP78A70、GmCYP78A72[48-49]和GmCYP78A5[50]能夠正向調(diào)控籽粒大小/粒重。GmCYP78A72在綠色豆莢和子房中表達(dá)，且過表達(dá)后籽粒大小明顯增加，但敲除該基因后籽粒并沒有變小。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GmCYP78A57、GmCYP78A70和GmCYP78A72三者在籽粒大小發(fā)育中共同作用且功能可能存在冗余[48]。對(duì)大豆GmCYP78A5過表達(dá)發(fā)現(xiàn)，其轉(zhuǎn)基因植株籽粒大小顯著增大[50]。此外，宿洋等[51]發(fā)現(xiàn)4個(gè)與大豆籽粒大小/粒重相關(guān)基因，其中Glyma.13G261700含有P450蛋白結(jié)構(gòu)域，通過參與次生代謝物的生理過程影響大豆籽粒大小/粒重。以上結(jié)果表明，KLUH/CYP78A信號(hào)通路在植物個(gè)體發(fā)育過程中對(duì)種子大小的調(diào)節(jié)發(fā)揮關(guān)鍵作用，同時(shí)也為植物進(jìn)化中種子大小的調(diào)節(jié)提供了可能的靶點(diǎn)，在作物改良方面具有很大的潛力。然而，CYP78A亞家族基因的調(diào)控通路和作用機(jī)理仍需更多的研究。

以往研究發(fā)現(xiàn)，泛素蛋白受體DA1能夠通過調(diào)控母本種皮內(nèi)細(xì)胞的增殖負(fù)調(diào)控種子的大小。泛素特異性蛋白酶15(UBP15)是一種去泛素化酶，作為下游靶點(diǎn)與DA1作用發(fā)生裂解從而促進(jìn)細(xì)胞增殖和種子生長(zhǎng)，ubp15/sod2突變體由于細(xì)胞增殖減少而產(chǎn)生小的種子和器官[52]，進(jìn)一步驗(yàn)證了UBP15對(duì)種子大小的正向調(diào)控作用。大豆基因Glyma.13G259700為擬南芥UBP15/SOD2基因的同源基因，編碼泛素水解酶，參與無(wú)機(jī)離子的轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝等生理活動(dòng)，正向調(diào)控大豆籽粒大小/粒重[51]。

注：黑色箭頭代表種皮發(fā)育調(diào)控過程，藍(lán)色箭頭代表胚/胚乳發(fā)育調(diào)控過程，紅色箭頭代表植物激素相關(guān)調(diào)控過程，灰色箭頭代表未知位置的調(diào)控過程。BR代表油菜素內(nèi)酯，GAs代表赤霉素，ABA代表脫落酸。Note:The black arrow represents the process of seed coat development;the blue arrow represents the process of embryo/endosperm development;the red arrow represents the process of plant hormone related regulation;and the gray arrow represents the process of unknown location regulation.BR means brassinosteroid,GAs means gibberellin,ABA means abscisic acid.圖2 大豆籽粒大小/重量調(diào)控網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Soybean seed size/weight regulation network

栽培大豆在馴化過程中可能會(huì)失去一些有用的基因位點(diǎn)。通過對(duì)栽培大豆品種的分析發(fā)現(xiàn)，40%的栽培大豆品種不存在PP2C-1等位基因，而PP2C-1(Glyma.17g33690)被證實(shí)有助于大豆籽粒大小/重量的增加[53]，其與油菜素內(nèi)酯(BR)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子GmBZR1關(guān)聯(lián)，并促進(jìn)GmBZR1去磷酸化的積累，增強(qiáng)珠被細(xì)胞大小和激活種子性狀相關(guān)基因。轉(zhuǎn)基因PP2C-1顯著增加大豆籽粒大小和粒重[53]。這說(shuō)明該等位基因的引入可以對(duì)一些品種進(jìn)行改良。通過分子輔助育種應(yīng)用該等位基因可能會(huì)增加大豆和其他豆類作物的產(chǎn)量。

