大豆为人类提供了44%的植物蛋白和27%的食用油，是世界重要的粮油作物。东北、黄淮海和南方地区是我国大豆的三大主产区。为满足人民生活和以豆泊为饲料的畜牧业生产刚性需求，在常规育种提高大豆单产幅度不大的情况下，必须在分子育种理论指导下，培育早熟或超早熟高产大豆新品种，将大豆种植区推进到黑龙江和内蒙古北部高寒地区及中低纬度的黄淮海、南方地区。黑龙江和内蒙古北部高寒地区无霜期只有85-90 天，积温少，生育期短，一向只能种植小麦，被视为大豆栽培的“禁区”。这些地区由于连年单一种植小麦，所以造成草荒严重，产量和质量逐年下降，有些地块不得不采用轮耕或弃耕。培育超早熟高产大豆品种是解决该高寒地区大豆生产的迫切需要。黄淮海和南方地区是我国重要大豆产区，雨热资源充沛，关键是提高复种指数。培育超早熟大豆品种是有效利用该地区的耕地资源，增强大豆种植业可持续发展的需要。

大豆是敏感的高温短日照作物，生育期的长短是由品种对光周期反应强弱决定的，适应于高纬度环境的大豆栽培品种要求必须具有对光周期的高度不敏感性，而适应于黄淮海、南方地区的超早熟品种也要求一定的不敏感性。生育期是大豆产量最主要的影响因子之一，早熟常常伴随着低产。因此，明析大豆光周期调控开花的分子机制不仅对解决早熟与高产间的矛盾提高理论依据，而且可为早熟、高产大豆新品种的分子设计育种提供关键核心模块。

自1927年以来，经典遗传学研究表明，与大豆生育期有关的基因有11个，分别是E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10和J。 前人有关大豆生育期长短分类的研究和生育期基因的研究虽然精细深入，也为后续研究打下了深厚的基础。但由于受到当时研究条件和技术等限制仍有不足：所有研究都是在常规实验基础上，更多地依据生理生态指标完成的，未能深入到分子水平。广州大学分子遗传与进化创新研究中心在前辈研究基础上，深入系统地开展了大豆光周期调控开花的分子机制研究，共取得了如下重要科学发现:

1. 成功克隆E4基因并证明其功能，为早熟分子设计育种提供了关键模块

前人从经典遗传学和生理学角度对E4进行了深入研究，如大豆植株在由荧光灯和白炽灯人工控制的不同红光:远红光(R:FR)量子比的光质量下，会产生不同的反应(Cober 等,1996) 。通过利用白炽灯以低的R:FR比延长自然光至20小时的实验发现了E4位点(Buzzell 和 Voldeng,1980)，E4位点的隐性等位基因并不能单独地对由荧光灯和白炽灯诱导的长日条件产生不敏感性，要想在低的R:FR比的长日条件下开花的大豆植株，携带纯合隐性基因e3则是必须的(Buzzell 和Voldeng,1980; Cober 等,1996;Saindon 等,1989) 。在e3和e4背景下E1 和 E7位点也参与控制人工诱导的长日条件的不敏感性(Cober 等,1996；Cober和Voldeng,2001b) 。然而，E4是由哪个基因编码及如何参与大豆光周期调控（长日照敏感性）等尚未见报道。

