近日，水土保持研究所與浙江理工大學生命科學與醫藥學院梁宗鎖教授團隊聯合在國際期刊International Journal of Biological Macromolecules（IF=6.95）線上發表了題為“Based on the whole genome clarified the evolution and expression process of fatty acid desaturase genes in three soybeans”的研究論文。該研究首次在三個大豆基因組範圍蒐索FAD基因，並進一步將蒐索到的75個FAD家族成員分為四個亞組。系統發育樹、基因結構、基序和啟動子分析表明，FAD基因家族在三種大豆中均保持保守。每個亞家族成員數目在3個大豆品種中的差异表明，每個亞家族在栽培和馴化過程中受到不同的選擇壓力。對FAD啟動子序列的順式元件分析表明，FAD基因上游序列含有豐富的光、激素和非生物脅迫敏感的順式元件，表明調控這些脅迫可以提高大豆的品質。該研究還對FAD家族的保守性、複製和新功能化在大豆馴化中的重要作用，探討大豆作為全球重要油料作物的進化及馴化歷程。
植物FAD基因在許多方面催化脂肪酸的去飽和，並在某些非生物脅迫下對調節脂肪酸組成和調節膜流動性發揮重要作用，尤其是在鹽脅迫下。大豆大約在6000-9000年前在中國被馴化。由於瓶頸和人類的選擇，栽培大豆的遺傳多樣性遠遠低於野生大豆。這種减少的變異有可能導致一些與不同環境耐受性有關的基因遺失。然而，具有高度等位基因多樣性的野生大豆可能囙此成為適應特定環境條件的基因資源，通過育種將其重新引入栽培大豆，這是因為野生大豆和馴化大豆之間沒有生殖障礙。Williams 82是一種栽培大豆，在20世紀80年代發展起來，它是地方品種，在韓國用作品種發展的祖先；“Zhonghuang 13”是我國科學家於2001年培育的一個大豆品種，它來源於具有高產能力和高抗逆性的品種資料。中國野生大豆品種W05在大豆中具有很高的耐鹽性。囙此，對這三個大豆品種FAD基因家族進行比較分析，可以揭示FAD基因家族在大豆馴化過程中的進化過程，對栽培大豆育種有一定的指導意義。此外，土壤中過量的溶解鹽會影響植物生長和作物產量。受鹽鹼影響的土壤占世界總土地面積的8%，據估計，到2050年，受鹽鹼化影響的農業用地面積將翻一番。囙此，野生大豆W05耐鹽基因的鑒定將有助於栽培大豆的耐鹽育種和持續生產。
該研究發現中國栽培大豆的一些ω-去飽和酶亞家族比預期的要大得多，並認為該亞家族的新功能化新增是由於栽培和馴化過程中不同的選擇壓力所致。本研究還分析了W05在鹽脅迫下的FAD基因表達，GsSLD1和GsSLD2在鹽處理的所有根和葉中均表達下調。有趣的是，根中GsSLD1和GsSLD2基因轉錄水准在1h和2h鹽脅迫下顯著上調，這表明這些FAD基因可能調節到適當的水准以保護大豆細胞膜免受鹽脅迫。一些GsFAD基因在不同的鹽脅迫下表達差异，這表明了FAD基因在環境適應中的廣泛參與。綜合分析有助於篩選出進一步功能鑒定的FAD候選基因，有利於大豆農藝性狀和環境抗性的遺傳改良，為探索大豆FAD基因的功能並為提高大豆品質提供新方案。
中國科學院水利部水土保持研究所，浙江理工大學生命科學與醫藥學院夏鵬國副教授和梁宗鎖教授為論文的共同通訊作者，中國科學院水利部水土保持研究所在讀博士生張冰雪為論文第一作者。上述研究得到了國家自然科學基金和浙江省自然科學基金等項目的資助。
論文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141813021011429
三個大豆品種，擬南芥和水稻中的FAD成員蛋白序列的系統進化樹
大豆FAD基因啟動子序列的順勢作用元件預測結果
不同時間鹽脅迫下野生大豆根和葉中FAD基因表達及樣品和FAD基因間的相關性熱圖
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