近日，华南农业大学 生命科学学院王应祥课题组以及华南农业大学农学院杨存义课题组联合在Nature Communications杂志在线发表题为“Natural variation in histone demethylase GmLDL2 confers flowering time divergence for geographical expansion in soybean”的研究论文，解析了组蛋白去甲基化酶GmLDL2调控大豆开花的分子机制，并揭示了其优异单倍型适应低纬度地区的遗传基础，为“北豆南移”提供了新的基因资源。
大豆是油脂和植物蛋白的主要来源，而我国大豆80%以上依赖进口，是国家粮食安全的关键短板。华南地区作为我国大豆第三大主产区，地处热带亚热带地区，其气候条件全年适宜大豆种植，扩种大豆潜力大。而大豆是光周期反应敏感的短日作物，当高纬度地区优良品种引入到低纬度的华南地区时，会出现花期显著提前、生育期缩短、产量大幅下降的现象。因此，合适的开花时间和生育期对培育低纬度地区的大豆品种具有十分重要的意义。
本研究在华夏3号的γ-射线诱变库中筛选到一个早花突变体ef1（early flowering 1），通过BSA-seq（混池分离群体测序）定位了控制开花的候选基因GmLDL2（Lys-Specific Demethylase like 2），并利用转基因互补以及基因敲除实验验证了其功能。体内外酶活性检测结果显示GmLDL2具有组蛋白去甲基化酶活性，可特异性去除H3K4me1以及H3K4me2修饰。深入探究其分子机制发现，GmLDL2可直接结合下游靶基因GmFER（编码类受体激酶）并去除该位点的H3K4me1/2甲基化修饰导致其表达下调，从而调控开花。进一步遗传分析发现，GmFER突变可以恢复Gmldl2突变体的早花表型，说明GmLDL2调控大豆开花时间依赖于GmFER。综上，GmLDL2通过影响GmFER位点的H3K4甲基化修饰调控其表达，从而实现对大豆开花时间精确调控。
自然变异分析发现，GmLDL2基因是大豆驯化育种过程中的选择靶点，其单倍型H1和H2在育种过程中受到人工选择。单倍型H1为祖先单倍型且集中分布在低纬度地区，而单倍型H2主要分布在高纬度地区。进一步分析发现，单倍型H1的组蛋白去甲基化能力显著高于单倍型H2，导致低纬度条件种植下单倍型H1品种的开花时间明显晚于单倍型H2，从而使得单倍型H1品种的产量也远高于单倍型H2，说明单倍型H1提高了大豆对低纬度地区的适应性。
图1. GmLDL2调控大豆开花以及低纬度地区适应性机制
本研究不仅揭示了GmLDL2-GmFER模块调控大豆开花的独特分子机制，且进一步解析了大豆适应低纬度地区的遗传基础，为培育低纬度地区晚熟、高产品种以及“北豆南移”提供了重要的基因资源。
华南农业大学农学院杨存义教授课题组已毕业刘梦诗博士，现为生命科学学院博士后、岭南现代农业科学与技术广东省实验室青年研究员方圆、华南农业大学农学院博士江佳灿为论文的共同第一作者，王应祥教授和杨存义教授为通讯作者。该研究得到了广东省农业科技创新十大主攻方向“揭榜挂帅”项目、国家科技重大专项、岭南现代农业科学与技术广东省实验室项目、国家自然科学基金以及广东省珠江人才计划的支持。
生命科学学院 刘梦诗
