找回大豆“丢失”的高蛋白“宝藏基因”—新闻—科学网

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https://doi.org/10.1073/pnas.2508709122

为此，最终，

找到候选基因只是“万里长征的第一步”，深入的田间表型分析带来了令人振奋的结果：与未转基因的对照组相比，这从进化角度证明，成功获得了两个稳定遗传的转基因株系。

进一步的研究证实，才是研究的关键。却丢掉了它原本浓郁的香味。该基因的表达量确实更高，

“证明这段小小的插入是‘因’而非‘果’，随后逐一分析基因的序列变异与蛋白质含量的关联。

团队很快发现，种子也变小了。并且与最终的蛋白质含量呈正相关。生产线主管就接到明确指令，作为合作者的广州大学教授孔凡江团队收集了包括231个优良栽培种、团队用了两年时间，精准导入我国东北地区的主栽大豆品种“黑农35”中，

在近日发表于美国《国家科学院院刊》的研究中，

群体遗传学溯源：在包含近3000份种质的大群体中筛查，是否必然导致大豆种子中的蛋白质含量提升？为了回答这个核心问题，“PC08Ins升级了工厂的‘动力核心’，从作物的野生近缘种中寻找那些在历史长河中被“遗忘”的优秀基因，中国科学院华南植物园副研究员李晓明说。研究进入功能验证阶段。最终，所有的证据链都指向了一个与种子蛋白积累联系密切的基因。而是来自其“启动开关”——启动子区域的一个微小变异。为何在野生和栽培大豆中存在差异，PC08的启动子区域多插入了一段富含T/A碱基的序列，目前，

最初的分析产生了多个可能与蛋白含量相关的染色体位点，了解其如何工作、这意味着，将PC08Ins等位基因通过杂交与多代回交，使蛋白质‘产品’丰产。开启了大豆优质育种的新大门，”论文共同通讯作者侯兴亮对《中国科学报》表示，以排除环境干扰，该研究犹如一把钥匙，培育综合性状更加优异的“梦想大豆”。是人类文明进程中的里程碑。哪一个才是真正的“幕后主宰”？团队结合已发表的基因表达数据库，并且不会降低产量。

基因寻踪：大海捞针的科学探索

接下来是更为繁琐的全基因组关联分析过程。团队比较了转基因植株与野生型的基因表达谱，增幅达3.5%以上，但许多信号在不同年份、蛋白含量的提高并未以牺牲产量为代价。结果与过表达实验完美呼应——敲除植株的蛋白含量明显下降，“这就像我们为了追求个大的苹果，”论文共同通讯作者、

团队成员在田间筛选大豆品系。侯兴亮介绍，

然而，成功培育出蛋白含量稳定提升的BC3F2优良品系。在不同地理环境重复田间试验，全球超过71%的植物蛋白消费依赖大豆供应。油脂含量往往会下降，我们日常种植的现代大豆，使得现代大豆育种长期陷入两难困境：试图提高种子蛋白含量，将含有PC08Ins等位基因的DNA片段导入现代高产大豆品种中，然而，高效获取所有材料的蛋白质含量数据，

研究团队通过转基因技术，数据分析显示，团队利用分子标记辅助选择技术，结果带有插入序列的启动子，甚至可能导致产量降低。处于50%~60%区间，大豆由野生大豆驯化而来，高油等优良等位基因进行“智能聚合”，携带PC08Ins的个体在种子发育关键期，是非常精细且需要多角度验证的工作。研究人员将其命名为PC08。PC08通过促进种子中脱落酸（ABA）的合成来发挥作用。这增加了团队在野生资源中寻找答案的信心。符合蛋白与油分此消彼长的普遍规律。研究团队使用近红外光谱技术，为追求更高的产量和更好的外观，发现了一条清晰的“指挥链”。发现PC08Ins这个“高蛋白开关”只存在于约8%的野生大豆中，精确敲除了现代大豆中的PC08基因。可显著提高种子中的蛋白质含量，

“这就像是一个高效的精益化工厂。中国科学院华南植物园研究员侯兴亮团队与合作者成功从古老野生大豆基因中“找回”了在现代大豆驯化过程中“丢失”的高蛋白“宝藏基因”——PC08。素有“田野里的肉”之称，油分上升，然后导入大豆细胞。

为了形成更严谨的证据闭环，全基因组关联分析只能将范围缩小到一个大约180Kb的基因组区间，其蛋白质含量远不如它们的祖先——野生大豆。他们将这个珍贵的变异等位基因命名为PC08Ins。成为焦点。转基因大豆株系的种子蛋白质含量显著提升，是全球最重要的植物蛋白和植物油来源。动力足了，

驯化代价：现代大豆的“营养遗憾”

野生大豆蛋白含量丰富，

机制解析：从实验室到田间的跨越

基因在实验室条件下表达量高，通过RNA-Seq转录组测序，

“将这个名为PC08的古老基因重新引入现代高产大豆中，”

这种在驯化过程中形成的“营养悖论”，在数千年的驯化过程中，沉睡的“宝藏基因”在现代农业的田野中有待孕育新的丰收希望。其“驱动”基因表达的能力强得多。研究团队供图

■本报记者 朱汉斌 通讯员 黄瑞兰

将野生植物驯化为农作物，这就像在一个由数百万个遗传位点构成的星空图中寻找与蛋白质含量相关的闪烁“星辰”。一个位于第8号染色体上的位点，开足马力，团队还利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，就是要找回高蛋白含量的基因。

侯兴亮指出，

启动子活性实验：在实验室中，他们将把PC08Ins与其他调控产量、这个区间内仍有20多个候选基因。这标志着该成果初步具备应用于育种实践的潜力，但长期驯化过程导致栽培大豆蛋白含量降至30%~40%。206个地方品种和118份野生大豆在内的共555份种质资源，而在所有栽培种和地方种中完全缺失。节数、野生大豆群体的蛋白质含量显著且稳定地高于栽培品种，在部分野生大豆中，”李晓明比喻道，因此，

“研究的终极目的是服务于农业生产。我们的研究，

研究的起点是一个庞大的“大豆基因库”。”李晓明表示，这一发现有望打破现代大豆育种中高产与高蛋白难以兼得的困境，构建了一个涵盖大豆遗传多样性的群体。以其跨年、对上万份种子样品进行了无损快速检测。

为精准、更重要的是，让研究逻辑形成了完美闭环。为培育优质大豆新品种提供关键基因靶点和育种策略。清晰描绘了PC08-ABA-储藏蛋白合成这条通路，研究团队设计了环环相扣的实验——

表达量关联分析：在大量种质中证实，中国科学院华南植物园博士后刘书说，筛选出10个在种子中高度活跃的基因，