“Mo”非大豆是這樣變多的？科學(xué)家找到大豆鉬肥增產(chǎn)關(guān)鍵基因！

2023年11月22日，國際植物學(xué)權(quán)威期刊《當(dāng)代生物學(xué)》在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組聯(lián)合中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜研究組合作完成的研究論文。該研究通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，成功地克隆了兩個(gè)調(diào)控大豆籽粒鉬含量自然變異的關(guān)鍵基因——GmMOT1.1與GmMOT1.2。研究結(jié)果表明，這兩個(gè)基因通過促進(jìn)大豆葉片鉬依賴的生長素合成，增大葉片光合面積，進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)基因具有5種單倍型，并且這些單倍型的地理分布與土壤酸堿度具有密切關(guān)系，從而可為適應(yīng)不同土壤類型的大豆定制性育種提供指導(dǎo)性的分子標(biāo)記。

鉬（Mo）是植物生長中不可或缺的微量元素，它在多個(gè)生物生長過程中發(fā)揮重要的作用。而對于豆科植物而言，鉬肥尤其重要。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，常常需要通過施加葉面鉬肥來提高豆類作物的生產(chǎn)潛能。通常認(rèn)為，豆科植物對于鉬肥的超高需求與豆科植物生物固氮過程中對于鉬元素的高需求有關(guān)。然而這一理論與生產(chǎn)上需要將鉬肥陪撒在葉片上有所沖突，因?yàn)楦龉痰l(fā)生在根部，但植物中并沒有由葉面向根部運(yùn)輸?shù)V質(zhì)營養(yǎng)的報(bào)道。因此，葉面鉬肥促產(chǎn)的原因可能存在未知的機(jī)制。

大豆是人類最主要作物之一，是人類最主要的蛋白質(zhì)和油料來源。它的產(chǎn)量關(guān)系糧食安全和國家安全。然而對于不同大豆品種之間是否存在吸收利用鉬能力的自然變異，這些變異如何影響大豆生產(chǎn)，以及如何利用這些變異，人們?nèi)匀灰粺o所知。

研究人員利用離子組學(xué)和全基因組關(guān)聯(lián)分析，克隆到了兩個(gè)調(diào)控大豆鉬含量自然變異的基因GmMOT1.1與GmMOT1.2。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，大豆自然品系中包含5種主要單倍型，其中第5個(gè)單倍型在大豆中的表達(dá)量以及鉬轉(zhuǎn)運(yùn)能力為最高，而單倍型4表達(dá)量和鉬轉(zhuǎn)運(yùn)能力最低。一系列遺傳和分子實(shí)驗(yàn)表明，GmMOT1.1與GmMOT1.2參與大豆根部對鉬的吸收以及根部從地上部鉬的轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)GmMOT1.1與GmMOT1.2功能降低時(shí)，突變體鉬含量及產(chǎn)量皆顯著降低，而GmMOT1.1的增強(qiáng)則能夠顯著提升鉬含量及大豆產(chǎn)量。因此兩基因調(diào)控了大豆地上部的鉬含量，并且進(jìn)一步影響大豆產(chǎn)量。

有意思的是，GmMOT1.1與GmMOT1.2并沒有影響根瘤的固氮能力，也沒有影響其他的氮同化過程。讓人出乎意料的是，GmMOT1.1與GmMOT1.2的突變體和超表達(dá)植株中，葉片的生長素含量發(fā)生了顯著變化，其中突變體葉片生長素含量顯著降低而超表達(dá)株系葉片生長素含量升高。進(jìn)一步的研究表明，大豆葉片中存在一種鉬結(jié)合醛氧化酶，它們能夠催化吲哚-3-乙醛合成生長素吲哚-3-乙酸，但催化活性依賴于鉬的含量。因此，當(dāng)GmMOT1.1與GmMOT1.2的功能變強(qiáng)時(shí)，葉片鉬含量增加，從而促進(jìn)生長素的合成和葉片生長，進(jìn)而增加了大豆產(chǎn)量。這一結(jié)果也解釋了為什么農(nóng)業(yè)上可以通過直接噴灑葉片鉬肥來促進(jìn)大豆產(chǎn)量。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)基因的不同單倍型在中國不同種植區(qū)的分布情況與土壤pH之間有著密切的聯(lián)系，功能強(qiáng)的單倍型主要分布在酸性低鉬土壤地區(qū)，而弱功能單倍型則偏向于分布在堿性高鉬土壤地區(qū)，顯示兩者受到了人工選擇。這一結(jié)果表明，可以利用這兩個(gè)基因設(shè)計(jì)成分子標(biāo)記，用于培育適應(yīng)不同酸堿度土壤的定制化大豆高產(chǎn)品種。

該研究揭示了大豆籽粒鉬含量自然變異的遺傳機(jī)制，闡明了豆類作物葉片鉬肥促產(chǎn)的作用原理，發(fā)掘了根據(jù)土壤酸堿度定制化大豆育種的分子標(biāo)記，為進(jìn)一步優(yōu)化大豆種植和育種策略以及培育營養(yǎng)高效型大豆品種提供了有力的科學(xué)依據(jù)。