NC|中国农业科学院作物科学研究所揭示GmSW19调控大豆粒重分子机制及其优异等位变异育种价值.
2026年4月“Nature Communication”杂志在线发表了中国农业科学院作物科学研究所邱丽娟团队“An underutilized genetic component in the regulation of soybean seed weight”的研究论文，该研究论文克隆了大豆粒重调控的新关键因子GmSW19，同时揭示了GmSK21-GmSW19-GmSW5分子模块调控大豆粒重的分子机制，为大豆育种遗传改良提供了重要的理论依据和基因资源。
对1501份栽培大豆（含938份地方种和563份改良品种）进行了百粒重全基因组关联分析（GWAS）。在三亚、武汉和南昌三个环境下，百粒重呈3.0–50.2 g的广泛变异，环境间表型显著正相关（r=0.81–0.87），广义遗传力为0.86，表明百粒重主要受遗传控制。利用650万个SNP（MAF≥0.05）和FarmCPU模型，在三个环境中一致鉴定出21个显著关联SNP（-log10 P>8），对应21个稳定遗传区域，其中约三分之二与已知QTL重叠，如Chr15:3,867,098位于qSW6-1、qSW33-2区间且邻近已知基因GmSWEET10a。结果为百粒重候选基因挖掘提供了可靠基础。位于19号染色体上的qSW19位点，该位点与百粒重显著相关。通过连锁不平衡分析，将候选区域缩小至约82.6 kb，包含11个开放阅读框。单倍型分析发现4个基因中的5个SNP与百粒重显著相关。在排除已知不相关基因Dt1后，Glyma.19G194500因具有种子特异性表达且表达峰值与种子成熟期吻合，被确定为目标基因，命名为GmSW19。进一步分析发现，该基因第一个外显子中的一个非同义SNP（A/C）导致T175P氨基酸替换，携带C等位基因的种质在所有环境中均表现出显著更重的粒重，提示该SNP是功能变异的关键。
利用CRISPR/Cas9技术在大豆品种Williams 82中敲除基因GmSW19，获得了三个移码突变的纯合缺失突变体（sw19-1、sw19-2、sw19-3），均为功能丧失型等位基因。与野生型相比，突变体的种子更大、更长、更重（分别增加约4.4–6.7%、6.0–7.1%和9.1–12.2%），单株种子重量提高约5.5–11.7%，细胞学分析表明这是由种子细胞增大所致，而非细胞数量或密度的改变。同时，株高、分枝数、种子数及荚数无显著差异。小区产量提高约9.5–14.1%。此外，两个同源基因位点未检测到脱靶突变。表明GmSW19是大豆种子大小与重量的负调控因子，是提高产量的重要靶点。为探究特定SNP对GmSW19功能的影响，在Williams 82大豆中超表达两种等位基因（GmSW19A和GmSW19C）。结果显示，所有转基因植株的种子大小和重量均低于野生型，但GmSW19A过表达株系的种子显著小于GmSW19C过表达株系，而株高和荚数不变，说明GmSW19负向调控种子重量，且GmSW19A的抑制作用更强。进一步研究发现，尽管T175P氨基酸替换未改变蛋白的核定位及空间结构，但GmSW19A蛋白的积累量明显高于GmSW19C，而二者转录水平相似，表明T175P替换影响了蛋白稳定性。
对大豆cDNA文库的酵母双杂交筛选，发现GmSW19A与一个II亚类GSK3-like激酶GmSK21（Glyma.04G063600）在细胞核中共定位，并通过Y2H、BiFC和LCI实验验证了二者直接互作。为探究GmSK21功能，在Williams 82中构建其敲除突变体，未见种子大小显著变化，可能由于同源基因功能冗余。进一步构建GmSK21与同源基因GmSK21a的双突变体，种子重量显著增加。而过表达功能获得型突变体GmSK21G787A则显著降低百粒重，野生型过表达无表型。综上，GmSK21可能与其同源基因（如GmSK21a）功能冗余，抑制种子重量。