东北地理所发现PG031基因具有改良大豆种皮吸水性的应用潜力

大豆群体的种皮吸水性差异很大，几乎所有野生大豆的种皮都是硬的、不吸水的，而栽培大豆群体的种皮相对容易吸水。硬的吸水性差的种皮可以保护种子在自然条件下免受病菌、旱涝、腌渍的侵害，以顺利度过休眠期而适时萌发，同时收获的种子容易储存。相反，栽培大豆种皮相对容易吸水，在播种后可以保障大豆的适时整齐发芽，但收获的种子不易保存。栽培大豆群体的种皮硬度/吸水性仍有较大变异，很难通过表型辨别，鉴定关键控制基因对分子设计育种变得尤为重要。已有研究鉴定出大豆种皮硬度由qHS1和qHS2两个主要位点来控制。其中，对qHS1位点的解析增加了对大豆种皮性状分子基础的理解，qHS2基因功能则依然未知。

近期，中国科学院东北地理与农业生态研究所大豆遗传与分子改良学科组发现控制大豆种皮吸水性的一个编码多聚半乳糖醛酸酶基因PG031。该基因位于qHS2置信区间内。PG031在花中高表达，但在吸水后的种子种皮中特异表达，种子萌发后降低或无表达，表明PG031在种皮吸水性的重要作用。该研究在大豆群体中鉴定到3种PG031变异，即PG031^289H、PG031^289Y 和PG031^Hap3。其中野生大豆中仅含有PG031^289H型，控制种皮不吸水性，将PG031^289H导入高渗透性大豆PG031^289Y型大豆后，显著降低了转基因种子的种皮吸水性，且百粒重有所降低，显微镜分析证实PG031^289H的导入减少了种皮的栅栏层和薄壁细胞层的细胞内空间，增加了水分进入种皮的屏障。在另外两个等位变异中，PG031^289Y型来源于PG031^289H的1个SNP突变，与种子种皮透水性增加紧密相关，因为PG031^289Y等位变异与大粒重相关，这个等位变异可能正在经历人工选择。

该研究为深入了解大豆种皮吸水性的遗传机制提供了理论依据，也为定向改良栽培品种以满足不同的贮藏需求提供一定的理论基础。

相关成果以A polygalacturonase gene PG031 regulates seed coat permeability with a pleiotropic effect on seed weight in soybean为题，发表在Theoretical and Applied Genetics上。研究得到国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金以及作物人工智能设计与精准育种技术等资助。

过表达PG031^289H大豆（T1-TG1.4）与野生型（WT）的表型比较