基于代谢途径基因进化和关联分析的大豆异黄酮含量遗传控制研究

Given the positive effects on plants and human health, increasing isoflavone contents is one of the targets of soybean breeding programs. Isoflavones which are synthesized through the central phenylpropanoid pathway and the specific isoflavonoid branch pathway in legumes are controlled by a complex network of multiple interactive genes. Overexpression of certain genes on the pathway could not increase the isoflavone contents significantly. Overall consideration of multiple genes on the pathway will not only deepen the understanding of the genetic control of isoflavone content, but also provide a reference for other complex traits and pathways. This study will focus on genes of the isoflavone biosynthetic pathway. The evolutionary patterns of isoflavone pathway genes will be surveyed by intra- and inter-species genetic variation analysis. Significantly associated SNP markers and favorable haplotypes will be identified using candidate genes association analysis. Through multigene association analysis, the interactions among genes and elite allele combinations will be presumed. In conclusion, we will discuss the multi-genetic control of soybean isflavone content, and the potential for the improvement of soybean isoflavone content.

大豆异黄酮在植物防御系统中发挥重要作用，并且与人类健康密切相关，提高大豆异黄酮含量是重要的育种目标之一。大豆异黄酮通过植物共有的苯丙氨酸代谢途径和豆科特异的异黄酮分支途径合成，受多基因和复杂网络调控，过表达途径上的个别基因通常对提高大豆异黄酮含量效果不显著。只有对途径上的多基因进行整体分析，才能有效揭示大豆异黄酮含量的遗传控制。本项目以大豆异黄酮代谢途径基因为研究对象，通过大豆物种内和近缘物种间遗传差异分析，探索异黄酮代谢途径基因的进化模式。然后分别对单个候选基因进行关联分析，发掘与大豆异黄酮含量显著相关的SNP标记和优异单倍型。进而通过多基因关联分析，了解基因间的相互作用方式，推测优异等位基因组合。本研究将从新的视角阐述大豆异黄酮含量的多基因遗传控制，并为提高大豆异黄酮含量、培育高异黄酮含量品种提供基础。

异黄酮是大豆重要的次生代谢物，在大豆和微生物互作中发挥重要作用并且与人类健康密切相关。培育高异黄酮含量的专用型品种是大豆品质育种的目标之一。大豆异黄酮的合成受多基因和复杂网络调控，过表达途径上的个别基因通常对提高大豆异黄酮含量效果不显著。只有对途径上的多基因进行整体分析，才能有效揭示大豆异黄酮含量的遗传控制。. 本项目以大豆异黄酮代谢途径基因为研究对象，通过物种内和物种间遗传差异分析，探索异黄酮代谢途径基因的进化模式，结果表明1）只有上游PAL基因家族保留所有的古老和近期片段复制；2）下游基因的进化速率快于下游基因，且更倾向受到放松的选择压力；3）编码高多效性的分支位点酶不同拷贝间进化模式不同，暗示可能发生功能分化。分析证明代谢途径结构和功能影响组成酶的基因复制和分化模式。. 紫檀碱4-二甲基烯丙基转移酶位于异黄酮代谢途径末端，催化合成大豆抗毒素，属于UbiA异戊烯基转移酶基因家族。本项目以UbiA异戊烯基转移酶基因家族为研究对象，在15个高等植物中鉴定了139个UbiA转移酶基因，描述了它们的系统发生关系，功能分化和适应性选择。通过系统发生分析，鉴定了7个亚家族。物种特异扩增主要发生在亚家族I的A支，同时在此支检测到正选择。这一支主要包含类黄酮异戊烯基转移酶，参与次生代谢。亚家族I其它分支编码尿黑酸植基转移酶，主要参与初级代谢。因此我们推断异黄酮异戊烯基转移酶，是由生育酚合成功能，新功能化后产生。. 为了探究大豆异黄酮生物合成的遗传基础，本研究设计并开发了一款覆盖大豆全基因组的高密度SNP芯片NJAU 355K SoySNP，并对367份大豆材料进行基因分型。选择196份代表性栽培大豆，测定其大豆籽粒异黄酮含量，通过全基因组关联分析寻找相关的SNPs位点，为后续功能基因的研究提供候选基因位点。