NC | 组蛋白去甲基化酶 GmLDL2 的自然变异调控大豆开花时间与地理适应性

研究背景

2025年7月1日，华南农业大学王应祥及杨存义课题组合在Nature Communications杂志在线发表题为“natural variation in histone demethylase gmldl2 confers flowering time divergence for geographical expansion in soybean”的研究论文。

该研究鉴定出大豆组蛋白去甲基化酶基因 GmLDL2，其通过特异性去除 H3K4me1 和 H3K4me2 的甲基基团抑制 GmFER 表达，进而调控开花时间。GmLDL2 的 H1 和 H2 单倍型因去甲基化活性差异，分别助力大豆适应低纬度和高纬度地区，为大豆区域适应性育种提供了重要靶点。

核心研究结果

1.早花突变体 ef1 的鉴定与基因克隆

突变体筛选：通过 60Co γ 射线诱变大豆品种华夏 3 号（HX3），获得稳定的早花突变体 ef1。该突变体在长短日照及自然条件下均表现为开花和成熟提前，且籽粒产量相关性状略有下降。

遗传定位：ef1 与 HX3 杂交的 F2 群体中，早花与正常开花表型分离比为 1:3，表明受单隐性基因控制。通过图位克隆（BSA 测序结合精细定位），将基因定位到6号染色体的GmLDL2（Glyma.06G250100），该基因在 ef1 中存在 1bp 缺失，导致编码的蛋白因移码突变缺失胺氧化酶结构域（功能关键域）。

图1通过基于图谱的克隆鉴定ef1基因

2.GmLDL2 的功能验证：调控大豆开花时间的关键因子

回补实验：在 ef1 突变体中过表达GmLDL2 的 CDS 序列，转基因株系开花时间显著延迟，恢复至野生型水平，证实 GmLDL2 功能缺失是 ef1 早花的直接原因。

敲除验证：利用 CRISPR/Cas9 技术在 HX3 中敲除 GmLDL2，获得的Gmldl2-2和Gmldl2-3突变体均表现为早花，且开花关键基因GmFT2a、GmFT5a表达量上调，进一步证明 GmLDL2 是开花抑制因子。

图2 GmLDL2延迟大豆开花时间

3.GmLDL2 的分子机制：H3K4me1/2 去甲基化酶，靶向抑制 GmFER

酶活性特征：体外实验显示，重组 GmLDL2 蛋白可特异性催化 H3K4me1 和 H3K4me2 去甲基化（不作用于 H3K4me3、H3K9me2 等）；体内实验（烟草瞬时表达及大豆突变体分析）进一步证实其活性，但不影响全局 H3K4me1/2 水平，提示其调控特异性位点。

靶基因鉴定：通过 ChIP-seq（GmLDL2 结合位点）和 RNA-seq（差异表达基因）联合分析，发现 GmLDL2 直接结合GmFER（拟南芥FERONIA同源基因）的 3’UTR 及下游区域，通过降低该区域 H3K4me1/2 水平抑制GmFER表达。

依赖 GmFER 的调控通路：过表达GmFER可导致大豆早花，而Gmldl2/fer双突变体能恢复 ef1 的早花表型，证明 GmLDL2 通过抑制GmFER调控开花时间，形成 “GmLDL2-GmFER” 调控模块。

图3 GmLDL2是一种H3K4去甲基化酶

图4 HX3和ef1的转录组分析

图5 GmLDL2通过调节H3K4甲基化来调控靶基因GmFER转录

图6 GmLDL2以GmFER依赖性方式控制开花

4.GmLDL2 的自然变异：驱动大豆地理适应性的分子基础

单倍型分析：基于 2898 份大豆（野生种、地方品种、栽培种）的重测序数据，鉴定出 GmLDL2 的 6 种单倍型，其中 H1（祖先型）和 H2 为主要单倍型。H1 在野生种中占比 57.4%，H2 仅 7.9%；而在栽培种中 H2 占比达 87%，提示 H2 经历了强烈人工选择。

功能分化：H1 的 H3K4me2 去甲基化活性显著高于 H2。表型分析显示，携带 H1 的大豆在低纬度地区（广州、三亚）开花延迟、株高和产量更高（适应短日照下的晚花需求）；携带 H2 的大豆开花提前，更适应高纬度长日照环境。

地理分布：H1 在低纬度（中国南方）频率高，H2 在高纬度（东北）频率高，直接支持其对不同纬度的适应性贡献。

图7 GmLDL2对大豆的纬度适应有贡献

图8 GmLDL2在调节大豆开花时间和改善低纬度适应性方面的模型

总结

本研究通过正向遗传学、分子生物学及群体遗传学方法，系统解析了 GmLDL2 在大豆开花时间调控中的功能、机制及进化意义，提出了 “GmLDL2 通过 H3K4 去甲基化抑制 GmFER，进而调控开花时间”的新模型，并阐明其单倍型变异对地理适应性的驱动作用。该研究不仅拓展了植物开花时间表观遗传调控的认知，更为大豆的精准育种和区域适应性改良提供了重要理论依据和基因资源。未来可进一步探索 GmLDL2 与其他开花调控通路的交叉作用，以及在更多作物中的保守性机制。