2024年7月23日，我院大豆团队在Nature Communications 在线发表了题为Subfunctionalisation and self-repression of duplicated E1 homologues finetunes soybean flowering and adaptation的研究论文，揭示了作为古四倍体的大豆在染色体加倍过程中，其特异的光周期调控开花的核心调控因子E1基因家族的进化历程。分析了包括E1基因家族中E1Lb基因的突变对栽培大豆高纬度地区适应性的贡献，以及包括E1Lb基因在内的一系列基因的突变对野生大豆高纬度地区适应性的贡献。
大豆是光周期敏感的短日照作物。团队前期研究表明，大豆具有特异的，以E1基因家族为核心的光周期调控途径1，然而E1家族基因间的关系并不明确。此外，目前栽培大豆的高纬度地区适应性机制和关键位点的相关研究已经较为完备，但野生大豆的的高纬度地区适应性的相关研究较少2，挖掘其关键基因和优异等位变异并导入到栽培大豆中，对打破遗传瓶颈，培育适应高纬度地区高产大豆具有重要的意义。
E1基因家族是大豆光周期反应的核心特异调控因子，在大豆的染色体加倍的进化过程中，大豆E1基因复制为三个同源拷贝E1、E1La和E1Lb，然而这三个E1基因间的关系目前尚未可知。该研究发现E1家族基因在进化过程中发生了亚功能化：E1的两个同源蛋白E1La和E1Lb在N端的第12个氨基酸变化导致了它们核定位能力的下降，无法准确进入细胞核，使它们对下游基因FT2a和FT5a的抑制能力减弱。此外，E1基因家族的三个蛋白都可以结合自身及其两个同源基因的启动子并抑制转录活性，使它们具有了自抑制和互相抑制的能力。E1家族基因的亚功能化和自抑制能力使染色体加倍过程中复制的大豆开花抑制因子E1的抑制开花能力保持在一个合适的范围，避免了开花的过度延迟。
图：E1基因家族的亚功能化和自抑制能力（蓝色椭圆代表细胞核）
该研究还发现E1Lb编码了一个在长日照条件下控制大豆开花期的位点Tof4b。分子机制解析表明，Tof4b 能够直接调控 FT2a和FT5a 的表达，进而促进大豆开花，提高野生大豆对高纬度的适应性。在长日照条件下，Tof4b的部分功能缺失型等位变异tof4-1能够促进大豆开花，提高野生大豆对高纬度地区的适应性。该等位变异通过染色片段渗入成为了栽培大豆高纬度地区的适应性的重要等位变异，在tof4b-1基础上突变的tof4-2则更进一步提高了栽培大豆对更高纬度地区的适应性。该研究还发现了揭示了E1，Tof4 (E1La)、Tof4b (E1Lb)，Tof5和Tof12的突变在野生大豆高纬度地区适应性中的重要意义。
这些结果揭示了大豆特异的光周期调控开花的核心调控因子E1基因家族的进化历程，挖掘了包括E1Lb在内的一些列具有提高大豆高纬度地区适应性潜力的基因及其候选等位变异。为培育适合在高纬度地区种植的高产大豆品种提供了重要的理论基础和遗传资源。
广州大学生命科学学院副教授方超、博士后孙志慧、李世晨、苏彤、王玲爽、副教授董利东为论文的共同第一作者，刘宝辉教授、孔凡江教授、芦思佳教授为论文的通讯作者，广州大学为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、国家重点研发项目、广东省基础与应用重点项目等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50623-3
Chao Fang*, Zhihui Sun*, Shichen Li*, Tong Su*, Lingshuang Wang*, Lidong Dong*, Haiyang Li, Lanxin Li, Lingping Kong, Zhiquan Yang, Xiaoya Lin, Alibek Zatybekov, Baohui Liu#, Fanjiang Kong#, Sijia Lu#.Subfunctionalization and self-repression of duplicated homologues finetunes soybean flowering and adaptation. Subfunctionalization and self-repression of duplicated homologues finetunes soybean flowering and adaptation. Nature Communications. 2024. 15, 6184.
相关论文：
1. Mechanisms underlying key agronomic traits and implications for molecular breeding in soybean. Chao Fang*, Haiping Du*, Lingshuang Wang*, Baohui Liu, Fanjiang Kong#. Journal of Genetics and Genomics. 2024. DOI:10.1016/j.jgg.2023.09.004.
2. The genetic basis of high-latitude adaptation in wild soybean. Lidong Dong#,*, Shichen Li*, Lingshuang Wang*, Tong Su*, Chunbao Zhang, Yingdong Bi, Yongcai Lai, Lingping Kong, Fan Wang, Xinxin Pei, Haiyang Li, Zhihong Hou, Haiping Du, Hao Du, Tai Li, Qun Cheng#, Chao Fang#, Fanjiang Kong#, Baohui Liu#. Current Biology. 2023. 33:252-262.e4.