前期研究發(fā)現(xiàn)，粒長(zhǎng)相關(guān)調(diào)控基因GL7/GW7/SLG7控制水稻粒級(jí)方面的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，可使啟動(dòng)子突變或拷貝數(shù)增加，調(diào)控母本組織產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)籽粒，正向調(diào)控粒級(jí)，并且在長(zhǎng)粒品種中擁有更高的表達(dá)量[54]。大豆基因Glyma.05G019800作為GW7的同源基因能夠編碼某未知功能蛋白，在單細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮作用，影響大豆百粒重[51]。粒重相關(guān)調(diào)控基因GW6a也參與了水稻粒大小基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，GW6a通過編碼組蛋白H4乙酰轉(zhuǎn)移酶(OsglHAT1)，正向調(diào)控籽粒大小[55]。提高GW6a的表達(dá)量，小穗殼細(xì)胞分裂增加，籽粒灌漿速度增強(qiáng)，進(jìn)一步增加了粒重和產(chǎn)量[55]。在大豆中發(fā)現(xiàn)GW6a的同源基因Glyma.07G022800，此基因能夠編碼乙?；D(zhuǎn)移酶，參與氨基酸的運(yùn)輸和代謝等生理活動(dòng)，從而對(duì)大豆籽粒大小發(fā)揮正向調(diào)控作用[51]。

蔗糖的運(yùn)輸是通過韌皮部傳遞到種子，是種子發(fā)育碳能量的主要來(lái)源，在許多物種的種子發(fā)育中起著關(guān)鍵作用[56]。已有研究表明，SWEET蛋白在光合作用合成的糖從葉肉細(xì)胞向種子的轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮重要作用，從而影響種子的結(jié)實(shí)率、灌漿率和組成[57-58]。GmSWEET10a和GmSWEET10b具有調(diào)控籽粒大小、含油量和蛋白質(zhì)含量的功能[59]，同時(shí)敲除GmSWEET15a和GmSWEET15b會(huì)導(dǎo)致極高的種子敗育率[59]，但在調(diào)控大豆籽粒大小發(fā)育方面可能存在功能冗余。GmSWEET10a和GmSWEET10b基因能夠在種皮中特異性表達(dá)[60]，將蔗糖和己糖從種皮組織運(yùn)輸?shù)脚咛ヒ鹋咛ゼ?xì)胞分裂和擴(kuò)張，從而產(chǎn)生更大的種子，進(jìn)入胚胎的糖運(yùn)輸增加導(dǎo)致脂質(zhì)合成所需碳資源的增加。

上述基因在種皮發(fā)育調(diào)控過程中均具有正向調(diào)控作用，但還有一些基因發(fā)揮負(fù)向調(diào)控籽粒大小的作用。在研究KIX-PPD-MYC-GIF1信號(hào)通路的過程中發(fā)現(xiàn)了可調(diào)控種子大小和重量的新機(jī)制，研究揭示了KIX8/9、PPD1/2、MYC3/4和GIF1在控制種子大小的共同途徑中發(fā)揮的重要作用[61]。調(diào)節(jié)因子GRF-INTERACTING FACTORs(GIF1/2/3)是一組轉(zhuǎn)錄共激活因子，與生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子相互作用，GIF1通過調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和生長(zhǎng)來(lái)控制器官的發(fā)育[62-63]。PEAPODs(PPD1/2)屬于TIFY II類蛋白家族，控制葉片發(fā)育、種子生長(zhǎng)和萌發(fā)等[64]。KIX-PPD-MYC復(fù)合物與GIF1啟動(dòng)子中典型的G-box序列相結(jié)合并抑制其表達(dá)，影響珠被內(nèi)細(xì)胞的增殖和延伸，負(fù)向調(diào)控種子大小[61]。同時(shí)該研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物大豆和紫花苜蓿中PPD同源基因的功能喪失增加了種子的大小和重量以及葉片的大小[65]。這些研究表明：KIX-PPD-MYC-GIF1信號(hào)通路可在大豆中進(jìn)行進(jìn)一步研究，并且未來(lái)有望應(yīng)用這些基因提高作物產(chǎn)量。

