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大豆高产背后的微观世界(2)

  大豆是重要的粮油兼用作物,同时也是人类优质蛋白及畜牧业饲料蛋白的主要来源,在我国粮食结构中占有重要地位。但我国大豆的单产仍然较低,对外依存度高达85%以上,是世界最大的大豆进口国。

 

  过去几十年里,由于关键基因的挖掘和杂种优势,水稻、小麦等粮食作物都发生了产量翻番的“绿色革命”。与之相比,大豆产量却始终处在缓慢增长状态。

 

  “大豆基因研究比较困难。”孔凡江坦承,其中一个原因在于,大豆是由古四倍体演变而来的二倍体自交作物,基因组庞大,约有56000个基因,且75%的基因以同源基因的形式出现,种内遗传变异程度低、丰富的重复序列使大豆基因组变得十分复杂,遗传转化困难,这羁绊着大豆基因功能研究的进展。

 

  2017年,孔凡江、刘宝辉和田志喜及其合作者团队,克隆了大豆长童期性状的关键基因J。长童期性状可在短日照条件下,延长大豆营养生长期并且提高大豆产量。J基因促进了光周期开花,且该基因突变型可推迟低纬度短日照条件下大豆开花时间,比野生型提高产量 30%—50%。这让大豆可以在热带赤道地区大面积种植和推广。

 

  “两项研究相互补充,是一个持续性的过程,不仅进一步完善了以E1基因为关键节点的大豆开花分子调控网络,而且系统阐释了J基因促进大豆低纬度适应,以及Tof11和Tof12促进大豆中高纬度适应的多基因进化机制。”孔凡江说,但就庞大的基因组而言,这只是“冰山一角”。

 

  除了光周期,我国还在大豆百粒重、单株荚数、叶柄夹角等产量重要性状的关键基因上取得了较大的进展,也创制了一批大豆优异种质材料,为大豆的分子设计育种奠定了重要的理论基础。

 

  “加快分子设计育种创新体系建设,开展大豆超高产的分子基础和育种技术研究,创制革命性品种,实现大豆的‘绿色革命’,以扭转我国大豆的被动局面。”论文通讯作者之一田志喜说。

 

  田志喜表示,产量、品质等性状大多是多基因控制的复杂性状,而不同复杂性状间的耦合是分子设计育种的关键科学问题。“我们还需要解析复杂性状间耦合的遗传调控网络,明确关键调控单元。基于这些研究,我们可筛选出适宜在盐碱、滩涂、高寒、 干旱等边际土地,以及黑龙江主产区以北生长的大豆材料和品质,扩大种植面积,提高产量。”

 

  “目前,大豆的基础研究水平与水稻和玉米等主要作物相比还非常薄弱,还需要国家的更多重视和投入,科研人员团结协作、凝聚力量挖掘更多的重要基因和突破关键技术,把老祖宗留给我们的遗产保护好,并发扬光大。”孔凡江说。

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