如果能夠成功揭開大豆光周期的奧秘，將有可能推動(dòng)我國(guó)大豆種植邊界的前移和種植面積的擴(kuò)大。
自上世紀(jì)20年代，科學(xué)家們以大豆等作物為材料發(fā)現(xiàn)光周期現(xiàn)象近百年來，人們對(duì)該現(xiàn)象的研究在模式作物擬南芥及水稻中取得了一系列的突破性進(jìn)展。而在大豆中，因未能克隆出控制光周期反應(yīng)及生育期的功能基因，相關(guān)研究進(jìn)展緩慢。
近日，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者從中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所獲悉，該所研究人員已經(jīng)完成大豆幾個(gè)主要生育期基因E1、E2、E3、E4的克隆，將有望揭開大豆光周期的奧秘。
大豆光周期研究的重大突破
光周期現(xiàn)象是生物對(duì)晝夜光暗循環(huán)格局的反應(yīng)。大多數(shù)一年生植物的開花決定于每日日照時(shí)間的長(zhǎng)短。此前，科學(xué)家通過遺傳學(xué)方法明確了大豆生育期位點(diǎn)E1至E8及J等位點(diǎn)，其中E1、E3、E4及E7與大豆光周期反應(yīng)密切相關(guān)。
近來，東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)所的大豆分子育種團(tuán)隊(duì)與國(guó)外研究者進(jìn)行相關(guān)合作，已經(jīng)完成了對(duì)大豆幾個(gè)主要生育期基因E1、E2、E3、E4的克隆。
“大豆生育期基因的克隆具有重要的理論與實(shí)踐意義。幾個(gè)主要功能基因的明確，為人們最終揭開大豆光周期反應(yīng)的神秘面紗提供了重要保證與可能。”東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所大豆分子育種實(shí)驗(yàn)室研究員夏正俊向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者介紹道。在理論上，大豆生育期基因的克隆不僅為研究大豆光周期反應(yīng)的機(jī)理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使研究有了明確目標(biāo)，同時(shí)也開啟了不斷深入了解大豆光周期反應(yīng)本質(zhì)的第一步。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐上，人們以前是通過在不同地區(qū)種植大豆品種，并根據(jù)其田間的觀察，如開花期或成熟期表型的變化來確定品種的表型反應(yīng)特性。
“隨著主要生育期基因的成功克隆，為未來通過分子育種來定向培育品種的生育期打下基礎(chǔ)，也為克隆更多微小生育期基因鋪平了道路。總之，大豆生育期基因的成功克隆是我國(guó)科學(xué)家對(duì)大豆光周期反應(yīng)的重要貢獻(xiàn)。”夏正俊說。
克隆成功背后的“血淚史”
此次克隆如此眾多的大豆生育期基因，科研人員付出了怎樣的努力？不夸張地說，每一個(gè)基因的成功克隆，“背后都有一部血淚史”。
通過圖譜位來克隆大豆中的功能基因是一個(gè)痛苦而漫長(zhǎng)的過程。在已克隆的基因中，相關(guān)工作早已在大豆基因組序列發(fā)表前就已進(jìn)行，并遇到了這樣的問題：有用的分子標(biāo)記少，群體數(shù)量少，即想獲得的重組體的數(shù)量不足，這導(dǎo)致所定位的區(qū)間在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)得不到有效地縮短。
“比如我主要參加的E1基因的克隆。”他說。E1基因是大豆中影響開花的最主要的功能基因，但是由于這個(gè)基因處于大豆第六染色體的著絲粒附近，重組率極低。
科研人員開始用了1400多個(gè)個(gè)體，只將E1定位到近300kb區(qū)域，此區(qū)間還有近40個(gè)基因。因此，他們將群體擴(kuò)大到13000多個(gè)個(gè)體，對(duì)每一個(gè)種子進(jìn)行相關(guān)的基因型鑒定，確定了10個(gè)極其珍貴的重組體，終于使得E1基因定位到單基因水平。
“再有，大豆的遺傳轉(zhuǎn)化效率低，也大大影響了所克隆出的基因的功能驗(yàn)證。”夏正俊說。
將功能基因引入分子育種
此前，我國(guó)著名的大豆育種家王金陵教授培育出了對(duì)大豆光周期不敏感的品種東農(nóng)50，使得我國(guó)大豆的種植北界向前推伸了近200公里。目前，我國(guó)大豆生產(chǎn)處于一個(gè)重要時(shí)期，國(guó)內(nèi)大豆種植面積逐年下降，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總量占總的國(guó)內(nèi)總消費(fèi)量的比例越來越小，受到其他高產(chǎn)高效糧食作物影響的同時(shí)，還承受者國(guó)外廉價(jià)的轉(zhuǎn)基因大豆的壓力。“究其原因與我國(guó)大豆生產(chǎn)力的低下、產(chǎn)量不高與品質(zhì)低下有關(guān)。”夏俊峰說，“如果能夠成功揭開大豆光周期的奧秘，將有可能推動(dòng)大豆種植邊界的前移和種植面積的擴(kuò)大。”
他進(jìn)一步表示，從國(guó)內(nèi)外的優(yōu)良品種的培育現(xiàn)狀與發(fā)展歷史來看，分子設(shè)計(jì)育種代表著未來的方向，在大豆中明確的功能基因越多，對(duì)于開展分子設(shè)計(jì)育種越為有利。大豆光周期基因的研究不僅可以使科學(xué)家能直接用于分子設(shè)計(jì)育種，而且還對(duì)大豆中與產(chǎn)量及品質(zhì)性狀的研究提供成功的范例。“未來我們要將大豆生育期基因的研究應(yīng)用到分子育種中去，可根據(jù)生育期要求來設(shè)定理想的基因型，當(dāng)然，這還有很長(zhǎng)的路要走。”（彭科峰 席芹可）
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