近年来，随着整体生活水平的不断提高，人们对粮食特别是蛋白的需求量在不断增加。大豆作为主要的油料作物和经济作物，是人类以及饲料的主要蛋白质来源之一。但由于我国的可用耕地面积不足，现阶段超过85%的大豆依赖于进口，因此提高我国的大豆产量迫在眉睫。种子大小对高产育种至关重要，通过正向遗传方法已鉴定出一些大豆种子大小相关的基因，但对自然种群中种子大小决定机制的理解仍然不足。

近日，中国科学院遗传发育研究所种子创新重点实验室、海南三亚崖州湾国家实验室的田志喜研究员在著名国际学术期刊《自然.通讯》（NatureCommunications）上发表了题为“Natural variation in GmSW17 controls seed size in soybean”研究文章。旨在通过全基因组关联研究（GWAS）和数量性状位点（QTL）定位，鉴定控制大豆种子大小的关键基因并阐明其调控机制，为大豆高产育种提供资源。

研究人员对1853份大豆种质进行表型分析，通过GWAS在17号染色体上定位到一个93.7kb与种宽表型相关的基因组区域（GmSW17)，该区域包含的12个蛋白编码基因中有3个在种子发育期间高表达。其中，SoyZH13_17G105400编码含特定结构域的泛素特异性蛋白酶（UBP），由此被视为GmSW17座位的候选基因。对重组自交系（RIL）群体进行种宽QTL定位，发现主效QTL同样位于17号染色体，并与GWAS的GmSW17区间重叠，进一步确定SoyZH13_17G105400为关键候选基因。通过分析其多态性，研究人员将GmSW17分为两种主要单倍型，并发现含特定单倍型的材料种子更宽。

通过CRISPR/Cas9系统敲除大豆品种东农50（DN50）中的GmSW17基因组区域后，种子宽度、长度、厚度和重量降低，单株种子重和小区产量下降。而过表达该基因，植株种子宽度、长度、厚度、百粒重、单株种子重和单位产量均增加。

通过酵母双杂筛选，发现GmSW17与GmSGF11相互作用，GmSGF11编码SAGA相关因子11，是去泛素化模块（DUBm）的一部分。通过多种实验证实GmSW17（包括两种单倍型）与GmSGF11相互作用。进一步通过酵母双杂交实验和免疫共沉淀实验发现发现GmSGF11能与GmENY2相互作用，但GmSW17不能直接与GmENY2相互作用，三者可形成DUBm。在DN50中过表达GmSGF11和GmENY2，种子大小、重量增加，证明DUBm可影响种子大小。

H2Bub可以调控大豆种子细胞的细胞周期转变，最终调控大豆种子发育，影响种子的大小。体外实验表明，GmSW17与GmSGF11和GmENY2共同作用时可降低H2Bub水平，且GmSW17H2比GmSW17的H2Bub去泛素化活性更强，体内实验也证实不同GmSW17单倍型的转基因株系中 H2Bub 水平有差异。通过RNA-seq分析，发现GmSW17敲除后有263个基因上调和448个基因下调，其中GmDP-E2F-1在敲除株系中表达增加，在过表达株系中表达降低，通过基因编辑和qRT-PCR验证GmDP-E2F-1控制种子重量。通过针对H2Bub的染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）数据分析，发现转录组的变化与H2Bub的水平是相关的，这种相关性也被ChIP-qPCR实验所证实。GmSW17影响 GmDP-E2F-1位点的H2Bub水平，从而调控其表达，影响细胞从G1期到S期的转换，最终影响种子大小。

分析2069份大豆材料，发现野生大豆中含GmSW17的H1单倍型（GmSW17H1）比例高，种子小，在驯化过程中，含GmSW17H2（另一种单倍型）的大豆比例增加，表明GmSW17受到人工选择；分析1539份大豆材料的分布，发现GmSW17两种单倍型在中国不同地区有不同分布模式，表明其在大豆育种中被不同程度利用但未完全固定。

中国科学院遗传与发育研究所的梁闪和崖州湾种子实验室的青年科学家段宗彪为论文第一作者，通讯作者为田志喜研究员和刘书林副研究员。该工作得到了国家自然科学基金项目、海南崖州湾种子实验室项目和中国科学院“战略先导性科技专项”等项目的资助。

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