2.2 大豆胚或胚乳發(fā)育調(diào)控

一些轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子可通過調(diào)控胚的發(fā)育過程控制籽粒大小，如BIGSEEDS1(BS1)在豆類植物種子大小發(fā)育過程中起著重要作用，BS1可編碼一種植物特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子—TIFY，進(jìn)而控制植物器官如豆莢、葉片和種子的大小。當(dāng)大豆BS1同源基因被抑制時(shí)，會(huì)使種子大小增加[65]。在mtbs1-1突變體中，生長(zhǎng)互作因子GIF、調(diào)節(jié)因子GRF和核心細(xì)胞周期基因的表達(dá)都得到增強(qiáng)，胚的大小顯著增加[65]。以上結(jié)果表明：BS1是與胚胎細(xì)胞增殖相關(guān)的負(fù)調(diào)控因子。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)DREB型轉(zhuǎn)錄因子基因GmDREBL在種子積累油脂過程中起重要作用[66]。GmDREBL定位于細(xì)胞核，具有轉(zhuǎn)錄激活能力，可以結(jié)合到WR1的啟動(dòng)子區(qū)域激活其表達(dá)。在擬南芥過表達(dá)GmDREBL后，發(fā)現(xiàn)其在擬南芥雄蕊、胚和子葉器官中特異性表達(dá)，種子大小明顯增加。且DREBL在栽培大豆中的平均表達(dá)水平高于野生大豆，這表明DREBL的啟動(dòng)子可能在大豆馴化過程中被特異性選擇。

2.3 植物激素調(diào)控相關(guān)基因挖掘

部分基因通過調(diào)控植物激素的合成和代謝影響籽粒發(fā)育。例如，GmGA20OX基因編碼赤霉素氧化酶GA-20 oxidase，位于大豆籽粒重量位點(diǎn)QTL-seed weight10-11，與籽粒百粒重呈顯著相關(guān)[67]，擬南芥AtGA20OX與其同源。作為一種多功能酶，GA20OX具有調(diào)節(jié)赤霉素(GA)合成和代謝的作用，在植物發(fā)育和生理過程中起著重要的調(diào)控作用。過表達(dá)GmGA20OX基因后發(fā)現(xiàn)籽粒大小和粒重增加，說(shuō)明GmGA20OX具有正向調(diào)控籽粒大小的作用[67]。

大豆Glyma.02G115900基因能夠編碼14-3-3蛋白，該蛋白具有調(diào)控赤霉素(GAs)、脫落酸(ABA)和油菜素內(nèi)酯(BR)生物合成的作用，參與調(diào)控植物信號(hào)途徑，影響籽粒發(fā)育。比如，14-3-3蛋白可以負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄激活因子RSG，后者通過控制前者胞內(nèi)定位，參與調(diào)節(jié)內(nèi)源性赤霉素(GAs)的數(shù)量[68]；14-3-3結(jié)合體可以有效抑制磷酸化BR轉(zhuǎn)錄因子BZR1和BZR2，進(jìn)而調(diào)節(jié)BR的基因表達(dá)[69]；14-3-3蛋白質(zhì)與ABA響應(yīng)元件(ABRE)結(jié)合因子HvABF1/2/3相互作用，也與ABA響應(yīng)激酶PKABA1相互作用，進(jìn)而影響ABA和GA的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控ABA和GA之間的平衡[70]。然而，Glyma.02G115900通過影響14-3-3進(jìn)而調(diào)控植物激素的多種作用通路比較復(fù)雜，仍需進(jìn)一步的探索研究。

細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶(CWI)和液泡轉(zhuǎn)化酶(VI)被認(rèn)為是糖代謝和糖信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要參與者，影響植物對(duì)環(huán)境變化的反應(yīng)。其中細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶(CWI)在植物中發(fā)揮多種信號(hào)和代謝功能。抑制兩種轉(zhuǎn)化酶抑制劑GmCIF1和GmC/VIF2，將會(huì)導(dǎo)致種子產(chǎn)量增加[71]。Tang等[72]也報(bào)道了兩種轉(zhuǎn)化酶抑制劑GmCIF1和GmC/VIF2在大豆中通過異源表達(dá)在體外具有抑制活性。轉(zhuǎn)錄分析顯示，它們主要在發(fā)育中的種子和ABA的響應(yīng)中表達(dá)。沉默GmCIF1后，成熟種子的CWI通過微調(diào)蔗糖代謝和庫(kù)強(qiáng)度的過程活性顯著提高，種子重量增加，并增加了己糖、淀粉和蛋白質(zhì)的積累[72]，表明GmCIF1在大豆籽粒重量方面具有負(fù)向調(diào)控的作用。

