山东大学向凤宁教授团队揭示耐盐基因GmPM30编码区一个单碱基变异提高大豆产量及耐盐碱性的新机制

10月6日，山东大学生命科学学院向凤宁教授团队在Advanced Science杂志发表题为“A Coding SNP inGmPM30Enhances Soybean Salinity Tolerance and Yield through the GmLEA1-GmPM30-GmLEC1 Module”的研究论文。研究揭示了耐盐基因GmPM30编码区一个单碱基变异提高大豆产量及耐盐碱性的新机制。在读博士研究生黄仕钰为该论文第一作者，向凤宁教授、李朔副教授和鲁庆研究员为共同通讯作者，山东大学为唯一第一作者和通讯作者单位。

大豆是我国重要的粮油兼用作物，面临供需矛盾突出、进口依赖度高等严峻挑战。我国大豆产量及种植面积受到土壤盐渍化限制，急需利用分子育种技术培育高产及耐盐碱大豆新品种。尽管一些大豆耐盐基因已获遗传验证，但其自然变异在种质群体水平耐盐碱性中的作用及其调控机制仍不明确。

图1：GmPM30单倍型及其耐盐碱性鉴定及其调控机理解析

该研究发现大豆胚胎晚期富集蛋白（LEA）GmPM30促进大豆耐盐性。对来自野大豆、农家种和栽培种中的555份大豆材料进行的GmPM30单倍型分析发现，GmPM30编码区存在一个显著的T/C非同义变异，该SNP位点将大豆种质分为单倍型HapT和HapC（图1a, b）。盐碱地田间实验结果发现，HapT型大豆种质在盐碱地的单株粒重及百粒重显著高于HapC型材料；转基因植株耐盐性鉴定表明，GmPM30-HapT转基因植株在盐胁迫处理下比GmPM30-HapC与WT植株具有更好的长势和生物量，HapT为耐盐碱优异单倍型（图1c,d）。进一步的作用机制研究表明，与GmPM30-HapC相比，GmPM30-HapT与GmLEA1和GmLEC1（凝集素蛋白）互作强度显著地增强，引起HapT型种质植株在盐胁迫下离子渗漏、MDA及H₂O₂含量显著地降低，从而提高其耐盐性。

图2 ：优异等位变异鉴定和聚合及高产耐盐碱大豆新种质创制

进化分析发现，GmLEA1-GmPM30-GmLEC1模块在大豆驯化育种过程中受到定向选择，且GmPM30-HapT与高纬度、高盐碱环境适应性密切相关，显示出其在生态适应与耐盐碱遗传改良中的双重价值（图1c;图2a, b）。进一步表型关联分析发现，GmLEA1-Hap3与GmLEC1-Hap3的大豆种质材料在盐碱地中的单株粒重与百粒重均优于其他单倍型，且在现代栽培品种中的分布频率较低，表明它们是GmLEA1与GmLEC1的稀有等位变异，为兼具耐盐碱性与高产潜力的优异单倍型（图2a, b）。对3个基因的不同单倍型进行单倍型联合分析发现，优异单倍型组合（GmPM30-HapT-GmLEA1-Hap3-GmLEC1-Hap3）的大豆种质在盐碱地的单株粒重及百粒重更高，展现出显著的基因叠加效应。