近日，水土保持研究所与浙江理工大学生命科学与医药学院梁宗锁教授团队联合在国际期刊International Journal of Biological Macromolecules（IF=6.95）在线发表了题为 “Based on the whole genome clarified the evolution and expression process of fatty acid desaturase genes in three soybeans”的研究论文。该研究首次在三个大豆基因组范围搜索FAD基因，并进一步将搜索到的75个FAD家族成员分为四个亚组。系统发育树、基因结构、基序和启动子分析表明，FAD基因家族在三种大豆中均保持保守。每个亚家族成员数目在3个大豆品种中的差异表明，每个亚家族在栽培和驯化过程中受到不同的选择压力。对FAD启动子序列的顺式元件分析表明，FAD基因上游序列含有丰富的光、激素和非生物胁迫敏感的顺式元件，表明调控这些胁迫可以提高大豆的品质。该研究还对FAD家族的保守性、复制和新功能化在大豆驯化中的重要作用，探讨大豆作为全球重要油料作物的进化及驯化历程。
植物FAD基因在许多方面催化脂肪酸的去饱和，并在某些非生物胁迫下对调节脂肪酸组成和调节膜流动性发挥重要作用，尤其是在盐胁迫下。大豆大约在6000-9000年前在中国被驯化。由于瓶颈和人类的选择，栽培大豆的遗传多样性远远低于野生大豆。这种减少的变异有可能导致一些与不同环境耐受性有关的基因丢失。然而，具有高度等位基因多样性的野生大豆可能因此成为适应特定环境条件的基因资源，通过育种将其重新引入栽培大豆，这是因为野生大豆和驯化大豆之间没有生殖障碍。Williams 82 是一种栽培大豆，在20世纪80年代发展起来，它是地方品种，在韩国用作品种发展的祖先; “Zhonghuang 13”是我国科学家于2001年培育的一个大豆品种，它来源于具有高产能力和高抗逆性的品种材料。中国野生大豆品种W05在大豆中具有很高的耐盐性。因此，对这三个大豆品种FAD基因家族进行比较分析，可以揭示FAD基因家族在大豆驯化过程中的进化过程，对栽培大豆育种有一定的指导意义。此外，土壤中过量的溶解盐会影响植物生长和作物产量。受盐碱影响的土壤占世界总土地面积的8%，据估计，到2050年，受盐碱化影响的农业用地面积将翻一番。因此，野生大豆W05耐盐基因的鉴定将有助于栽培大豆的耐盐育种和持续生产。
该研究发现中国栽培大豆的一些ω-去饱和酶亚家族比预期的要大得多，并认为该亚家族的新功能化增加是由于栽培和驯化过程中不同的选择压力所致。本研究还分析了W05在盐胁迫下的FAD基因表达，GsSLD1和GsSLD2在盐处理的所有根和叶中均表达下调。有趣的是，根中GsSLD1和GsSLD2基因转录水平在1h和2h盐胁迫下显著上调，这表明这些FAD基因可能调节到适当的水平以保护大豆细胞膜免受盐胁迫。一些GsFAD基因在不同的盐胁迫下表达差异，这表明了FAD基因在环境适应中的广泛参与。综合分析有助于筛选出进一步功能鉴定的FAD候选基因，有利于大豆农艺性状和环境抗性的遗传改良，为探索大豆FAD基因的功能并为提高大豆品质提供新方案。
中国科学院水利部水土保持研究所，浙江理工大学生命科学与医药学院夏鹏国副教授和梁宗锁教授为论文的共同通讯作者，中国科学院水利部水土保持研究所在读博士生张冰雪为论文第一作者。上述研究得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141813021011429
三个大豆品种，拟南芥和水稻中的FAD成员蛋白序列的系统进化树
大豆FAD基因启动子序列的顺势作用元件预测结果
不同时间盐胁迫下野生大豆根和叶中FAD基因表达及样品和FAD基因间的相关性热图
编辑：薛瑶芹
终审：韩锁昌
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