大豆野生小粒与栽培大粒等位基因的克隆及其分子演化

To explore the genetic basis of soybean domestication in seed size, a wild soybean chromosome segment substitution line (CSSL) population was developed by using a wild soybean chromosome segment substitution line population from a wild soybean N24852 (100-seed weight 1.7g) and a cultivated soybean Nannong1138-2 (100-seed weight 18.7g), and total of seven wild segments were detected for small size by using it, among which a QTL qSW15.1 was narrowed into a 1-Mb region on Gm15. Based on previous results, the genes on the wild segments of small size will be verified, fine mapped and map-based cloned, and their functions will be verified, through the following researches: first, the segments will be fine mapped into a much smaller region through a large scale secondary mapping population from target CSSL and Nannong 1138-2; second, cloned the gene on the locus of qSW15.1 and verified its function in three levels including gene differential expressions, gene sequence differences and genetic transformation; analyze the genetic diversity, the haplotypes and their frequencies and effects among the wild soybeans, soybean landraces and released soybean cultivators on qSW15.1, and understand their changing patterns among the three types of soybeans. The results of this study can provide new insights into the process of soybean domestication.

为解析大豆籽粒大小驯化的分子机制，项目前期利用野生大豆N24852（百粒重1.7g）和栽培大豆南农1138-2（百粒重18.7g），构建了一套覆盖整个野生大豆基因组的染色体片段代换系群体，检测到7个与小粒相关的野生片段，其中Gm15染色体上的位点初步缩小到1 Mb的区间。本申请拟在前期的基础上，开展野生小粒与栽培大粒等位基因的克隆及其分子演化研究，包括：构建不同小粒相关野生片段的次级群体，对小粒野生基因进行验证和精细定位；克隆qSW15.1位点野生小粒与栽培大粒等位基因，并从基因表达差异、序列差异和遗传转化三个层面验证其功能；分析籽粒大小不同的野生大豆群体和栽培大豆群体在qSW15.1位点的遗传多样性，并分析该基因在不同群体中的单倍型及其频率与效应，解析不同单倍型在野生大豆和栽培大豆中的演化规律。研究结果可为揭示大豆驯化的分子机制提供新线索。

野生大豆(G. soja Sieb. & Zucc.)是栽培大豆(G. max (L.)Merr.)的野生祖先，在长期的驯化和人工选择下，大豆百粒重由野生大豆最小约0.5g 提高到栽培大豆最大约55g，这种巨大变化到底是由哪些基因引起的，目前尚未完全解析。为挖掘野生大豆中蕴藏的优异等位变异，研究野生大豆到栽培大豆驯化和改良的遗传基础，基于野生大豆染色体片段代换系群体和中国大豆种质群体，本项目开展了以下研究：通过全基因组重测序的方法，构建了1套包含1366个SNPLDB标记的野生大豆染色体片段代换系群体，同时建立了双亲基因组和不同组织转录组数据集，为野生大豆优异等位基因的挖掘和利用提供了材料平台；利用新构建的代换系群体，通过多年的表型评价，检测到10个百粒重相关野生片段，将其中3个位点q100SW15、q100SW18.2和q100SW16.1分别精细定位到大豆第15、18和16号染色体上的329-kb、286-kb和2.9-kb的区间；通过基因差异表达、基因序列差异和基因功能分析，图位克隆了2个大豆百粒重的新基因Glyma.15g049200和GmABC，其中Glyma.15g049200兼具影响大豆蛋白含量和油脂含量；通过转基因拟南芥和转基因大豆实验，验证了GmABC具有控制大豆百粒重的效应，针对该基因开发了1个功能标记，并检测了其育种利用价值；利用包含野生大豆、地方品种和育成品种的中国大豆种质群体，系统分析了Glyma.15g049200和GmABC在大豆驯化和改良过程中的分子演化规律，在这2个位点上均发现正效单倍型在大豆驯化和改良过程中频率逐步提高，负效单倍型频率逐渐降低，甚至被淘汰，这与大豆驯化与改良过程中百粒重逐步增大相一致。本研究构建的群体，为野生大豆优异基因的挖掘及利用提供有力工具；精细定位的百粒重位点，为相关位点的克隆奠定基础；验证的基因，为大豆分子标记辅助选择和分子育种提供了原料，为野生大豆驯化和利用奠定基础。