大豆是世界上最重要的油料作物之一，也是豆制食品加工业的重要原料。解析大豆产量和品质调控的遗传机制和关键基因，对于通过分子设计育种培育高产优质大豆新品种具有重要意义。大豆产量和品质相关农艺性状大部分是复杂性状，受一因多效和遗传连锁的影响，性状间呈现耦合性相关。挖掘协同调控产量和品质相关性状的关键基因和解析重要农艺性状耦合的遗传网络，可以为培育高产优质大豆品种提供重要理论基础。以往的研究往往针对大豆单一性状的调控机理进行解析，多个性状协同调控研究有限，性状间的耦合效应以及遗传调控网络并不清楚。
近日，南京农业大学宋庆鑫团队在The Plant Cell杂志在线发表了题为Integrative omics analysis elucidates the genetic basis underlying seed weight and oil content in soybean的研究论文，揭示了大豆粒重和油脂协同调控的关键基因和分子网络。
该研究以大豆自然群体为材料（图1A），利用遗传分析发现遗传序列变异对于粒重（产量性状）和籽粒含油量（品质性状）表型的调控作用呈现显著性正相关（图1B），从而解释了两者表型正相关的遗传基础。通过全基因组关联分析（GWAS）分别定位到26和33个与粒重和籽粒含油量显著关联的遗传区间，其中2个遗传区间同时调控粒重和籽粒含油量（图1C）。进一步通过全转录组关联分析（TWAS）、基因敲除和过表达等实验，发现位于其中一个遗传区间的GmRWOS1为大豆粒重和籽粒含油量的负调控基因（图1D）。该基因编码钠泵蛋白，其单倍型在人工驯化和改良中受到强烈选择。
此外，该研究鉴定到协同调控粒重和籽粒含油量的共表达网络IC79，其含有多个调控粒型和油脂代谢的已知基因包括ARF2， GmWRI1和GmLEC1等（图1E）。对其中一个基因GmUSPL1进行基因编辑发现其正向调控粒重和籽粒含油量，明确了共表达网络IC79对于协同调控粒重和籽粒含油量的重要作用。
图1 大豆粒重和籽粒含油量协同调控的关键基因和分子网络
综上所述，该研究通过多组学联合分析和遗传学实验解析了大豆粒重和籽粒含油量表型正相关的遗传基础，揭示了协同调控大豆粒重和油脂合成的关键基因和表达网络，为高油高产大豆品种改良提供了重要理论基础和基因资源。
南京农业大学博士研究生袁晓波、张梦珠和青年研究员蒋欣羽为文章的共同第一作者，江苏省农业科学院经济作物研究所陈华涛研究员提供了重要帮助和指导，南京农业大学宋庆鑫教授为通讯作者。研究得到了国家重点研发计划揭榜挂帅项目和青年科学家项目、国家自然科学基金委青年项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae062