大豆生育期基因E1～E4研究概述

侯思宇,王俊苏,韩德复

(长春师范大学生命科学学院,吉林 长春 130032)

0 引言

大豆作为一种重要的经济作物,在世界范围内扮演着重要的角色,是油料和蛋白质的主要来源之一[1]。大豆起源于中国,属短光照作物,对日照时间反应敏感,虽然分布广泛,但不能跨区种植。在光周期敏感性方面,不同的大豆品种展现出显著的差异,这直接影响了它们的开花和成熟时间。尤其在长日照、高纬度的地区,大豆品种必须具备对光的不敏感性,才能确保在霜冻前正常成熟。因此,对大豆光周期敏感性遗传因素的研究,在大豆育种领域中占据着至关重要的地位。

早在1927年,OWEN[2]就已发现大豆中存在一种能够调控其生育期的遗传因子。而在中国,王金陵[3]率先开展了关于大豆生育期遗传规律的研究。王国勋[4]则进一步深化了这一领域的研究,他根据我国24份代表性大豆品种对光周期敏感性的差异,将这些品种划分为七个生育期类型,包括极早熟、早熟、早中熟、中熟、中迟熟、迟熟和极迟熟。他明确了每个类型的代表品种及其相应的适宜种植区域,为我国大豆种植的优化布局提供了科学依据。在农业生产中,为了更好地适应不同纬度地区的生长环境,研究人员根据大豆品种的生育期性状进行分类。通过这种方式,他们将大豆品种划分为13个生育期组,并命名为MG000[5]、MG00[6]、MG0[7]、MGI～MGX[8],每个组别都代表了不同的生育期特征。这种分类方法不仅揭示了大豆品种对光温条件的适应性差异,而且在实际应用中展现出巨大的价值。这一分类标准现已成为国际通用的标准,为全球大豆育种和种植提供了统一的参考依据。通过了解和利用不同大豆品种的光周期敏感性,育种者和农民可以更好地选择适合当地气候和种植条件的品种,从而提高产量和品质,为全球大豆产业的可持续发展作出贡献。此外,JIA等[9]研究者在中国北方高纬度寒冷地区的大豆品种生育期特征研究中,对生育期组划分标准进行了调整和完善。他们根据北美的生育期组划分标准,新增了一个更为精确的组别,即MG0000,以更好地描述高寒地区超早熟品种的生育期特性。这一调整不仅反映了我国大豆品种的多样性,也为寒冷地区的大豆种植提供了更为科学的指导,有助于提高产量和品质。这一新增组别的出现,进一步丰富和完善了大豆品种生育期分类体系[10],为更好地适应我国北方高纬度寒冷地区的种植条件提供了有力支持。

生育期类型的多样性是大豆的一个重要特性,这一特性引起了研究者的广泛关注。通过经典遗传学的研究,科学家们揭示了一些与生育期相关的基因位点,这些基因位点在不同的大豆品种中有着不同的作用和影响,比如E1～E4、E6～E10和J[11-21]。其中除了与长童期相关的J位点外[22-23],在这些基因中,E1、E2、E3和E4的效应最为显著,对大豆生育期的调控起着至关重要的作用。这些基因通过不同的机制影响大豆对光周期的反应,从而影响其开花和成熟的时间。对大豆开花期变异贡献率高达62%～66%[24]。为此,我们对E1～E4基因的克隆、功能鉴定及变异类型进行综述,以期利用分子生物学技术为初步鉴定大豆品种资源生育期提供依据。

1 大豆E1～E4基因变异类型概述

E基因等位变异类型的组合,使大豆具备在各种光照条件和不同纬度地区生长的适应性,从而其能够在不同的环境中实现最佳的生长和繁殖。E1～E4基因作为调控光周期敏感性的主效基因族,其不同变异类型组合对大豆的生育期控制至关重要。通过对E1～E4不同基因型的鉴定,能够初步明确大豆在特定光周期条件下的表现,这为育种者提供了选择适应特定环境的亲本的依据,从而提高了育种效率和精准性。为此,我们对已鉴定的E1～E4基因不同等位变异类型进行整理,见表1。

表1 E1～E4的等位变异类型

2 大豆E1～E4基因研究概述

2.1 E1基因

E1基因是E基因系列中的第一个成员,它对大豆的花期和生育期具有重要影响。E1基因是由Bernard等[44]在1971年首次发现的。THAKARE等[45]在2012年通过图位克隆技术将E1基因定位到C2连锁群的17.4 kb区域内,该区域仅含有一个候选基因。E1基因是一个非常关键的基因,控制了大豆的开花和成熟,其cDNA全长为838 bp,去掉5′UTR和3′UTR后剩下525 bp,这部分编码由175个氨基酸组成的蛋白。该蛋白的N端存在着DNA结合位点和核定位信号,而C端则是B3结构域。研究人员发现,E1基因仅在豆科植物中存在,是豆科作物所特有的转录因子[46]。在大豆E1基因的研究中已发现了一些与该基因相关的等位变异,如e1-as[25-26]、e1-nl[27]、e1-fs[28]、e1-re[29]、e1-p[30]及e1-lb[31]等。

在大豆生育期遗传规律的研究中,除了先前提到的基因位点外,还有E1、E2、E3和E4等基因被广泛关注。这些基因通过不同的机制影响大豆对光周期的反应,从而调节其生育期。然而,这些基因在自然界中经常发生突变,导致大豆生育期的变异。

天然突变的e1-as等位基因是一个典型的例子。该等位基因由于核定位信号(NLS)点突变导致部分功能丧失,使得部分突变蛋白无法进入细胞核以发挥其功能。这导致e1-as突变体的表型处于正常型和缺失突变体之间,表现为一种弱等位变异[47]。

