Adv Sci|揭示GmSop20调控油蛋白比的机制

在大豆驯化过程中,种子油蛋白比显著增加;然而,控制这一关键农艺性状的主要遗传决定因素仍然不清楚。

2025年7月18日,安徽农业大学王晓波,中国农业科学院作物科学研究所邱丽娟、李英慧共同通讯在Advanced Science 在线发表题为"GmSop20 Functions as a Key Coordinator of the Oil-To-Protein Ratio in Soybean Seeds"的研究论文。该研究通过整合全基因组和转录组关联研究(GWAS/TWAS),已鉴定出位于20号染色体上的GmSop20基因是调控大豆种子油蛋白含量的关键调控因子。遗传多样性分析揭示了一个驯化选择等位基因GmSop20C,该基因经历了强烈的人工选择,在中国北方和美国的栽培品种中占主导地位。该等位基因导致油蛋白比从祖先系的0.35大幅增加到栽培品种的0.47。功能验证表明,GmSop20基因敲除后,该比值显著降低至0.19,而其过表达则使其升高至0.64。值得注意的是,虽然突变株系的总油和蛋白质含量略有增加,但过表达仍能维持稳定的组成水平。从机制上讲,GmSop20 直接激活 GmSWEET10a 的表达,协同统一调控网络中的两个人工选择的位点,扩大从种皮到胚的糖分配,从而增强油脂积累。这些发现确立了 GmSop20 作为种子组成的主要调控因子的作用,并为定制设计大豆营养成分提供了思路,从而能够通过靶向操控这一关键基因模块来精确调控油蛋白比。

大豆(Glycine max [L.] Merr.)是全球最重要的作物之一,占全球蛋白粉和植物油消费量的69%和28%(http://soystats.com)。预计到2050年,为满足日益增长的人口和不断提高的生活水平,全球大豆产量将翻一番。因此,高产优质大豆的遗传改良是维护人类健康和社会可持续发展的重要育种目标。栽培大豆(G. max)起源于中国驯化的野生大豆(G. soja Sieb. & Zucc.),已有5000多年的历史。在人工驯化和遗传改良过程中,大豆种子的油脂和蛋白质含量发生了显著变化。栽培大豆的油脂含量通常高于野生大豆,而蛋白质含量则低于野生大豆。然而,这些值在不同大豆品种之间差异很大。种子组成性状通常呈相关性,而种子蛋白质含量通常与种子油含量呈负相关。这种反比关系对大豆育种在提高其整体经济价值方面提出了重大挑战。利用变异丰富的野生和地方种质资源,更好地理解调节油和蛋白质平衡的分子机制将有助于实现这一目标。大豆籽油和蛋白质含量都是由多个基因控制的数量性状。在过去的30年中,人们利用连锁分析和全基因组关联研究(https://soybase.org/)鉴定了几个与大豆种子油和蛋白质含量相关的数量性状位点(QTLs)。一些与大豆种子油和蛋白质含量相关的基因已得到验证。其中包括GmSWEET10a,它编码SWEET糖转运蛋白家族的一个成员,之前被命名为GmSWEET39。GmSWEET10a及其旁系同源物GmSWEET10b控制从种皮到胚的糖分配,影响大豆种子的油和蛋白质含量。POWR1编码一个含有CCT(CONSTANS,CONSTANS-like,TOC1)基序的蛋白质,对种子的油和蛋白质含量具有多效性影响。GmMFT编码一个磷脂酰乙醇胺结合蛋白,调节SWEETs和FAD2的表达,从而影响种子的油和蛋白质含量。GmFA9编码一个SEIPIN同源物,GmFA9敲除会降低大豆种子的脂肪酸含量,增加种子的贮藏蛋白含量。之前的研究主要集中在种子油和蛋白质含量的独立调控上。然而,关键种子品质性状,尤其是油蛋白总含量以及油蛋白比的调控机制,仍未被深入探究。该研究利用全基因组关联研究(GWAS)和全转录组关联研究(TWAS)的正向遗传学方法,鉴定出一个共同决定油蛋白含量的基因--GmSop20。 GmSop20 的敲除降低了种子的油蛋白比,而 GmSop20 的过表达则提高了该比值。人工筛选的等位基因 GmSop20C 增强了GmSWEET10a/b的活性,从而促进了糖从种皮向胚的运输,从而提高了大豆种子的油蛋白比。该研究揭示了 GmSop20 调控油蛋白比的机制,并鉴定出可用于改善种子品质和实现大豆个性化营养的等位基因。

图1 与大豆籽油和蛋白质相关的主要QTL GmSop20的鉴定(图源自Advanced Science)