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东北农业大学大豆科研团队成果丰硕，多篇研究亮相权威学术期刊

花匠小妙招
2024-12-19 23:55

近年来，随着生物技术的飞速发展，基因编辑、转基因等技术在作物育种中的应用日益广泛，为作物性状的定向改良提供了前所未有的可能性。然而，不同作物在生物技术应用中的响应和效果存在显著差异。在大豆这一重要粮食作物和经济作物中，由于遗传转化效率低、基因型依赖等技术难题，生物技术的应用明显滞后于玉米、水稻等作物。

为了克服这些技术障碍，国内外众多科研团队纷纷投身于大豆生物技术研究领域，致力于提高大豆的遗传转化效率和再生能力。东北农业大学作为大豆生物学研究的重要基地，其科研团队在这一领域取得了多项突破性成果。

本文将介绍东北农业大学科研团队在《Journal of Integrative Plant Biology》、《Plant Physiology》和《Plant, Cell & Environment》等国际知名期刊上发表的最新研究成果。

《Journal of Integrative Plant Biology》近日在线发表了东北农业大学陈庆山课题组题为“A highly efficient soybean transformation system using GRF3-GIF1 chimeric protein”的研究论文，介绍了利用GRF3-GIF1嵌合蛋白显著提高大豆再生及转化效率的研究结果。

基因编辑等生物技术可以定向的改良目标性状，而稳定高效的再生体系是转基因、基因编辑等生物技术的基础。相比于玉米、水稻等作物，转基因、基因编辑等生物技术在大豆育种中的应用明显滞后，原因在于大豆遗传转化效率低，而大豆遗传转化效率受限于基因型,导致大豆再生体系建立困难。在植物体内GROWTH-REGULATING FACTOR (GRF) 可与GRF-INTERACTING FACTOR (GIF) 辅助因子互作，并形成功能性转录复合体GRF-GIF。已有报道表明GRF-GIF嵌合体蛋白可显著提高小麦、西瓜等再生能力，但其在大豆再生中的研究报道较少。

研究团队通过序列比对和扩增，从大豆基因组中获得了GmGRF和GmGIF再生相关家族基因，其中GmGRF3和GmGIF1基因在大豆器官发生过程中上调表达明显。过表达GRF3-GIF1嵌合体基因能够显著提高不同大豆品种的的再生效率和转化效率，这些品种包括再生能力极低，用传统方法难以转化的材料。GRF3-GIF1嵌合体的平均转化效率比对照组高2.74倍。继续突变GmGRF3基因的miR396b作用位点得到rGRF3-GIF1，rGRF3-GIF1嵌合体实现了更高水平的转化效率，比未使用嵌合基因时高出约4.67倍。鉴于GRF-GIF在大豆遗传转化中的显著效果，研究人员进一步将GRF3-GIF1和rGRF3-GIF1整合至CRIPSR/Cas9系统中，并成功在大豆中实现了高效的基因编辑。

此外，研究人员发现过表达GRF3-GIF1可显著提高再生植株丛生芽SAM的大小，并可促进SAM相关基因的表达，表明GRF3-GIF1参与调节器官发生过程中SAM的发育，进而影响大豆再生及转化能力。

综上所述， GRF-GIF遗传转化系统克服了大豆遗传转化率低和基因型依赖等技术难题，对于转化难度高、转化效率低的大豆品种有重要意义，有广泛的应用前景。

GRF3-GIF1嵌合体促进大豆再生转化

东北农业大学农学院大豆生物学教育部重点实验室/农业农村部大豆生物学与育种(遗传)重点实验室王志坤副研究员在国际知名期刊《Plant Physiology》（植物生理）（IF=8.005，中科院1区Top期刊）在线发表了“The tranion factors GmVOZ1A and GmWRI1a synergistically regulate oil biosynthesis in soybean”的研究论文，揭示了GmVOZ1A-GmWRI1a-GmACBP6a分子模块介导大豆种子油脂生物合成的分子机制。

大豆是重要的油料作物，研究大豆油脂合成的转录调控能为提高大豆油脂含量提供科学依据。GmWRI1a是调控大豆油脂合成通路中的主要转录激活因子之一，该团队前期研究发现，GmWRI1a基因通过调控油脂合成相关基因的上调表达促进大豆油脂产量。

该研究利用酵母双杂交文库筛选方法，在大豆种子酵母cDNA文库中筛选到一个新的候选互作蛋白维管一锌指蛋白（GmVOZ1A）。在大豆中过表达GmVOZ1A基因，提高了GmVOZ1A-OE转基因大豆种子油分和总脂肪酸的含量。GmVOZ1A-OE大豆种子转录组分析表明，GmVOZ1A通过调节参与脂肪酸生物合成相关基因的表达来增强种子脂肪酸和油脂合成。相反，GmVOZ1A基因功能丧失导致大豆毛状根中三酰甘油（TAG）含量显著降低。利用体内外蛋白-DNA相互作用试验和遗传学试验证实了转录因子GmWRI1a和GmVOZ1A共同上调脂肪酸合成途径中编码酰基辅酶A结合蛋白（acyl-CoA-binding protein, ACBP）的GmACBP6a基因的表达，并协同促进大豆中TAG的积累。GmACBP6a过表达提高了大豆种子脂肪酸和油脂含量，增加了种子大小和百粒重。