另一方面,e1-nl基因型变异表现为染色体片段的缺失,缺失的130 kb区域中包含了整个E1基因。这种变异导致E1基因的功能完全丧失,因此e1-nl属于功能丧失型变异。与e1-as类似,e1-nl也表现为极早的开花和成熟[48]。

除了E1基因外,大豆中还存在与E1同源的基因[49],即e1-la和e1-lb。这些基因同样具有抑制大豆开花的效能,并且在长日照条件下的表达模式与E1相似。利用近等基因系(NILs)[50]进行研究,研究者发现e1-lb在富含红光或富含远红光的长日照条件下独立于E1发挥抑制开花的作用。更为重要的是,e1-lb可以抵消E4在富含远红光的长日照条件下抑制开花的功能[51]。

2.2 E2基因

E2基因是E基因系列中的另一个关键成员,同样在调控大豆的生育期方面发挥重要作用。大豆的E2基因型也有多种类型。其主要等位变异有E2-in[32]、E2-dl[33]、E2-ns[34]。E2基因为编码拟南芥GIGANTEA(GmGIa)的大豆同源基因,在生物钟和开花过程中发挥多重作用[52]。功能性E2等位基因为编码1 170个氨基酸的全长蛋白;而主要的自然变异隐性e2等位基因,则编码521个氨基酸的截断蛋白[53]。来自TILLING群体的e2等位基因和一个功能丧失突变体也编码截断蛋白,表现出早开花表型[54]。这些不同类型的E2基因会导致生育期的变化,具有E2基因的大豆品种通常表现出中等生育期,适合在多种环境条件下生长[55]。其中e2-ns基因型是由于编码区中的4个单碱基变异导致编码提前终止,促进提前开花和成熟[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被证实是拟南芥光敏色素A(PHYA)基因的同源基因,并被命名为GmPHYA3[57]。光敏色素是一种蛋白质,存在于植物和藻类的生长表面,它们能够吸收光能并将其转化为化学能,从而影响植物的生长发育和生理过程。其编码蛋白由1 130个氨基酸组成。该基因存在多种等位变异,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基因型为无义突变型,其对光敏色素A的正常表达没有影响[59]。e3-mo基因型的第四内含子中插入了一个长度为2 633 bp的反转录转座子,并在第三个外显子处发生了突变,这导致了编码蛋白功能的改变[60]。与e3-mo基因型相比,E3-Ha基因型仅在第三个外显子处没有发生变化,编码蛋白功能正常,光敏色素A能够正常表达[11]。e3-tr基因型在第三外显子后面出现了13.33 kb的染色体缺失,导致组氨酸结构域的功能发生改变,进而导致编码蛋白功能的缺失。这一突变导致了e3-tr基因型大豆的生育期变化和表型特征的改变。缺失的染色体片段可能包含了与生育期调控相关的其他基因或调控元件,导致E3蛋白的功能受到影响[61]。同样导致编码蛋白功能的缺失[62]。而e3-fs基因型的第一个外显子碱基序列出现了移码突变,导致翻译提前结束,从而造成编码蛋白功能的缺失[63]。

2.4 E4基因

在遗传学研究中,E4基因被证实是拟南芥光敏色素A(PHYA)基因的同源基因,被命名为GmPHYA2[64]。E4基因在光周期和生长发育调控中发挥重要作用,其变异类型对大豆生育期和开花时间有显著影响。

E4基因编码区包含4个外显子,由1 123个氨基酸组成。目前已发现多种E4基因变异类型,包括e4-SORE-1[40]、e4-kam[41]、e4-oto[42]、e4-tsu[43]和e4-kes[65]。这些变异类型通过不同的方式影响E4蛋白的结构和功能,进而影响大豆的生育期和开花时间。

其中,e4-SORE-1基因型的第一外显子存在一个Ty1/copia-like反转座子插入,导致编码序列提前终止,产生功能缺失型蛋白。e4-kam和e4-kes基因型的第二外显子分别因单碱基缺失和插入导致编码蛋白的组氨酸激酶结构域缺失,而保留调控下游的PAS结构域。e4-oto和e4-tsu基因型则分别为第一和第二外显子单碱基缺失,导致组氨酸激酶结构域和PAS2结构域均缺失[66-67]。

这些变异类型对大豆生育期的影响表现为延迟开花、提早开花或正常开花等不同表型。这为大豆育种提供了新的思路和方法,有助于培育适应不同气候和种植条件的大豆品种,提高产量和品质。同时,这些研究也揭示了光周期和生长发育调控的复杂机制,有助于深入了解植物的生长发育过程。

3 展望

大豆生育期分组及E基因型鉴定对大豆遗传育种及生产应用具有广泛意义。E1、E2、E3和E4等主效基因,在大豆的亲本生育期调控中扮演着重要角色。明确E1～E4基因功能,开发各自不同基因型的分子标记,通过分子标记辅助选育技术,检测不同大豆品种资源及其杂交分离后代的基因型组合,可以在早期初步预测亲本及杂交后代的生育期,这将为今后大豆杂交、回交后代生育期的快速遗传改良提供技术支撑。

虽然E1～E4基因在大豆生育期中起着重要的作用,但是随着高通量测序技术、遗传定位和功能基因鉴定方法的不断发展,更多生育期基因被陆续克隆和鉴定。研究者对不同生育期基因的深入了解,可以结合常规育种技术更高效地开展分子育种,加速培育出生育期缩短、产量提高、抗逆性增强等聚集多种优良农艺性状的品种。同时,通过研究生育期基因与环境因素的相互作用,可以更好地了解大豆对环境的适应性。这将有助于研究者根据不同的气候、土壤条件,优化大豆的生长环境,提高大豆的产量和品质,为农业生产提供更多的支持和帮助。