研究人員發(fā)現(xiàn)鉬酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因可提高大豆產(chǎn)量

在《當(dāng)代生物學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告了控制大豆芽中鉬濃度的關(guān)鍵基因的鑒定，并解開(kāi)了鉬肥如何提高大豆產(chǎn)量的謎團(tuán)。

鉬是植物生長(zhǎng)不可缺少的微量元素。對(duì)于豆科植物尤其是大豆來(lái)說(shuō)，鉬肥尤為重要。通常認(rèn)為豆科植物對(duì)鉬的高需求與共生固氮所需的大量鉬有關(guān)。然而，這一假設(shè)似乎與葉面鉬肥的實(shí)際應(yīng)用相矛盾，因?yàn)楦龉痰l(fā)生在根部。

大豆是膳食蛋白質(zhì)和油最重要的植物來(lái)源，這使得大豆對(duì)全球糧食安全和人類(lèi)健康至關(guān)重要。盡管大豆很重要，但科學(xué)家此前并不清楚不同的大豆品種在鉬利用率方面是否表現(xiàn)出自然差異，如果存在，這種潛在的差異可能如何影響大豆生產(chǎn)以及如何利用這些差異。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越中心晁代銀課題組和中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志熙課題組目前的研究有助于回答這些問(wèn)題。

通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)研究和離子組學(xué)，研究人員確定了兩個(gè)基因GmMOT1.1和GmMOT1.2，它們控制大豆中鉬酸鹽吸收和運(yùn)輸?shù)淖匀蛔兓?/p>

通過(guò)進(jìn)一步分析，他們揭示了大豆品種中GmMOT1.1和GmMOT1.2的5個(gè)主要單倍型，其中單倍型5表現(xiàn)出最高的表達(dá)和鉬轉(zhuǎn)運(yùn)能力，而單倍型4表現(xiàn)出最低的表達(dá)和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。隨后一系列的遺傳和分子實(shí)驗(yàn)表明，GmMOT1.1和GmMOT1.2參與根部對(duì)鉬酸鹽的吸收以及鉬酸鹽從根到莖的運(yùn)輸。

研究人員還觀察到，當(dāng)GmMOT1.1和GmMOT1.2的功能受損時(shí)，大豆的鉬含量和產(chǎn)量均顯著下降。相反，增強(qiáng)它們的功能可以顯著提高鉬的利用率和大豆產(chǎn)量。

有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)GmMOT1.1和GmMOT1.2不會(huì)影響大豆根瘤的固氮能力或其他氮同化過(guò)程。他們?cè)诖蠖谷~中發(fā)現(xiàn)了一種與鉬結(jié)合的醛氧化酶，可以催化生長(zhǎng)素的合成，其催化活性取決于鉬含量。

當(dāng)GmMOT1.1和GmMOT1.2的功能增強(qiáng)時(shí)，葉片鉬濃度增加，促進(jìn)生長(zhǎng)素合成和葉片生長(zhǎng)，最終提高大豆產(chǎn)量。這一結(jié)果完美地解釋了為什么直接在葉子上噴灑鉬肥可以提高農(nóng)業(yè)中大豆的產(chǎn)量。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基因不同單倍型的分布與土壤pH值密切相關(guān)。功能亢進(jìn)的單倍型主要分布在酸性、低鉬土壤地區(qū)，而功能低下的單倍型往往出現(xiàn)在堿性、高鉬土壤地區(qū)。這一結(jié)果表明，這兩個(gè)基因可用于設(shè)計(jì)分子標(biāo)記，以培育適應(yīng)不同土壤pH水平的定制大豆品種。

該研究揭示了大豆中鉬含量自然變化的遺傳基礎(chǔ)，揭示了葉面鉬肥促進(jìn)豆類(lèi)作物大豆產(chǎn)量的機(jī)制，并根據(jù)土壤pH值確定了定制大豆育種的分子標(biāo)記?？偠灾瑸檫M(jìn)一步優(yōu)化大豆種植和育種策略，培育營(yíng)養(yǎng)高效型大豆品種提供了強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。

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