【Advanced Science】里程碑突破：GmSop20——破解大豆油蛋白负相关的”平衡基因”

2025年7月18日，安徽农业大学王晓波，中国农业科学院作物科学研究所邱丽娟、李英慧共同通讯在Advanced Science上发表了题为GmSop20 Functions as a Key Coordinator of the Oil-To-Protein Ratio in Soybean Seeds的研究论文，该研究通过全基因组和全转录组关联分析，鉴定出大豆 20号染色体上的GmSop20 基因是调控种子油蛋白比的关键因子。遗传分析显示其驯化选择等位基因在中美栽培品种中占主导，能使油蛋白比从野生种的 0.35 提升至栽培种的0.47，敲除该基因则降至0.19，过表达可升至0.64。机制上，GmSop20通过直接激活GmSWEET10a的表达，促进糖从种皮向胚运输，从而增强油脂积累。该发现揭示了GmSop20作为核心调控因子的作用，为精准调控大豆油蛋白比的育种提供了重要靶点和理论依据。

研究背景

大豆是全球最重要的作物之一，提供了约 69% 的植物蛋白和 28% 的植物油，其产量需在 2050 年翻倍才能满足人口增长需求。在大豆驯化过程中，种子油蛋白比（油含量 / 蛋白含量）显著提高，但这一关键农艺性状的核心遗传调控因子一直不明确。

油和蛋白是大豆种子的核心营养成分，且通常呈负相关（油高则蛋白低，反之亦然），这给育种带来挑战 —— 如何精准调控两者比例以满足不同需求（如高油用于榨油，高蛋白用于饲料）。因此，解析油蛋白比的遗传机制对大豆品质改良具有重要理论与应用价值。

核心发现概述

识别调控大豆种子油蛋白比的关键基因，阐明其作用机制及驯化选择过程，为定向改良大豆营养成分提供靶点。

研究方法

为解决上述问题，研究团队采用了多维度整合分析策略：

关联分析：通过全基因组关联分析（GWAS）和全转录组关联分析（TWAS），对 1228 份栽培大豆在 2 个地点（安徽合肥、河北石家庄）连续 3 年的油、蛋白含量表型数据进行关联，定位关键基因。

遗传多样性分析：对比野生大豆（G. soja）、地方品种和栽培品种中目标基因的等位基因频率，解析驯化选择信号。

功能验证：利用 CRISPR/Cas9 构建基因敲除突变体，以及过表达株系，通过表型测定验证基因功能。

分子机制研究：结合 RNA-seq（差异表达基因分析）、DAP-seq（全基因组结合位点分析）、EMSA（体外结合实验）、酵母单杂交（Y1H）等技术，解析基因调控网络。

关键结果解析

1. GmSop20 的鉴定：油蛋白比的关键调控因子

GWAS 和 TWAS 联合分析发现，20 号染色体上的GmSop20基因是调控大豆种子油和蛋白含量的核心位点。该基因位于一个 39.1 kb 的连锁不平衡区间内，其第 2 外显子的比例与油含量呈正相关、与蛋白含量呈负相关，提示其可能通过转录或剪切调控影响油蛋白比。

图1鉴定与大豆籽油和蛋白质相关的主要 QTL GmSop20

2. GmSop20 的驯化选择：从野生种到栽培种的油蛋白比提升

遗传多样性分析显示，GmSop20 存在 3 种单倍型，其中GmSop20^c（驯化选择等位基因）经过强烈人工选择，在我国北方和美国的栽培品种中占主导地位。

该等位基因使油蛋白比从野生种的 0.35 显著提升至栽培种的 0.47；

从野生大豆（G. soja）到地方品种再到栽培种，GmSop20^c的频率从 10.85% 升至 60.47%，最终达 91.23%，证实其在驯化和育种中的关键作用。

图2 GmSop20对栽培大豆种子油和蛋白质含量的等位基因影响

图3 GmSop20不同单倍型的进化和地理分布

3. 功能验证：GmSop20 直接调控油蛋白比

通过基因编辑和过表达实验，明确 GmSop20 对油蛋白比的调控效应：

敲除 GmSop20：油蛋白比从野生型的 0.24 降至 0.19（蛋白含量升高，油含量降低）；

过表达 GmSop20：油蛋白比从野生型的 0.57 升至 0.64（油含量升高，蛋白含量降低）；

关键特征：敲除和过表达株系的总油 + 蛋白含量基本稳定（约 60%），表明 GmSop20 主要调控两者的比例而非总量。

图4 GmSop20和GmSop07对种子油和蛋白质含量的影响

4. 分子机制：通过激活 GmSWEET10a/b促进糖运输与油积累

GmSop20 编码 C2H2 型锌指转录因子，其作用机制为：

直接激活靶基因：通过 DAP-seq 鉴定到 GmSop20 可结合 GmSWEET10a/b 的启动子，EMSA 和 Y1H 实验进一步证实其直接激活这两个基因的表达；

糖运输调控：GmSWEET10a/b 是糖转运蛋白，负责将糖从种皮运输到胚。GmSop20 通过增强其表达，促进胚中碳源积累，优先用于油合成（而非蛋白），从而提高油蛋白比；

等位基因差异：驯化等位基因 GmSop20^c比原始等位基因 GmSop20^^CACT 更稳定（蛋白稳定性更高），激活 GmSWEET10a/b 的能力更强。

图5 GmSop20促进GmSWEET10a和GmSWEET10b的表达

图6 GmSop20 促进糖从种皮到胚胎的运输

5. 协同选择：GmSop20与 GmSWEET10a的 “双驯化” 模块

GmSWEET10a 是已报道的驯化基因（其启动子 9 bp 缺失被选择），本研究发现：

GmSop20 与 GmSWEET10a 的驯化等位基因被协同选择，在 90% 以上的栽培种中同时存在；

两者共同作用时，GmSWEET10a 的表达量、油含量及油蛋白比提升效果显著优于单一基因，形成 “上游调控因子 – 下游转运蛋白” 的协同调控网络。

图7 GmSop20介导了一种新的人工选择事件来调控GmSWEET10a的表达

图8 GmSop20通过增强GmSWEET10a/b的表达来调节种子油和蛋白质含量的机制示意图

总结

该研究首次鉴定出 GmSop20 作为大豆种子油蛋白比的关键协调因子，阐明其通过激活 GmSWEET10a/b 促进糖运输、调控油积累的分子机制，并揭示其与 GmSWEET10a 的协同驯化过程。

这一发现为大豆品质改良提供了精准靶点：通过编辑 GmSop20 或其调控模块，可定向调整油蛋白比（如高油品种或高蛋白品种），满足食品工业、饲料等不同领域的需求。同时，“双驯化基因协同作用” 的模式为解析作物复杂性状的遗传机制提供了新视角。