大豆驯化起源于中国，随后广泛传播于世界各地，为人类提供了主要的植物油和蛋白资源，是世界性的重要粮食经济作物。随着世界人口的增加和饮食结构的改变，全球对大豆消费需求逐年增加，进一步提高大豆单产和品质对于保障世界大豆生产具有重要意义。
近日，浙江大学生命科学学院寿惠霞教授团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所、福建农林大学、美国伊利诺伊大学等多家科研机构的研究团队，在国际知名期刊《国家科学评论》（National Science Review）上发表题为“Simultaneous changes in seed size, oil content, and protein content driven by selection of SWEET homologues during soybean domestication”的研究论文。该研究发现糖转运蛋白GmSWEET10a/b协同调控大豆籽粒大小、含油量和蛋白含量，在大豆驯化改良过程中起到了关键作用。
野生大豆籽粒小、含油量低、蛋白质含量高，而经过驯化的栽培大豆通常籽粒大、含油量高、蛋白质含量低。在大豆驯化和改良过程中，这些产量和品质性状的协同调控是否能够由单基因独立完成尚不清楚。在前期研究中，寿惠霞团队利用国内顶尖的大豆技术体系和研究平台，挖崛影响种子发育的关键基因，并率先发现种子特异表达基因GmSWEET10a/b。与此同时，田志喜团队对870余个大豆资源材料开展了全基因组测序和性状评估。通过两者关键基因的比对，科研人员发现，GmSWEET10a/b是迄今发现大豆驯化过程中对产量和品质最具影响力的基因。
▲大豆GmSWEET10a和GmSWEET10b驯化模式图
研究团队进一步研究发现，GmSWEET10a/b特异表达在大豆种皮的薄壁组织，并介导蔗糖、葡萄糖及果糖从种皮向胚的运输。敲除GmSWEET10a或GmSWEET10b都会导致百粒重和油份显著下降，蛋白质含量显著提高。两个基因同时敲除，百粒重降低40.2%，油分含量降低40.7%，蛋白含量提高32.1%。群体遗传学发现，GmSWEET10a和GmSWEET10b发生了渐进式的变异和人工选择。其中，GmSWEET10a在大豆驯化过程中受到强烈选择，使栽培品种的籽粒变大、含油量提高、蛋白质含量降低；GmSWEET10b的驯化和完成选择的程度稍滞后于GmSWEET10a。在栽培大豆中过表达这两个基因，大豆种子百粒重及油分含量都显著提高，且单株产量提高达11%-20%。该研究对于通过分子育种提高大豆产量及品质有重要意义。
“下一代大豆育种就可以直接运用这项成果。”寿惠霞介绍，这项研究可以直接运用于大豆品质筛选和分子标记物辅助的杂交育种，对于增产保质具有积极意义。“我们实验室前期还发现了另一个调控大豆粒数的关键糖转运蛋白，与本研究发现的新蛋白叠加有望在大豆高产、优质等重要性状上获得更大突破。”
据悉，该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。浙江大学为第一作者单位。浙江大学王守冬博士、中科院遗传发育所刘书林博士、福建农林大学王杰博士为文章的共同第一作者。中科院遗传发育所田志喜研究员、浙江大学寿惠霞教授、福建农林大学关跃峰教授和美国伊利诺伊大学陈利清助理教授为文章的共同通讯作者。