大豆當(dāng)中還有一些基因可以通過調(diào)控其他代謝產(chǎn)物從而影響大豆種子大小，如大豆GmFAD3基因，Ω-3脂肪酸去飽和酶(FAD3)參與茉莉酸(JA)脂肪酸和的生物合成。大豆gmfad3沉默的植物會(huì)積累更高水平的JA，從而提高了大豆對(duì)菜豆莢斑駁病毒(BPMV)的敏感性，產(chǎn)出更大、更重的種子[73]。

2.4 其它基因調(diào)控

栽培大豆是由野生大豆不斷馴化而來(lái)，一般具有更大的籽粒。了解栽培大豆和野生大豆性狀分化背后的基因組差異有助于大豆的栽培和遺傳改良。對(duì)不同大豆群體WRKY的表現(xiàn)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)SoyWRKY15a在野生大豆群體中的表達(dá)量與籽粒大小呈正相關(guān)[74]。GmWRKY15a(栽培大豆)和GsWRKY15a(野生大豆)在編碼區(qū)的序列完全相同，而在5′非翻譯區(qū)(5′UTR)CT的重復(fù)數(shù)目不同，且籽粒中前者表達(dá)量更高，通過表達(dá)量差異調(diào)控不同單倍型變異，從而影響籽粒大小[74]。WRKY家族的WRKYTF基因TRANSPARENT TESTA GLABRA 2(TTG2)和MINISEED 3(MINI3)已經(jīng)被證實(shí)在擬南芥中具有調(diào)節(jié)種子大小的功能[16,75]。在ttg2突變體植株中，TTG2的功能缺失導(dǎo)致表皮細(xì)胞伸長(zhǎng)受到限制，影響胚乳和種子的生長(zhǎng)[16]。MINI3則被證實(shí)能夠與細(xì)胞分裂素氧化酶2(CKX2)啟動(dòng)子結(jié)合，激活CKX2的表達(dá)，調(diào)節(jié)胚乳的生長(zhǎng)[75]。然而對(duì)SoyWRKY15a在大豆中的表達(dá)位置和具體調(diào)控通路仍需要更多的研究。

在對(duì)大豆籽粒大小研究的過程中，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的作用不可或缺。目前，我國(guó)已成為除美國(guó)之外最大的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品研發(fā)國(guó)家，創(chuàng)造并取得了耐除草劑大豆、抗蟲大豆等優(yōu)異功能性品種的安全證書[76]，這些進(jìn)步勢(shì)必會(huì)為大豆品種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供強(qiáng)大支撐。Liu等把一種來(lái)自嗜鹽菌的肌醇多磷酸激酶基因-ThIPK2通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移到大豆中，轉(zhuǎn)化大豆植株顯著提高了種子大小和抗逆性等[77]。Wang等[78]研究發(fā)現(xiàn)，與Col-0(野生型)大豆相比，轉(zhuǎn)基因GmDof4和轉(zhuǎn)基因GmDof11的種子大小和重量略大，這表明GmDof4和GmDof11兩個(gè)基因與大豆籽粒重量密切相關(guān)，并具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3 研究展望

大豆是古四倍體演變而來(lái)的二倍體作物，基因組的復(fù)雜性給大豆分子設(shè)計(jì)育種帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。大豆全基因組測(cè)序的完成和生物學(xué)信息庫(kù)的完善，將積極助力大豆重要農(nóng)藝性狀的分子設(shè)計(jì)育種工作。目前大豆籽粒大小分子調(diào)控研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍有較大擴(kuò)展空間，以下幾個(gè)方面是亟待解決的問題：

