大豆作为植物王国的蛋白质动力，超过了所有其他豆类，为世界各地的人类和牲畜提供了关键的蛋白质来源。现在，30年后，伊利诺伊大学的科学家已经鉴定出对大豆种子蛋白质影响最大的基因。
“大豆含有大约40%的蛋白质，这个基因增加了大约2%。这听起来不算多，但与任何其他大豆种子蛋白质基因相比，它至少增加了一倍，”Brian Diers说，作物科学系大豆遗传与育种系主任查尔斯·阿德莱·尤因是《Plant Journal》这项研究的合著者。
合著者、作物科学生物信息学教授马特·哈德森补充道，“如果我们能将这种高蛋白形式的基因植入商业化种植的品种中，我们将看到全世界牲畜和人类的蛋白质显著增加，因为即使蛋白质浓度增加一个百分点，也将意味着数百万吨蛋白质。这是非常显著的。”
1992年，当时的研究生迪尔斯发表了第一份大豆种子蛋白质图谱。尽管他确定了该基因可能位于的基因组区域，但花了30年时间、许多技术进步，以及两个大豆基因组的发表，才确定了该特定基因：Glyma 20G85100，一个没有已知功能但与“时钟和昼夜节律”基因密切相关的基因。
迪尔斯说：“从一个热切的年轻研究生，对这一发现感到兴奋，到最终确定基因是什么，这是一段令人满意的旅程。”。“但如果我回到30年前的自己，我永远也想不到会花这么长时间。但迟做总比不做强。”
精确定位这样的基因是复杂的，因为它是许多数量性状基因座中的一个：基因组中的位置对植物高度、产量或蛋白质含量等连续性状有贡献。
研究人员必须种植这些植物，测量蛋白质含量，然后深入研究基因组，以发现不同蛋白质含量的植物之间的相关遗传差异。这些基因差异可能无法检测到，或者可能只能追溯到基因组的大部分。
迪尔斯说，他最初将该基因定位到一条染色体的一部分，该染色体有几百万个碱基对的DNA。但通过在较小的基因区域内测试一代又一代携带该基因的植物，他慢慢缩小了范围。
迪尔斯说：“我们必须筛选成千上万的植物，然后用标记物对它们进行评估，看看我们是否发现了关联。这是一项非常艰巨的工作，多年来，我们有许多学生和博士后对此进行了研究。”。
像大多数基因一样，格利玛。20G85100有多种形式或等位基因。根据在特定大豆品系中发现的等位基因，种子蛋白质含量可以高也可以低。事实证明，大多数商业大豆品系都含有低蛋白等位基因。
迪尔斯说：“不幸的是，我们发现高蛋白等位基因对产量有有害影响。因此，为高产而培育的优良品种通常具有低蛋白形式。”。
由于该基因与其在增加蛋白质含量中的作用之间存在模糊联系，该基因的发现变得复杂。
迪尔斯说：“我们希望，当我们最终发现该基因时，它将参与一些明显的事情，例如固氮或氮代谢。”。“但事实证明，对于控制蛋白质的基因来说，这并不是你所期望的。”
相反，该基因似乎是大豆植株昼夜节律机制的一部分；植物跟踪时间的方式，以最大限度地提高白天的光合作用，确定何时开花和播种，以及许多其他过程。
Hudson说：“它绝对是生物钟的标准部分，在几乎所有的植物之间都是保守的。它看起来像一个转座子，或者是一个跳跃基因，降落在生物钟基因中，并在保守区域的中间插入了一大堆新氨基酸。”“可能是基因参与了光合作用产物进入种子的过程，也可能是一些完全不相关的途径。这很奇怪，我们真的不知道。”
不管它是如何工作的，识别对大豆蛋白质含量贡献最大的基因可能会对全球粮食安全产生重大影响。
迪尔斯说：“如果我们能理解其机理，这将为我们提供一些线索，说明如何在不降低产量的情况下增加蛋白质含量。”。
哈德森补充道：“世界上许多地方都存在严重的蛋白质缺乏问题。即使是蛋白质的适度增加也可能有很大的帮助。”
More information: Christina Fliege et al, Fine Mapping and Cloning of the Major Seed Protein QTL on Soybean Chromosome 20, The Plant Journal (2022). DOI: 10.1111/tpj.15658
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