综上所述，该研究证实了转录因子GmVOZ1A可以正向调控大豆油脂合成，并与GmWRI1a协同上调大豆GmACBP6a的表达，共同促进大豆种子油脂生物合成，揭示了GmVOZ1A-GmWRI1a-GmACBP6a模块调控大豆油脂生物合成的分子机制，丰富了人们对大豆油生物合成调控机制的认识。

东北农业大学陈庆山教授团队辛大伟教授课题组又在国际知名学术期刊《Plant, Cell & Environment》（中科院一区TOP期刊，五年IF=7.6）在线发表了题为“Single‐Cell RNA‐Sequencing of Soybean Reveals Tranional Changes and Antiviral Functions of GmGSTU23 and GmGSTU24 in Response to Soybean Mosaic Virus”的研究论文，构建了大豆花叶病毒（SMV）侵染后的大豆叶片单细胞转录组图谱，并应用于大豆抗病毒相关基因的挖掘。

SMV侵染引起的大豆花叶病毒病是大豆生产上的重要病害，在世界各大豆产区普遍发生，可造成大豆叶片花叶、畸形、坏死，植株矮化，种粒斑驳等多种症状，严重影响大豆产量和品质。研究病毒与寄主植物细胞的互作网络，明确病毒侵染后寄主植物细胞基因表达模式的变化，对于解析SMV的致病机制，培育抗SMV大豆新品种具有重要意义。然而，传统的RNA测序技术只能测定样品中所有细胞的平均基因表达水平，无法反映不同类型细胞间基因表达的差异。单细胞测序技术的出现为克服该问题提供了有力工具。

SMV侵染后的大豆叶片单细胞转录组测序

Plant, Cell & Environment近日在线发表了东北农业大学农学院大豆遗传改良团队题为“Tranional and Metabolomic Analyses Reveal That GmESR1 Increases Soybean Seed Protein Content Through the Phenylpropanoid Biosynthesis Pathway”的研究论文。介绍了利用转录组和代谢组联合分析解析过表达GmESR1显著提高大豆籽粒蛋白质含量的研究结果。

大豆是重要的粮食作物和经济作物，其种子中含有丰富的蛋白质和油脂，与动物蛋白相比，大豆种子蛋白质具有更高的营养价值、更低的成本和更丰富的功能成分，在粮食供给、食品工业和禽畜饲料处于重要地位，其中豆粕在饲料蛋白中的占比达到80%以上。目前大豆种子蛋白质积累的分子机制的研究具有一定进展，但是近些年大豆育种的主要目标为提升产量，蛋白质含量总体上呈现下滑趋势。这为培育高蛋白的优质大豆品种带来了很大的挑战。与动物细胞不同，植物细胞被细胞壁包围，从而影响植物细胞的分裂和伸长。细胞壁可以决定细胞和组织形态，并且营养成分可以推动植物的生长发育，所以细胞壁的结构变化也会引起植物营养物质的累积和分配效率，越来越多基因表达模式表明，细胞壁组分的有益调整会促进植物细胞营养的主动获得，但其在大豆籽粒发育过程中如何影响品质的研究报道较少。

研究团队基于前期鉴定了一个EREBP型转录因子GmESR1（Enhancer of Shoot Regeneration），过表达GmESR1后会显著提高籽粒蛋白质含量，而对油分含量无影响。通过扫描电镜分析发现GmESR1会显著提升蛋白质体（SSP）的大小。通过转录组和代谢组学联合分析发现，在子粒mm时期鉴定到了95个差异表达基因（DEG）和83个差异代谢物（DAM）。通过联合分析和生理指标检测发现，过表达GmESR1通过苯丙烷生物合成途径，抑制木质素、纤维素、半纤维素和果胶的生物合成，从而使细胞内的生物量进行再分配。同时发现在子粒发育过程中GmESR1与AATATTATCATTAAGTACGGAC基序结合，并抑制GmCCR的转录。此外过表达GmESR1会提高子粒发育时期的蔗糖转运marker基因的表达量，提高蔗糖的转运速率。该研究为了解GmESR1提高大豆籽粒蛋白质含量的基因功能以及大豆籽粒蛋白质积累过程中的作用机制提供了新的见解，有助于加快高蛋白大豆分子辅助育种的进程。

过表达GmESR1提高大豆籽粒蛋白质含量的作用机制

综上所述，东北农业大学的研究团队在大豆生物学领域取得了多项重要突破。通过利用GRF3-GIF1嵌合体提高大豆再生及转化效率，揭示了GmVOZ1A-GmWRI1a-GmACBP6a模块调控大豆油脂生物合成的分子机制，构建了SMV侵染后的大豆叶片单细胞转录组图谱，以及解析了过表达GmESR1显著提高大豆籽粒蛋白质含量的作用机制，这些研究不仅丰富了大豆生物学的基础理论，还为大豆育种实践提供了重要的科学依据和技术支撑，对于推动大豆产业的可持续发展具有重要意义。

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