基于已知BIN2磷酸化ABI5的机制，本研究推测GmSK21可能磷酸化GmSW19，且T175P突变可能影响该过程。通过体外激酶实验发现，GmSK21能磷酸化GmSW19的两种变体，但对GmSW19A（含T175）的磷酸化信号显著强于GmSW19C（T175P突变）。进一步将GmSW19中除T175外的所有苏氨酸突变为脯氨酸后，仅保留T175的变体仍保持强磷酸化，而无任何苏氨酸的变体则无信号，证实T175是主要磷酸化位点。Y2H和免疫共沉淀实验显示，GmSW19A与GmSK21的结合能力更强。实时荧光定量PCR表明，GmSW19缺失不影响GmSK21转录。综上，T175P突变主要通过影响磷酸化和蛋白结合能力调控GmSW19的稳定性，而非转录水平。
为鉴定GmSW19的下游靶基因，研究者对野生型和sw19突变体的R7期种子进行RNA-seq分析，筛选出643个差异表达基因（DEGs），其中360个上调、283个下调。KEGG分析显示这些DEGs富集于脂肪酸代谢、碳代谢、氨基酸合成及激素信号转导通路。在DEGs中，10个基因的拟南芥同源物已知影响种子大小或含油量，其中Glyma.05G244100（命名为GmSW5）编码一个磷脂酰乙醇胺结合蛋白。进一步实验证实，GmSW19通过结合GmSW5启动子中的P3和P4区域的ACGT元件直接抑制GmSW5转录；突变这两个元件可显著削弱或完全消除该抑制作用。RT-qPCR显示，sw19突变体中GmSW5表达上调，而过表达GmSW19则下调表达。遗传分析表明，sw19突变体使种子重量增加9.2%，而sw19 sw5双突变体种子重量恢复至野生型水平，证明GmSW19至少部分依赖GmSW5调控种子发育。
在野生大豆向地方品种的驯化及随后育成品种的改良过程中，大豆种子重量显著增加。对1,719份材料分析发现，控制大粒的等位基因GmSW19C在野生大豆中频率为59%，在地方品种中骤降至17%，在育成品种中仅回升至22%，表明人工选择主要保留了小粒等位基因GmSW19A。这种反常分布的原因是GmSW19C与决定生长习性的关键基因Dt1紧密连锁（相距约16.4 kb）。驯化过程中，结荚习性（有限/无限）受到强烈选择，导致与有限结荚相关的Dt1单倍型被优先保留，而GmSW19C因连锁而被间接淘汰。进一步的地理分析显示，在北方地区，即使存在光周期适应性风险，育种家仍会利用GmSW19C提高粒重。综上，GmSW19C因与Dt1连锁而在驯化育种中未被充分利用，但目前已开始被发掘用于大豆粒重改良。
通过对1719份大豆材料的分析，鉴定出两个主要单倍型：GmSW5H-I（重粒）和GmSW5H-II（轻粒）。GmSW5H-I在野生大豆（61%）和地方品种（51%）中频率略降，但在改良品种中显著上升至81%，表明现代育种强烈选择该等位基因以增加粒重，而古代农民未做此选择。地理上，该等位基因在北部地区已固定（100%），在南部地区占50%，在中部地区仅14%，显示其在南部仍有应用潜力。进一步发现，GmSW19、GmSW5与Gmdt1的优势单倍型组合（H5/GmSW5H-I）粒重最高（约20.3 g/100粒），而该组合目前利用率低，仅占地方品种的14%和改良品种的27%，在各地理区域中占比也较低（北部5%、南部14%、中部0%）。综上，该组合在育种中具有大幅提高大豆粒重的潜力。该文章创新点:
（1）发现一个负向调控大豆粒重的bZIP转录因子GmSW19。
（2）揭示GmSK21激酶对GmSW19的磷酸化调控机制及其单核苷酸多态性（SNP）的功能影响。
（3）鉴定出优异等位变异GmSW19C及其在育种中未被充分利用。
https://doi.org/10.1038/s41467-026-72438-0
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