揭开大豆光周期的奥秘,将推动我国大豆种植边界的前移和种植面积的扩大

自上世纪20年代,科学家们以大豆等作物为材料发现光周期现象近百年来,人们对该现象的研究在模式作物拟南芥及水稻中取得了一系列的突破性进展。而在大豆中,因未能克隆出控制光周期反应及生育期的功能基因,相关研究进展缓慢。近日,《中国科学报》记者从中科院东北地理与农业生态研究所获悉,该所研究人员已经完成大豆几个主要生育期基因E1、E2、E3、E4的克隆,将有望揭开大豆光周期的奥秘。

大豆光周期研究的重大突破

光周期现象是生物对昼夜光暗循环格局的反应。大多数一年生植物的开花决定于每日日照时间的长短。此前,科学家通过遗传学方法明确了大豆生育期位点E1至E8及J等位点,其中E1、E3、E4及E7与大豆光周期反应密切相关。近来,东北地理与农业生态所的大豆分子育种团队与国外研究者进行相关合作,已经完成了对大豆几个主要生育期基因E1、E2、E3、E4的克隆。

“大豆生育期基因的克隆具有重要的理论与实践意义。几个主要功能基因的明确,为人们最终揭开大豆光周期反应的神秘面纱提供了重要保证与可能。”东北地理与农业生态研究所大豆分子育种实验室研究员夏正俊向《中国科学报》记者介绍道。在理论上,大豆生育期基因的克隆不仅为研究大豆光周期反应的机理打下了坚实的基础,使研究有了明确目标,同时也开启了不断深入了解大豆光周期反应本质的第一步。

在农业生产实践上,人们以前是通过在不同地区种植大豆品种,并根据其田间的观察,如开花期或成熟期表型的变化来确定品种的表型反应特性。

“随着主要生育期基因的成功克隆,为未来通过分子育种来定向培育品种的生育期打下基础,也为克隆更多微小生育期基因铺平了道路。总之,大豆生育期基因的成功克隆是我国科学家对大豆光周期反应的重要贡献。”夏正俊说。

克隆成功背后的“血泪史”

此次克隆如此众多的大豆生育期基因,科研人员付出了怎样的努力?不夸张地说,每一个基因的成功克隆,“背后都有一部血泪史”。

通过图谱位来克隆大豆中的功能基因是一个痛苦而漫长的过程。在已克隆的基因中,相关工作早已在大豆基因组序列发表前就已进行,并遇到了这样的问题:有用的分子标记少,群体数量少,即想获得的重组体的数量不足,这导致所定位的区间在长时间内得不到有效地缩短。

“比如我主要参加的E1基因的克隆。”他说。E1基因是大豆中影响开花的最主要的功能基因,但是由于这个基因处于大豆第六染色体的着丝粒附近,重组率极低。

科研人员开始用了1400多个个体,只将E1定位到近300kb区域,此区间还有近40个基因。因此,他们将群体扩大到13000多个个体,对每一个种子进行相关的基因型鉴定,确定了10个极其珍贵的重组体,终于使得E1基因定位到单基因水平。“再有,大豆的遗传转化效率低,也大大影响了所克隆出的基因的功能验证。”夏正俊说。

将功能基因引入分子育种

此前,我国著名的大豆育种家王金陵教授培育出了对大豆光周期不敏感的品种东农50,使得我国大豆的种植北界向前推伸了近200公里。目前,我国大豆生产处于一个重要时期,国内大豆种植面积逐年下降,国内生产总量占总的国内总消费量的比例越来越小,受到其他高产高效粮食作物影响的同时,还承受者国外廉价的转基因大豆的压力。“究其原因与我国大豆生产力的低下、产量不高与品质低下有关。”夏俊峰说,“如果能够成功揭开大豆光周期的奥秘,将有可能推动大豆种植边界的前移和种植面积的扩大。”

他进一步表示,从国内外的优良品种的培育现状与发展历史来看,分子设计育种代表着未来的方向,在大豆中明确的功能基因越多,对于开展分子设计育种越为有利。大豆光周期基因的研究不仅可以使科学家能直接用于分子设计育种,而且还对大豆中与产量及品质性状的研究提供成功的范例。“未来我们要将大豆生育期基因的研究应用到分子育种中去,可根据生育期要求来设定理想的基因型,当然,这还有很长的路要走。”


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