大豆GIGANTEA基因的调控机理和控制大豆光周期的研究

Soybean is a typical short day plant. The photoperiodic sensitivity of soybean cultivar greatly restricted the adaptability of soybean variety. The objectives of the present protocol focus on soybean GIGANTEA gene (GmGI), a key gene of photoperiodic regulation network. The gene expression patterns and its regulation pathway will be investigated by qPCR, gene expression profile chips, RNAi and genetic manipulation methodologies, so that we can deeply understand the impact mechanism of GmGI gene on the circadian clock, photoreaction and flowering in soybean. Meanwhile, the transgenic soybean lines that overexpress the GmGI gene or suppress the gene expression were created in order to regulate GmGI function, reduce the photo-sensitivity and improve the adaptability of soybean varieties.

大豆是典型的短日照植物，光周期敏感性严重限制了大豆的种植区域和适应性。为了深入解析大豆光周期反应的本质，明确光反应基因的调控网络，进而利用生物技术手段改变大豆的光敏感性。本研究以调控大豆光周期反应的关键基因GIGANTEA为研究重点，通过qPCR、表达谱芯片、RNAi技术、遗传转化等方法分析该基因的时空表达模式及其调控方式，深入探讨该基因的表达规律及生理调节功能，揭示其在节律钟与光周期反应途径中的作用，明确该基因调控大豆开花时间的机理。同时利用转基因技术改造或控制该基因的表达，降低光敏感性、提高大豆品种的适应性，解决大豆品种种植区域狭窄的难题，从而大幅度提高单产水平。

为了深入解析大豆的光周期反应及基因调控网络，进而利用生物技术手段来改变大豆的光敏感性，本研究以大豆中的GIGANTEA基因为研究重点，揭示其在节律钟与光周期反应途径中的作用，明确该基因调控大豆开花时间的机理；同时利用转基因技术调控该基因的表达，降低光敏感性、提高大豆品种的适应性。.本研究克隆了大豆GI基因并进行功能分析，主要研究结果如下：.1、绿色荧光蛋白分析表明大豆GI定位在细胞核中；利用QPCR分别分析了大豆GI基因两拷贝的mRNA丰度变化，其转录后调控受光暗的调节，mRNA光下积累，在黄昏出现峰值，呈周期性节律。.2、转35S:: GI的拟南芥在长日和短日照条件下均表现提前抽薹开花，叶片数目少于野生型，而GI干涉植株则停留较长的营养生长阶段莲座叶数目较多。通过对拟南芥的表型分析推断GI与控制大豆开花时间相关。.3、将大豆GI转入Havana 425烟草中，对获得的转GI 基因烟草的的花期、产量以及其它农艺性状统计分析。结果表明，与非转基因烟草对照相比，转基因株系株高与单株粒重提升明显，花期明显平均提前了31.5天。.4、对光周期途径主要基因CO和FT进行了进一步的分析，结果显示35S::GI转基因株系的FT的表达显著升高，其抑制因子TOE1减少，而RNAi干涉的植株TOE1却高表达。CO 的变化相对增加，RNAi干涉的植株GI极低，相对野生型开花较晚。因此，大豆GmGI基因可通过调节对CO和FT抑制因子的调节来调控FT的表达，进而影响开花。.5、转基因大豆分析结果表明，转GI基因大豆植株节间距缩短，开花时间普遍提前3-5天；CO、FT、 LFY 和 SOC1的表达量均高于野生型，其中LFY的上调倍数在20-60倍。GI促进FT的积累量，促进花芽的生长和分化，起始大豆的开花。.6、对GI参与的microRNA途径分析结果表明，GI通过提高miRNA形成关键酶GmDCL1和GmSE来参与miR172的成熟；克隆分析了miR172家族成员，明确了GI基因对miRNA172及其靶基因的调控作用，明确了GmGI-miR172A-Glyma03g33470-FT-LFY/AP1这一开花途径。gma-miR172a通过抑制下游靶基因Glyma03g33470a的表达，促进开花基因FT、LFY和AP1的表达，参与开花调控。