我们利用栽培大豆和野生大豆配制的遗传作图群体-重组自交系（F6代）定位了包括生育期在内的、9个与大豆重要农艺性状相关的17个QTL，其中位于D1b和J连锁群上的硬实性QTL和裂荚性QTL，在其它的作图群体中得以证实。研究结果揭示了这些共通的QTL在大豆栽培化进程中承担着重要功能，并佐证了大豆起源的东亚假说（Annals of Botany, 2007.）。其中，将E4基因定位在I连锁群上，首次克隆了E4及其多基因同源序列。在光反应不敏感E4位点携有隐性基因的同源系的GmphyA2基因分析表明，一个Ty1/copia-like 反转录转座子镶嵌在基因外显子1中，由此导致了基因的失活。发现该反转录转座子的PBS和PPT区域上新的结构域，命名为SORE1，进一步研究表明SORE1在干旱或高温胁迫下易发生转座，类似于E4基因的开关功能（Journal of Molecular Evolution, 2009.）；作图研究揭示E4编码光敏色素蛋白（GmphyA2）。GmphyA1基因被定位在连锁群O的一个区域内，它与连锁群I的E4位点区域是同源的。在连续的远红光下纯合体e4等位基因的植株是黄化的，然而也有部分非黄化的植株出现，表明单突变并不能促使phyA功能的完全丧失。提出：(1)遗传过剩意味着phyA基因复制拷贝的存在是产生光反应不敏感性的原因，同时防止突变的有害作用；(2)这种现象说明在基因复制和植物对环境适应反应能力之间存在着连锁关系（Genetics, 2008.）。发现了E4基因的五种突变类型，开发了鉴定E4基因突变类型的特异方法；诠释了E4基因对白炽光敏感的分子机理（Agronomy, 2013.）；进一步研究表明，E4基因不仅控制大豆开花前的光周期反应，同时也调控大豆灌浆期的长短和荚数的多少，进而影响产量；深入研究表明，种植在相同纬度具有纯合半显性e4a基因型品种比纯合E4基因型品种生育期提前3天左右成熟，但产量几乎没有变化。因此，e4a基因的科学意义在于不仅为早熟分子设计育种提供了关键模块，而且解决了早熟与高产间的矛盾（BMC Plant Biology, 2013.）

2. 成功克隆大豆中10个FT家族基因

开花素(Florigen，FT蛋白)是植物开花的信号物质，从叶片转运到茎尖诱导花的形成。从大豆中克隆了10个FT基因，这10个基因成对的复制在大豆连锁群上。基因表达分析的结果表明仅有两个FT基因（GmFT2a 和GmFT5a）参与诱导花的形成。并首次从分子水平上初步解释了大豆开花期和生育期的分子机制，即（1）在诱导的短日照条件下，有两个FT基因参与表达导致花期很短，然而在非诱导的长日照条件下，只有一个FT基因参与表达从而导致开花期变长；（2）大豆经过自身进化使光敏色素A基因失活来适应在高纬度区域生存，而这一进化过程又是最终通过调控大豆中两个主要的FT基因表达来实现的；（3）在长日照条件下，长日照植物拟南芥的光敏色素A基因诱导FT基因的表达，而短日照植物大豆的光敏色素A基因却抑制FT基因的表达，说明短日照植物含有与长日照植物不同的光周期反应调控机制（Plant Physiology, 2010, 154(11): 1220-1231）。酵母双杂交和双分子荧光互补实验表明FT蛋白需要与 GmFD19蛋白结合形成复合蛋白诱导大豆开花；通过互补实验分别过量表达GmFT2a和GmFT5a基因，发现能够促进大豆提前开花，并且能够上调GmAP1基因的表达；在大豆中过量表达GmFD19基因，发现也能够促进大豆提前开花，同样也能够上调GmAP1基因的表达；进一步的凝胶阻遏实验表明，FT-FD复合蛋白是通过GmFD19蛋白与GmAP1基因启动子区域的AGCT顺式调控元件结合诱导GmAP1基因的表达，进而诱导大豆开花的。研究结果揭示了大豆FT蛋白与FD蛋白互作及其调控机理，为大豆长日照敏感性的分子机理研究奠定了理论基础（PLoS ONE, 2014.）。

