【PBJ】大豆油脂积累调控新突破：GmERFA 基因的 “刹车” 机制与育种应用

研究背景

大豆作为全球最重要的油料作物之一，其种子含油量直接决定经济价值与工业适用性。然而，大豆种子油脂积累的调控机制尚不完全清楚。近年来，科学家们通过转录组分析、基因编辑等手段，逐步揭示了大豆油脂合成的调控网络。

近期，中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究团队在《Plant Biotechnology Journal》上发表了一项重要研究，该研究首次揭示了AP2/ERF类转录因子GmERFA通过与GmNFYA互作，以“双重抑制”模式调控大豆种子脂肪酸积累的分子机制，同时发现其优良等位基因Hap3可显著提升含油量，为高油大豆育种提供了关键靶点。

主要发现

一、研究核心结论：GmERFA是大豆油脂积累的负调控基因

研究通过转录组分析、蛋白互作筛选及基因编辑验证，明确GmERFA的核心功能——负调控大豆种子脂肪酸积累，具体表现为：

基因编辑验证：敲除GmERFA及其同源基因GmERFB后，大豆种子总脂肪酸含量提升 4.4%-5.4%，百粒重增加 5.3%-8.8%；
过表达验证：过表达GmERFA的转基因大豆，种子脂肪酸含量显著降低，而蛋白质含量补偿性增加4.4%-4.5%；
时空表达特征：GmERFA在大豆种子发育后期（S6-S7 成熟期）表达量急剧升高，与油脂积累后期自然下降的趋势完全吻合，暗示其作为“刹车”调控油脂合成终止的功能。

图1 | GmERFA的鉴定、特性与功能分析

图2| gmerfa/b突变体的种子性状分析

二、分子机制：GmERFA的“双重抑制”调控网络

研究首次解析了GmERFA介导的GmERFA-GmNFYA-GmbZIP123/GmZF392调控通路，通过“直接 + 间接”双重方式抑制油脂合成：

1. 间接抑制：与正调控因子GmNFYA互作，阻断其功能

蛋白互作验证：酵母双杂交、双分子荧光互补（BiFC）等实验证实，GmERFA可直接与油脂正调控因子GmNFYA结合；

功能阻断效应：GmNFYA原本可激活下游GmbZIP123和GmZF392（均为油脂合成促进因子）的转录，而GmERFA与GmNFYA结合后，会抑制其转录激活能力。

图3| GmERFA与GmNFYA互作及GmNFYA对种子油脂含量和蛋白质含量的影响

2. 直接抑制：绑定下游靶基因启动子，抑制其表达

靶基因鉴定：GmERFA可直接结合GmbZIP123、GmZF392的启动子区域（含AP2/ERF家族特有的GCC-box和TTG motif），通过电泳迁移率变动实验（EMSA）和染色质免疫沉淀（ChIP-qPCR）验证；

碳源供应调控：除调控油脂合成基因外，GmERFA还直接抑制糖转运基因（GmSWEET10a/b）和糖酵解基因（GmENO2）的表达，减少脂肪酸合成的碳源供应，进一步抑制油脂积累。

图4| GmERFA结合启动子并抑制GmbZIP123表达

图5| GmERFA通过直接结合启动子或与GmNFYA互作下调GmZF392表达

图6| GmERFA负调控大豆种子可溶性糖含量

三、育种价值：GmERFA优良等位基因Hap3的驯化选择

研究对341份大豆材料的GmERFA启动子进行单倍型分析，发现关键育种靶点：

单倍型分化：GmERFA启动子存在3种单倍型（Hap1、Hap2、Hap3），其中Hap3 在栽培大豆中占比87.3%，而在野生大豆中仅占 12.7%；
优良等位基因特征：Hap3对应的GmERFA启动子活性最低、基因表达量最低，但种子含油量最高（平均20.27%，较Hap2高10.34%），且百粒重更大；
驯化选择证据：栽培大豆中GmERFA的核苷酸多样性（π=0.001631）仅为野生大豆（π=0.004936）的33%，Tajima’s D 分析证明其经历了人工选择，暗示Hap3 是驯化过程中被筛选并固定的优良等位基因。

图7| ERFA启动子单倍型与基因表达、油脂含量、蛋白质含量及启动子活性的关联分析

研究意义：为高油大豆育种提供 “精准靶点”

基因编辑育种：通过CRISPR/Cas9敲除GmERFA，可同时提升大豆含油量与粒重，且不影响其他农艺性状；
分子标记辅助选择：利用Hap3单倍型开发分子标记，可快速筛选高油大豆材料，缩短育种周期；
通路调控潜力：调控GmERFA-GmNFYA-GmbZIP123/GmZF392全通路，有望培育出高油、高产、高蛋白平衡的优质大豆品种。

总结

该研究首次发现大豆油脂积累的“刹车基因”GmERFA，解析其“双重抑制”调控网络，并鉴定出驯化选择的优良等位基因 Hap3，不仅深化了植物油脂合成调控的分子机制认知，更为高油大豆分子育种提供了可直接应用的靶点与工具，具有重要的理论与应用价值。

研究团队

本研究由中国科学院遗传发育所张劲松研究员、韦伟助理研究员团队主导，多家单位合作完成。研究得到国家自然科学基金等多个项目支持。