大豆作为世界上重要的油料和经济作物，是食用油和植物蛋白的重要来源，在食品和农业生产中具有重要的地位。在耕地面积有限的情况下，提高我国大豆自给能力的唯一途径是突破单产低的局限性，提高大豆种植的比较效益，其核心是增强大豆品种光能与氮肥利用效率，进而提升大豆综合生产能力。通常认为，大豆可以根瘤固氮，生产中可以不施氮和少施氮，但大豆生长过程中一半的氮素仍需要从土壤中获得，在这个过程中深入解析大豆根系对光照和氮素响应的分子机制，对于大豆氮高效分子育种具有重要意义。
近日，安徽农业大学569vip威尼斯游戏王晓波教授团队在中科院一区TOP期刊Theoretical and Applied Genetics发表了题为“The central role of GmGLP20.4 in root architecture modifications of soybean under low‑nitrogen stress”的研究论文。该研究通过对大豆低氮诱导表达转录组数据库分析，发现类萌发素基因GmGLP20.4受低氮胁迫诱导表达，并且相对表达量在对低氮不同耐受性大豆品种中存在明显差异，进一步研究发现该基因是大豆光氮协同调控大豆根系构型的关键基因。
研究发现，低氮条件下过表达GmGLP20.4基因显著增加了烟草对低氮的耐受性，转基因大豆和烟草的侧根数目、长度和根系生物量显著增加，而敲除该基因的大豆侧根生长受到显著抑制，说明GmGLP20.4与低氮调控大豆侧根发育的关键基因。
进一步研究发现，GmGLP20.4基因启动子区域存在一处T→A的SNP等位变异位点，该突变导致受光调控的顺式作用元件GT1-motif 缺失。低氮胁迫下，携带来自野生大豆的SNP-A的品种中GmGLP20.4基因相对表达量显著高于含有SNP-T的品种，暗示该位点可能是光氮协同调控大豆根系构成的重要分子靶点，在大豆驯化过程中发挥重要作用。
通过生物信息学和LUC 实验发现，光响应转录因子GmGT1-16g 可以与GmCupin20 基因启动子顺式元件GT1-motif 结合，而且GT1-motif 的自然变异影响了GmGT1-16g 的结合效率。转基因实验进一步证明，在不同光照和氮素处理条件下，GmGT1-16g 与GmCupin20 在大豆根中的表达呈现拮抗趋势，表明二者存在负相关。
此外，GmGLP20.4过表达植株中根系发育关键基因GmLBD12和GmPRP2的表达水平显著升高，而gmglp20.4敲除突变体中GmLBD12和GmPRP2表达水平显著降低，众多光、氮通路中的关键因子表达受到显著影响。这些结果为进一步深入揭示GmGLP20.4通过调控氮素利用、光响应以及根系发育信号通路参与大豆根系构型和养分高效利用的分子机理研究奠定了理论基础。
安徽农业大学为第一作者单位，安徽农业大学569vip威尼斯游戏已毕业硕士研究生王伟、李佳佳副教授和博士后Muhammad Nadeem为该论文共同第一作者，安徽农业大学王晓波教授为该文章的通讯作者，569vip威尼斯游戏硕士研究生王建新、黄茹、刘倩、范文俏和博士研究生郑浩伟也参与了该项工作。该研究得到了国家重点研发计划和安徽省学术带头人后备人选研究基金的支持。（王晓波 审核人：李金才）
原文链接：https://doi.org/10.1007/s00122-022-04123-x
