JIPB以封面文章在线发表了南京农业大学李艳教授团队最新的研究论文，题为“Editing a gibberellin receptor gene improves yield and nitrogen fixation in soybean”。
该研究通过CRISPR/Cas9技术敲除大豆赤霉素受体基因GmGID1-2，发现该基因的敲除可显著降低株高、增加茎粗和分枝数，提升单株荚数和籽粒数，从而提高产量和种子含油量。同时，GmGID1-2的敲除还显著增强了根瘤数量、重量及固氮酶活性，提高了植株氮素含量，为大豆绿色革命提供了新的基因资源。
百迈客生物为该研究提供了转录组测序服务。
大豆是全球重要的植物蛋白来源，但其单产远低于水稻、小麦等主粮作物。上世纪“绿色革命”通过推广半矮秆品种大幅提升了谷物产量，却也导致了对氮肥的严重依赖，带来环境问题。
与谷类作物不同，大豆作为豆科植物，具备与根瘤菌共生固氮的独特能力，可从大气中获取70%以上的氮需求。这意味着，大豆的“绿色革命”无法简单复制谷物路径——我们需要在不过度施肥的前提下，同时解决三个问题：如何改良株型以提高产量？如何增强根瘤固氮能力？如何提升水溶性蛋白含量这一关键品质指标？
长期以来，能够同时调控这些性状的关键基因始终未被充分挖掘，制约了高产品种的选育进程。寻找既能优化株型、又能促进固氮的“黄金基因”，正是推动大豆实现可持续绿色革命的核心突破口。
敲除GmGID1-2改良大豆株型并提高产量和种子含油量
该研究团队发现过表达GmGID1-2会显著增加大豆的株高，而敲除则使株高降低，同时增加茎秆直径和强度、分枝数、主茎节数、单株荚数 (三粒荚和四粒荚显著增多) 和种子数，从而提高单株种子重量与大豆产量，并提升种子含油量。进一步结合表型数据及转录组数据表明，GmGID1-2与DELLA蛋白互作调控大豆株高，并通过影响与分枝、固碳作用和脂肪酸代谢等相关的通路及基因表达，进而调控大豆分枝数和种子含油量。
图1 敲除GmGID1-2改良大豆株型并提高产量和种子含油量
基于敲除GmGID1-2后大豆荚和种子数显著增加并引起DELLA蛋白积累，以及DELLA在其他豆科植物中可促进根瘤菌侵染与根瘤共生的作用，推测在GmGID1-2敲除突变体中，为大豆提供主要氮源的根瘤固氮作用也相应增强。实验证实，突变体中的根瘤数目和干重、固氮酶活性以及植株氮含量均显著提高。进一步分析表明，敲除GmGID1-2促进了根瘤菌侵染、根瘤共生和固氮相关基因的表达。
图2 敲除GmGID1-2增强大豆根瘤固氮
分析GmGID1-2的自然变异发现，在课题组264份大豆资源及大豆公共数据库中，其编码区均未鉴定到导致基因功能丧失或氨基酸变化的序列变异；而启动子区局部关联分析发现，Gm_36396036位点与大豆株高显著关联。该位点将GmGID1-2启动子分为Pro-C和Pro-T两种类型，其中，Pro-C型启动子的大豆株高更矮、产量和种子含油量更高，且GmGID1-2基因表达量更低，与GmGID1-2敲除株系表型一致。在Pro-C优异单倍型的遗传背景下敲除GmGID1-2，可进一步提高大豆的产量、种子含油量和根瘤固氮。
大豆GmGID1-2的优异等位变异和一因多效功能
该研究系统解析了GmGID1-2的一因多效性，挖掘到可同时改良大豆株型、产量和根瘤固氮的优异等位变异，并创制了更优异的新等位基因。GmGID1-2的优异等位基因不仅能改良大豆株型和产量，还可显著增强茎杆强度、根瘤固氮能力和种子含油量，为可持续性农业发展提供宝贵的基因资源和理论依据。
以上内容来源于南京农业大学，侵删
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