大豆开花和高产背后的微观世界

 
 
大豆开花和高产背后的微观世界  
 

古代豆腐加工制作流程 图片来源：刘玉明

不同大豆品种的光周期敏感性比较。左侧植株为光周期钝感型品种，可以正常成熟；右侧植株为光周期敏感型品种，持续营养生长，不能正常成熟。图片来源：孔凡江

野生大豆和栽培大豆的比较左侧植株为驯化前的野生大豆，右侧植株为驯化后的栽培大豆。图片来源：孔凡江

孔凡江回国从事大豆研究10年了，依然深感大豆事业任重道远。

“与大豆主产国相比，我国大豆单产较低，关键技术仍待突破。提高产量是当前我们大豆研究工作者面临的最主要问题。”广州大学分子遗传与进化创新研究中心研究员孔凡江告诉《中国科学报》。

幸运地是，研究团队长期的坚持和系统深入的研究，近年来不断有了新突破。

近日，孔凡江与同事刘宝辉研究员团队，以及中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员田志喜团队等合作，首次系统报道了大豆驯化过程中开花期基因的进化与选择分子机制，并确认了光周期开花是作物核心的驯化性状。这为大豆分子模块挖掘与设计育种，培育高产、优质的大豆栽培品种奠定了理论基础。相关研究成果在《自然—遗传学》上发表。

解决了一个争议

大约5000年前，栽培大豆起源于我国，北纬30°—45°黄淮海区域的野生大豆驯化为今天的栽培大豆。用大豆加工的食品在我国饮食文化中占有举足轻重的地位，豆腐和酱油等豆制品是中华文明的重要遗产之一。

过去的研究表明，大豆是光周期敏感的高温短日照作物，成熟期是影响大豆产量和品质的重要因素之一。在大多数植物生长发育过程中，必须经过一定时间的日照长度后才能开花，否则将一直处于营养生长状态。而光周期现象即一种昼夜周期中光照期和暗期长短的交替影响植物开花的效应。

“大豆对光周期的反应通常影响着成熟期的长短、从而影响产量。具体表现为同一品种在低纬度地区光照时间短，开花期提前，成熟较早，产量低；而在高纬度地区光照时间长、晚开花、晚成熟、产量高。”论文通讯作者之一孔凡江表示。

不过，目前，栽培大豆的范围已大大拓展，既能在高纬度的俄罗斯种植，也能在赤道附近的巴西等国家种植。

大豆是如何降低对光周期敏感性，而让自己具有了广泛的生态适应性呢？这是自然选择的变异还是人工驯化的结果呢？

论文通讯作者之一刘宝辉从事大豆重要性状遗传与功能基因研究20年了。他告诉《中国科学报》，作物从野生种到农家种的驯化过程经历了一系列性状的人工改良，比如休眠性减弱、种子落粒等，这些性状也被成为“驯化综合特征性状”。而关于光周期是否是驯化综合特征性状一直存在争论。

研究人员利用基因组学分析、生物信息学和经典正向遗传学相结合的方法，发掘并克隆了调控大豆光周期的两个关键位点Tof11和Tof12。

研究发现，Tof12-1基因上光周期钝感的选择可能是大豆早期驯化的关键事件，可能与Shat1-5, GmHs1-1和G基因上对落荚性、种子硬度和休眠性的选择相伴发生。这一结果证实了光周期适应性改变可能是作物早期驯化的重要进化步骤，是大豆作物核心的驯化性状。

来自同源基因的影响

尽管当前大豆种植广泛，但由于其高敏感度的光周期特征，单个大豆品种所能适应的纬度范围很窄。这并不利于大豆品种的推广。