王伟、杜克大学董欣年团队绘制非生物胁迫对大豆生物钟的 “输入”图谱

王伟、杜克大学董欣年团队绘制非生物胁迫对大豆生物钟的 “输入”图谱

生物钟(circadian clock)几乎参与调控植物体的所有生命活动,使植物体与外界环境条件达到时间和空间的同步,极大地增强了植物环境适应性和竞争能力。研究表明,无论是自然选择,还是人工育种,生物钟都是提高作物适应性和产量的关键因素。大豆是优质蛋白质和植物油的主要来源,但由于其基因组复杂,生长周期长,遗传转化效率低等原因,致使大豆生物钟研究极为滞后,这严重阻碍了生物钟在提高大豆环境适应性,进而提高产量中的应用。

近日,PNAS在线发表了北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室王伟教授和美国杜克大学董欣年教授等完成的题为Comprehensive mapping of abiotic stress inputs into the soybean circadian clock 的研究论文。该研究在大豆中建立了一个经济、可靠的称之为“分子时刻表”(molecular timetable)分析方法,同时结合RASL-seq(RNA-mediated oligonucleotide annealing, selection and ligation with next-generation sequencing)手段,精细绘制了一份全面的非生物胁迫对大豆生物钟的 “输入” (inputs)图谱。

利用鉴定出的大豆分子时刻表,该研究系统分析了各种非生物胁迫对大豆生物钟基因的影响,1)发现了高温、矿物质营养元素铁的缺失等环境因素对生物钟节律有明显改变,包括首次发现碱胁迫使大豆生物钟周期(period)变长,相位(phase)提前;2)找到了逆境与生物钟相互作用的关键基因,为进一步利用生物钟进行分子设计育种、提高大豆抗逆性提供了关键候选基因,大豆生物钟响应碱胁迫的新发现,为有效利用盐碱滩涂等荒地增加大豆种植面积,提高产量提供了重要途径;3)文中开发的分析方法可用于任何具有基因组信息和可公开获取转录组数据的物种中,为其他物种生物钟与环境互作的研究提供了高效、经济的手段。




图A , 3695个基因构成的大豆分子时刻表;图B,分子时刻表准确估算实际取材时间;图C、D、E,大豆叶片具有明显的昼夜节律,碱胁迫使野生大豆生物钟相位提前、周期变长。


北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室王伟和美国杜克大学董欣年为该论文的共同通讯作者,广州大学李美娜和美国爱荷华州立大学曹丽军为该论文共同第一作者。爱荷华州立大学的Patrick S. Schnable和Jamie A. O’Rourke 、密西西比州立大学李灵以及首都师范大学的周冕等合作者也参与了该工作,该研究得到了蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心、国家自然科学基金、美国USDA、NIH、HHMI等项目的资助。


文章链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/10/31/1708508116