3.1 挖掘籽粒大小相關(guān)基因及其功能驗(yàn)證

隨著分子生物學(xué)技術(shù)與數(shù)量遺傳學(xué)的發(fā)展，定位方法逐漸精細(xì)準(zhǔn)確，大豆籽粒發(fā)育相關(guān)QTL數(shù)量不斷增加，但由于多基因控制性狀在遺傳上的復(fù)雜性及與環(huán)境的互作關(guān)系，相關(guān)QTL定位成果仍較難直接用于指導(dǎo)分子標(biāo)記輔助選擇育種。目前已經(jīng)得到驗(yàn)證的可調(diào)控大豆籽粒大小/重量的基因與QTL粒重位點(diǎn)相重合的僅有GmGA20OX，未來(lái)需要在模式作物籽粒大小相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，增加大豆品種和環(huán)境檢測(cè)的數(shù)量，以獲得穩(wěn)定遺傳的QTL位點(diǎn)，挖掘及克隆更多區(qū)間內(nèi)可控性狀的單個(gè)候選基因，將為大豆籽粒大小調(diào)控研究提供更重要的基因資源。

3.2 解析大豆籽粒大小分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前研究中，對(duì)大豆籽粒大小的調(diào)控途徑研究尚未形成系統(tǒng)的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。采用反向遺傳學(xué)方法發(fā)現(xiàn)的很多基因在調(diào)控機(jī)制方面研究的不夠深入，如基因GmDof4、GmDof11、ThIPK2等，這些已經(jīng)被證明和籽粒大小相關(guān)，但未來(lái)還需要深入解析這些基因的生物學(xué)功能。某些具有負(fù)向調(diào)控作用的基因如BIGSEEDS1和GmCIF1，可采用基因敲除的方法解析發(fā)育調(diào)控機(jī)制。在不影響籽粒品質(zhì)的前提下，解析出的基因?qū)?huì)對(duì)大豆高產(chǎn)設(shè)計(jì)育種提供重要的分子靶點(diǎn)。未來(lái)借助基因組學(xué)、轉(zhuǎn)基因和基因編輯技術(shù)研究基因的作用機(jī)理，確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的調(diào)控因子，理清各基因與籽粒大小的互作網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)對(duì)大豆高產(chǎn)設(shè)計(jì)育種提供重要的分子靶點(diǎn)。

3.3 分子設(shè)計(jì)育種定向培育適宜籽粒大小新種質(zhì)

籽粒大小性狀受多位點(diǎn)調(diào)控，是大豆單產(chǎn)的重要組成部分。國(guó)內(nèi)目前已有多個(gè)高產(chǎn)大粒栽培大豆品種如綏農(nóng)49(百粒重29.1 g，平均產(chǎn)量3 046 kg·hm-2)、中黃37(百粒重27.3 g，平均產(chǎn)量3 222 kg·hm-2)、嫩豐16號(hào)(百粒重25～27 g，平均產(chǎn)量2 600～3 000 kg·hm-2)等。在植物當(dāng)中，種子大小和數(shù)量存在一定權(quán)衡[6]，在特定的資源下，小種子型植株傾向于產(chǎn)生更多的數(shù)量[79-80]。小粒大豆相對(duì)于大粒大豆產(chǎn)量偏低[81]，但小粒大豆能夠保持野生大豆(Glycinesoja)的某些優(yōu)良品質(zhì)，更容易出苗保苗，灌漿速度更快，受天氣等不利影響小，耐密植，穩(wěn)產(chǎn)性強(qiáng)。如小粒品種吉育105(百粒重9.2 g，平均產(chǎn)量2 360 kg·hm-2)，吉育108(百粒重9.2 g，平均產(chǎn)量2 142 kg·hm-2)，吉林小粒6號(hào)(百粒重9.0 g，平均產(chǎn)量2 228 kg·hm-2)等都具有穩(wěn)產(chǎn)高抗的特點(diǎn)。因此，研究籽粒大小大豆的發(fā)育調(diào)控機(jī)制，對(duì)不同用途大豆的育種工作具有重要意義。利用全基因組選擇技術(shù)、基因組編輯技術(shù)、人工智能和生物合成等前沿技術(shù)，對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行定向改造，培育出具有特定功能、品質(zhì)和產(chǎn)量與籽粒大小相適宜的新種質(zhì)，將會(huì)是未來(lái)大豆育種實(shí)踐過程中的重要目標(biāo)。