3. 成功图位克隆了大豆结荚习性Dt1基因，解决了大豆结荚习性鉴定的科学问题

利用图位克隆的方法首次克隆了控制单株荚数基因Dt1，序列分析表明Dt1是拟南芥TFL1同源基因，在大豆基因组中有2个拷贝。通过转基因方法使TFL1b在大豆中过量表达和RNAi技术使TFL1b在大豆中减少表达验证了其功能；同时依据单碱基突变的位点，设计了dCAPS特异引物，开发了在分子水平上鉴别大豆有限结荚习性和无限结荚习性的方法。进一步研究表明：无限及有限结荚系出苗15天后GmTFL1b高度表达，但有限近等基因系出苗后20天表达突然减弱，之后即检测不到，而无限型近等基因系在出苗后25天时依旧可以检测到GmTFL1b的转录产物。究发现，无限结荚系GmTFL1b启动子区有两个光诱导启动子1（SORLIP1）的顺式作用元件，而在有限结荚系内只有一个完整的SORLIP1，另外一个发生了相同的点突变，呈现单核苷酸多态性。研究结果表明，无限和有限结荚系GmTFL1b基因表达的是启动子区域的光诱导启动子1（SORLIP1）的顺式作用元件调控的。研究结果揭示了大豆结荚习性的分子机理，解决了大豆结荚习性鉴定的科学问题（Plant Physiology, 2010,153(5): 198-210）。同时发现TFL1基因抑制大豆开花，进一步研究表明，TFL1基因抑制大豆开花是通过与FT共同竞争FD蛋白实现的（PLoS ONE, 2014.）。利用E1、E2、E3、E4近等基因系研究表明，E3基因抑制大豆荚的发育，E4基因能够增加大豆单株荚数。进一步表达分析表明，E3、E4基因的功能都是通过诱导E1/E1L基因的表达实现的。提出黑龙江第一、二积温带大豆高产基因型：E1/e2/e3/E4；第四积温带大豆早熟高产基因型：e1-as/e2/e3/E4（PLoS ONE,2014）。并据此理论通过分子育种培育了东生77号大豆新品种，单产比对照提高7.3%，2015年3月通过了审定命名，累计示范推广面积78万亩，增加经济效益2511万元；培育了东生78号大豆新品种，比对照品种合丰50平均增产10.2%，2017年1月通过审定命名，累计示范推广面积2.5万亩，增加经济效益93.7万元。培育了东生79大豆新品种，两年区域试验和生产示范试验平均脂肪含量24.16%，是黑龙江省1966年以来育成的485个品种含油量最高的品种，2018年3月通过黑龙江省农作物品种审定委员会大豆专业委员会审定。

4. 揭示了大豆低纬度地区生态适应性的分子遗传基础

大豆对光周期高度敏感, 光敏特性是决定其纬度生态区适应性的关键因素。栽培大豆由野生大豆(G. soja)驯化而来, 大约5000年前起源于中国温带地区。约2000年前引入韩国和日本, 之后扩展至东南亚和南亚地区。1765年引入北美后, 大豆在美国大量扩展, 最早有熟期组MG I–VII, 后来向北发展形成了熟期组MG 0和MG 00组, 向南发展形成了MG VIII组。20世纪后期向北又发展了MG 000特早熟组。但当温带地区的大豆品种引种到热带(南北纬23°26ʹ间)或邻近地区时, 由于对热带地区的短光周期敏感, 开花和成熟期提前, 生长体量缩小, 产量很低, 限制了大豆在热带地区的种植。因此, 光周期不敏感以延长营养生长的育种方向应运而生。在低纬度地区短日照条件下, 长童期(long-juvenile, LJ)大豆品种比温带品种开花晚、成熟晚, 从而导致其株高、主茎节数、产量及其它重要农艺性状均有所改良。LJ性状的应用使大豆在南美洲大范围发展, 熟期组延伸到MG IX和MG X, 大豆在巴西的中西部开始种植, 继而扩展到纬度15°以下甚至赤道等热带地区。前期研究发现，J位点是控制LJ性状的关键位点。然而，J是由哪个基因编码的？控制LJ性状的分子机理？等科学问题尚未回答，我们通过精细定位克隆了J基因, 发现其与拟南芥(Arabidopsis thaliana)早花基因 (ELF3)同源。利用功能互补和近等基因系等方法验证了J基因的功能, 在短日照条件下, 等位基因j比J开花晚、成熟晚 且产量提高50%。进一步研究发现, J蛋白与E1基因(豆科植物开花抑制因子)的启动子结合抑制E1基因的表达, 从而解除E1对大豆开花基因(FT)的抑制, 促进大豆在短日照下开花。研究还发现在大豆种质资源中存在多种j等位变异。该研究引领了大豆 生育期遗传研究的新方向, 揭示了大豆向热带地区发展的遗传基础。主要研究结果发表在国际遗传学顶级期刊Nature Genetics（2017，49：773-779）。

