大豆是一種典型的短日照植物，光周期敏感性阻礙了大豆種質(zhì)資源在地理區(qū)域的利用。當(dāng)生長在溫帶地區(qū)時，熱帶大豆通過延長營養(yǎng)生長期和推遲開花及成熟來應(yīng)對延長的白晝長度，這將會延長收獲時間。因此修改亞熱帶和熱帶大豆品種的日照適應(yīng)性有利于溫帶地區(qū)引入良好農(nóng)藝性狀的大豆品種。

近日，先正達集團作物種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種全國重點實驗室在知名期刊Plant Biotechnology Journal上發(fā)表了題為“Editing the nuclear localization signals of E1 and E1Lb enables the production of tropical soybean in temperate growing regions”的研究論文，該研究在亞熱帶大豆品種中對生育期基因E1及其同源基因E1Lb進行基因編輯，創(chuàng)制了一系列新種質(zhì)，縮短了開花時間和成熟時間，并確定了它們適合栽培的緯度區(qū)。

不同E1/E1Lb 突變體組合表現(xiàn)出不同程度的開花期縮短

研究表明大豆的生育期基因E1通過控制大豆的開花時間、成熟時間和開花后結(jié)莢習(xí)性來響應(yīng)光周期。研究團隊以亞熱帶大豆品種06KG218440為材料，通過CRISPR-Cas12a的gRNA靶向E1和E1Lb的保守核定位信號（NLS）的第二基本結(jié)構(gòu)域，獲取了具有不同E1/E1Lb突變組合的8個單突或雙突編輯系，根據(jù)突變方式將基因型分為功能缺失、框內(nèi)缺失和替換。不同基因突變株系的開花時間比較結(jié)果說明，E1和E1Lb的框內(nèi)缺失或替換突變可以產(chǎn)生具有部分功能的弱等位基因。此外亞細胞定位結(jié)果表明NLS第二個基本結(jié)構(gòu)域的突變減少了E1和E1Lb的核定位。溫室條件下，不同E1/E1Lb突變體組合由于加性效應(yīng)和部分功能等位基因，發(fā)生了不同程度的光周期敏感性降低和開花時間縮短。此外開花時間縮短的突變體表現(xiàn)出成熟時間縮短和株高降低和一定的產(chǎn)量下降。定量結(jié)果表明不同突變組合的開花時間與開花抑制基因GmFT1a/FT4，促花基因GmFT2a/GmFT5a和AP1基因的表達水平密切相關(guān)，株高降低與DT1的表達水平變化趨勢一致。在三個低、中、高緯度溫帶地區(qū)的田間適應(yīng)性試驗中，不同E1/E1Lb突變體組合顯示出一系列縮短的開花時間，隨著緯度的增加，每種材料的開花時間均有所延遲，但光周期不敏感性與不同光周期下的趨勢一致。因此在不同溫帶地區(qū)可以篩選出最佳成熟時間和產(chǎn)量的大豆株系。

此研究通過編輯開發(fā)不同的E1/E1Lb突變體組合的方法，獲得了一系列新的遺傳組合，縮短了開花時間和成熟期。該方法可用于豐富大豆育種庫，并可將不同大豆品種的種植區(qū)域擴展到更高緯度地區(qū)。NLS編輯產(chǎn)生的部分功能等位基因有助于解決平衡效應(yīng)，為亞熱帶和熱帶大豆種質(zhì)向溫帶地區(qū)轉(zhuǎn)移提供了一種可行的方法。

—— 原文 ——

Gao, Y., Zhang, Y., Ma, C., et al. Editing the nuclear localization signals of E1 and E1Lb enables the production of tropical soybean in temperate growing regions[J]. Plant Biotechnology Journal (2024).