【Mol Plant 】解决百年之谜！研究揭示孟德尔大豆荚色性状调控分子机制！

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者Bin Liu

大豆（G.max）是重要的粮、油、饲兼用作物，在漫长的驯化过程中，人类对其野生近缘种（G.soja）进行了持续的选择，导致其形态结构和生理功能都发生了显著变化，合称为驯化综合征（Domestication syndrome）。大豆荚色是一种典型的驯化性状，其中野生大豆荚为黑色，而现代栽培大豆荚通常为褐色或浅褐色。植物组织或器官着色是植物学和遗传学研究的一个重要领域。19世纪70年代，孟德尔对豌豆（特别是子叶、花和豆荚等颜色性状）的开创性研究揭示了遗传学的基本原理，开启了现代遗传学的新纪元，但豆类植物果荚着色背后的分子机制至今未知。1923年，Woodworth等人提出L1是调控大豆成熟果荚着色的主要位点。然而，百年后的今天，调控这一性状的确切基因仍不清楚。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.06.003

2023年6月19日，Molecular Plant在线发表了中国农业科学院作物科学研究所邱丽娟团队和刘斌团队题为The Domestication-Associated L1 gene Encodes an Eucomic Acid Synthase Pleiotropically Modulating Pod Pigmentation and Shattering in Soybean的研究论文，鉴定了调控大豆荚皮色的关键基因L1，解析了其分子机制，阐明了黑色豆荚对野生大豆环境适应性的重要性以及选择浅色豆荚在大豆驯化和改良中的意义。

该研究利用BSR-Seq、图位克隆和转基因技术等遗传学方法，成功地鉴定出了调控大豆荚皮色的关键因子：L1基因（Glyma.19g120400）。该基因在大豆荚皮中高表达，并编码一种豆科特异的HMGL-like结构域蛋白。L1蛋白属于DRE-TIM金属酶超家族，但与其它植物中已报道的同源物不同，L1蛋白缺少叶绿体信号肽，并定位于细胞质中。进一步研究发现，它能够催化乙酰辅酶A和4-羟基苯丙酮酸（4-HPP）之间发生类克莱森酯缩合反应（Claisen-condensation-like reaction），生成红果酸（Eucomic Acid）和番石榴酸（Piscidic acid）。这两种化合物进一步被氧化或与其它物质发生聚合反应导致大豆荚皮颜色变深。有趣的是，L1不仅影响大豆荚皮颜色，也会导致大豆种皮出现不规则的色素沉积。除此之外，与浅褐色豆荚相比，黑色豆荚的光热转化效率更高，导致其在光下具有更高的表面温度和更强烈的温度变化。而高温和剧烈温度变化是影响大豆炸荚的重要环境因素。因此L1黑荚大豆在大田环境下的炸荚率远高于其基因编辑材料l1-cr。

野生大豆中L1基因不仅能够使种子更有效的传播，还为种子提供一种伪装色，避免种子被觅食者发现，从而提高了野生大豆的环境适应性。然而L1基因不利于栽培大豆成熟后的收获，同时斑驳的种皮严重影响了种子外观和品质，因此在大豆驯化过程中L1基因被逐渐淘汰，而其功能缺失等位基因l1受到了强烈的人工选择。

该研究解析了大豆荚皮颜色变异的分子机制，丰富了人们对DRE-TIM金属酶超家族的酶学活性的认知，为深入理解大豆驯化提供了有价值的见解，并为豆科植物的从头驯化和品种改良提供了重要靶基因。

作者简介

中国农业科学院作物科学研究所吕向光博士和李英慧研究员为本论文的第一作者，邱丽娟研究员和刘斌研究员为该论文通讯作者。中国医学科学院药用植物研究所李艳妃博士，中国农业科学院作物科学研究所李德林博士、洪慧龙博士、博士生田宇，中国农业科学院生物技术研究所农业生物技术平台中心韩超博士和韩莉妲副研究员也参与了该项研究。

本研究得到了到国家重点研发计划、中国农业科学院科技创新工程、国家自然科学基金青年基金以及博士后基金面上项目的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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