大豆GmRAV作為光周期抑制因子可延遲大豆開花和成熟

　　2021年6月4日，Plant Physiology在線發表了東北農業大學大豆生物學教育部重點實驗室趙琳研究組完成的題為“GmRAV confers ecological adaptation through photoperiod control of flowering time and maturity in soybean”的研究論文。該研究發現大豆GmRAV作為關鍵的光周期抑制因子可延遲大豆開花和成熟。

　　光周期嚴格控制著大豆（Glycine max）的營養和生殖生長階段。不同的大豆品種表現出不同的開花和成熟期模式，這有助于它們適應不同的生態環境。然而，由于大豆是一種典型的光周期敏感性短日照植物，因此大豆品種的種植面積僅被限制在非常狹窄的緯度范圍內。適應高緯度地區長日照條件需要提前開花和降低光周期敏感性，而適應低緯度地區短日照條件需要延遲開花，這可以延長植物營養生長以獲得最大的產量潛力。因此，開花時間和成熟期是決定大豆生產力的關鍵因素，它們受多個基因和位點的調控。

　　RAV亞家族成員在植物葉片衰老和開花發育過程中發揮重要作用，擬南芥AtRAV2-like和AtRAV2是光周期通路中的開花抑制因子。與擬南芥RAV同源的大豆基因GmRAV（RELATED TO ABI3/VP1）負調控短日照介導的開花。本研究的目的是明確GmRAV自然變異對生態適應的遺傳影響，以及闡明GmRAV調控大豆開花時間和成熟期的分子機制。

　　通過多態性-生長期關聯分析發現，GmRAV 啟動子上的六個單核苷酸多態性（M18、M30、M47、M60、M64、M66）與大豆在一種或多種環境中的開花時間和成熟度顯著相關。具有輕微多態性的大豆品種表現出較長的生長周期，有助于大豆適應低緯度地區。GmRAV 啟動子上的順式作用元件 GT1CONSENSUS 基序控制生長周期，該基序中的主效等位基因（M30_major allele）通過降低GmRAV表達水平來縮短生殖階段后期的持續時間。

　　與對照植株相比，GmRAV過表達轉基因株系的開花時間和成熟期延遲，株高矮小，葉子數量減少。而抑制GmRAV的表達則導致開花時間和成熟期提前，株高增加（圖1）。結合DNA親和純化測序和RNA測序分析發現，有154個推定的靶基因可能與GmRAV直接結合并受其轉錄調控。經進一步鑒定出GmRAV 的兩個結合基序[C(A/G)AACAA(G/T)A(C/T)A(G/T)]和 [C(T/A)A(C)C(T/G)CTG]，這與擬南芥中的報道類似，即AtRAV1蛋白的AP2和B3結構域能夠協同結合到特定的靶標序列（CAACA和CACCTG基序）。GmRAV通過結合 CAACA 基序抑制 GmFT5a和GmMULE（Mutator-like transposable elements）的轉錄活性，從而延遲大豆生長并延長了營養和生殖階段。

　　圖1. GmRAV抑制開花時間和成熟期

　　已知開花時間和成熟期主要遺傳位點E3（GmPHYA3）和E4（GmPHYA2）在長日照條件下的光周期開花調控中起關鍵作用。時程依賴性表達分析顯示，長日照條件下，GmRAV在E1E2E3E4近等基因系中的mRNA水平較E1E2e3e4顯著降低，表明GmRAV作用于E3/E4下游。

　　綜上，兩個光敏色素A光感光受體E3/E4誘導GmRAV的表達。GmRAV蛋白通過與GmFT5a和GmMULE啟動子直接結合來抑制它們的轉錄，從而延遲開花和成熟。

　　圖2. 大豆GmRAV在開花時間和成熟期調控中的功能模型