新型大豆生育期主效基因Qne1的功能及分子机制解析

Although the major maturity genes of soybean have been mapped, the genetic analysis to soybean cultivars of China indicates the presence of some other unknown genetic factors that are involved in control of flowering time or maturity. In our previous study, with the use of two F2 mapping populations, a novel QTL, Qne1, has been mapped with 39.7% and 51.55% of phenotypic variation of flowering time being explained. Further, we identified recombinants whose recombination occurred at Qne1 resized region, and narrowed down Qne1 at a resolution of single gene.Qne1 gene encodes a transcriptional factor that has not yet been reported. In this project, functional complementation in soybean will be used to verify the function of Qne1 as a flowering repressor. The expression pattern in different tissues and organs, and the diurnal expression rhythm under long day/short day, continuous dark/light will be studied. Subcellular localization and the transcriptional activation/repression activity will be studied to characterize Qne1 as a transcriptional factor. Qne1 fused with the tag will be overexpressed in soybean. RNA-Seq, Chip-Seq will be used to identify the downstream genes. Chip-qPCR and EMSA will be used to identify which gene that Qne1 can directly bind. The degree of sensibility to photoperiodic length of Qne1 will be judged by the effect of interaction of Genotype× Environment on flowering time or maturity. The regulatory relationship of Qne1 and the known maturity genes in photoperiod pathway will be analyzed. Finally the molecular regulatory network of Qne1 will be proposed.

虽然调控大豆生育期的主效基因相继被克隆，但通过对我国大豆品种的遗传解析发现，尚有参与生育期调控的主效基因未被克隆。申请者所在团队在前期研究中，配制的两个遗传群体定位了一个新型调控大豆生育期主效基因Qne1。Qne1位点在两个群体F2中的贡献率分别达到51.55%与39.77%，利用重组体及后代的表型已精细定位至单基因水平，Qne1编码一个转录因子。本项目拟通过功能互补验证其在大豆中抑制开花的功能。明确Qne1的时空表达特性。通过亚细胞定位与转录激活/抑制功能的分析，明确其作为转录因子的基本特性。将Qne1融合标签在大豆中过量表达，通过RNA-Seq结合Chip-Seq、凝胶阻滞等确定其调控的下游基因。确定该基因与光周期途径已知成员之间的互作关系。根据Qne1不同基因型与环境互作对开花期影响明确其对光周期反应的敏感程度。提出新型主效大豆生育期基因Qne1参与大豆生育期与光周期调控的分子机制。

光周期敏感性使单个大豆品种适宜种植范围狭窄，这严重限制了优良品种的推广。基于生产上的大豆品种，通过正向遗传学方法克隆基因，并解析其分子机制是实现分子设计育种的前提和基础。然而，目前为止，基于经典遗传学方法克隆的生育期相关基因只有十二个。通过对我国大豆品种的遗传解析发现，尚有参与生育期调控的主效基因未被克隆。申请者所在团队在前期研究中，配制的两个遗传群体定位了一个新型调控大豆生育期主效基因Qne1。本项目对Qne1基因的功能和分析机制进行了深入研究，通过在大豆及油菜中进行功能验证确定了Qne1具有开花促进功能。Qne1基因编码蛋白定位于细胞核是一个具有转录抑制活性的转录因子。Qne1在表达上不响应光周期，且不受E1、GmFT2a/5a等光周期调控核心基因的控制。通过全基因组关联分析进一步确定了Qne1与大豆的开花及成熟期密切相关，Qne1可以独立于E1之外调控大豆的开花期与成熟期。Qne1能够与大豆中的开花素基因GmFT2a/GmFT5a相互结合调节下游MADS-Box类基因的表达。E1基因是对大豆光周期敏感性贡献值最大的基因，但很多具有E1基因型的大豆品种仍然能够在北方种植。正是由于Qne1可以独立于E1之外调控大豆的开花期与成熟期，Qne1基因功能与分子机制的研究解释了为什么具有E1基因型的大豆品种能够在北方种植的原因。本项目的研究对于今后在改良育种材料或选育亲本上，准确掌握不同的基因型组合对生育期的影响，提高育种的目的性和可操作性，具有极其重要的意义。