5. 发现光周期调控大豆开花的遗传调控网络

5.1. 自主克隆的大豆生育期E4基因是拟南芥光敏色素PHYA的同源基因，E1 /E1L是豆科植物特有的转录因子，预示着大豆基因组中存在着独特的控制开花与成熟期的调控网络(Plant Physiology, 2015.)；

5.2. E3、E4基因的功能受控于E1 /E1L，E3、E4调控大豆生育期，通过调控E1或E1L实现的，而E1或E1-Like基因通过调控两个FT基因（GmFT2a和GmFT5a基因）控制大豆生育期，从而证明了大豆存在着特有的大豆光周期对开花期和生育期的调控途径：PHYA-E1/E1L-FT；

5.3. 研究还发现CO、miR156、miR172调控大豆光周期和开花期均受到E1/E1L的诱导(Plant Cell Physiology, 2015；Plant Molecular Biology, 2015, 89(4): 353-363；Plant Molecular Biology, 2015, 88(4): 343-355)，从而进一步证明了大豆光周期的开花期调控途径PHYA-J-E1/E1L-FT是光周期对大豆开花期和生育期调控的主要调控途径。上述研究结果揭示了大豆基因组中存在着与拟南芥和水稻不同的光周期控制开花期与成熟期特异的且主要的遗传调控络PHYA-J-E1/E1L-FT。我们的系列研究推进了大豆光周期调控开花期分子机理研究的进展，对于深刻理解长、短日照作物光周期调控开花期进化的分子机制具有重要的参考价值。研究结果对于指导生育期育种、选育早熟高产或超早熟高产大豆品种有重要科学意义和应用价值。

发现点：

1.自主克隆J、E1L、E4、E7、E9、FT、CO、Dt1、miR172、TOE基因，发现新基因E9和E4特异突变类型；诠释了上述基因的功能，解析了它们间的遗传调控关系

2.发现豆科植物特有的光周期调控开花途径；

3.发现光周期调控大豆开花的特异遗传调控网络。

发现点的科学价值：

1.系统研究大豆生育期J、E1L、E4、E7、E9、FT、CO、Dt1、miR172、TOE基因及其互作关系，原创性发现豆科植物特有的且主要的光周期调控开花遗传网络PHYA-J-E1/E1L-FT。打破了模式植物拟南芥PHYA-CO-FT的既往经典研究结果的单一性，拓展了植物光周期调控开花的遗传调控网络，揭示了植物界光周期调控开花途径与机理的多样性，推动了植物学、作物分子遗传与育种学科的发展；

2.发现E4特异等位变异，已运用于分子设计育种实践，解决了早熟与高产间的矛盾；

3.提出黑龙江第一、二积温带大豆高产基因型：E1/e2/e3/E4；第四积温带大豆早熟高产基因型：e1-as/e2/e3/E4。并据此理论通过分子育种培育了东生77、78、79三个大豆新品种，推动了大豆育种工作进程。

第三方评价：

1.国内外学术期刊Nature Plants、 Chinese Bulletin of Botany等对发表在Nature Genetics（2017，49：773-779）具有里程碑意义的成果作了专文评述：Lu等(2017)的研究与众不同, 他们利用巴西材料研究热带地区大豆长童期的分子遗传机制，“j的等位变异对大豆适应低纬度地区及其在这些地区推广和生产起中重要作用，研究结果为大豆热带地区适应性理论的揭示和应用打开了一扇大门”。此研究成果入选了国家自然科学基金委员会的2017年度优秀成果汇编。

2.南京农业大学盖钧镒院士、黑龙江省农业科学院大豆研究所杜维广研究员在《大豆科学》（第34卷第4期，2015年8月）发表题为“光周期调控大豆开花期分子机理研究的新进展”一文，对我们的研究成果做了专门评述:揭示了大豆基因组中存在着与拟南芥和水稻不同的光周期控制开花与成熟期特异的、且主要的遗传调控网络--PHYA-E1/E1L-FT。研究团队系统性、创新性和突破性工作，推进了大豆光周期调控开花分子机理研究的进展，对于深刻理解长短日照作物光周期调控开花进化的分子机制具有重要的参考价值。研究结果对于指导高纬度寒冷地区、黄淮海地区提高复种指数所需要的高产早熟或超早熟大豆育种工作有重要科学意义和应用价值。