大豆作为经济价值极高的重要作物，是全球植物油和蛋白质的重要来源，提升大豆含油量将有力保障全球粮食安全与营养供给。近日，我校陈庆山教授团队齐照明研究员课题联合广州大学孔凡江教授在期刊Plant Biotechnology Journal（中科院一区TOP，IF=10.5）上发表了题为“An α/β-Hydrolase GmABHD6ControlsSeedOilContent andYield inSoybean”的研究论文。该研究通过对染色体片段代换系（CSSL）群体进行QTL定位，定位到了一个调控大豆种子中油分含量的关键QTLqOC16-1，并通过精细定位鉴定了关键基因GmABHD6，该基因属于α/β水解酶超家族成员，本研究报道了其在大豆中调控种子含油量的功能。
大豆油主要以三酰甘油（TAGs）形式储存在种子中，其主要成分是棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸五种脂肪酸。其中亚油酸和亚麻酸属于多不饱和脂肪酸，易发生氧化反应，可能影响油品稳定性和品质。在种子发育过程中，TAGs会聚集在脂滴（LDs）中，待萌发时被释放以支持幼苗早期生长。这一释放过程通过协调的脂质分解途径完成：三酰甘油脂肪酶（TGL）、二酰甘油脂肪酶（DAGL）和单酰甘油脂肪酶（MAGL）依次水解TAGs，最终生成游离脂肪酸和甘油。这些产物进入三羧酸（TCA）循环和氧化磷酸戊糖途径（β-oxidation），为幼苗发育提供所需能量。
α/β水解酶（ABH）超家族包含多种参与脂质代谢的酶类，包括酯酶、硫酯酶、脂肪酶、蛋白酶、脱卤酶、卤过氧化物酶和环氧化物水解酶，许多ABH负责水解酯键和肽键，而另一些则催化碳-碳键断裂及其他生物过程，如脱羧反应。ABHD6催化2-花生四烯酰甘油（2-AG）水解，已有研究表明它还具有单甘油酯（MGL）水解酶功能，能够水解MAGs生成甘油和游离脂肪酸（FFA），并作为完成三酰甘油（TAG）分解的经典酶。尽管在哺乳动物系统中进行了广泛的功能表征，但ABH结构域酶在植物如大豆中调节种子油含量的作用仍知之甚少。
本研究利用野生大豆全基因组导入系群体结合剩余杂合系群体，通过精细定位，将一个油分含量相关QTL (qOC-16-1)位点缩小至150kb，综合基因型表型共分离、表达模式分析、氨基酸变化及单倍型分析等鉴定到候选基因GmABHD6。该基因属于α/β水解酶超家族，具有丝氨酸水解酶活性，同时作为单酰甘油（MGL）水解酶发挥作用。可水解单酰甘油生成甘油及游离脂肪酸（FFA）。其中GmABHD6ZYD与GmABHD6SN在基因编码区共存在3个SNP位点造成了3个氨基酸的改变，酶活性分析结果显示GmABHD6ZYD的酶活性在最适底物浓度条件下极显著高于GmABHD6SN的活性，说明其基因编码区的差异会导致酶的活性发生改变（图1）。
种子油分含量关键QTL（qOC16-1）的定位与特征分析
为进一步确认GmABHD6在大豆种子油分积累中的功能，通过大豆遗传转化分别获得了3个稳定的基因编辑材料及过表达材料，对其进行表型分析发现该基因敲除突变体中油分含量显著上升，蛋白质含量显著降低；而过表达材料中蛋白质含量显著上升。透射电子显微镜观察种子在发育中期及发育后期，敲除系种子的蛋白质体数量减少且体积缩小，而过表达系种子的蛋白质体数量增多且体积增大。油体的数量和体积在敲除系中显著增加，而在过表达系中则明显减少。除了影响油分和蛋白质含量外，GmABHD6还对多个农艺性状产生调控作用。植株形态图片显示过表达植株的株高显著增加且形态更为紧凑，而敲除突变体则比对照组略矮。与此同时，过表达表现出种子宽度和长度的显著增加，而敲除突变体则呈现相反的表型特征：过表达植株种子更大且百粒重增加，敲除突变体的种子更小且百粒重降低；过表达植株的单株荚数和单株粒数均增加，单株种子重量也随之提升，而敲除突变体则呈现相反趋势。对大田种植遗传转化材料的农艺性状统计分析也呈现出相同趋势，过表达株系中植株高度、种子大小、百粒重、单株产量均明显提高，证实GmABHD6调控品质性状的同时对植株农艺性状也有明显调控作用（图2）。
GmABHD6的过表达及敲除植株品质及产量相关性状均有显著变化
取LM时期的对照组、敲除及过表达样品进行转录组及代谢组联合分析，筛选其差异表达基因及代谢通路，结果表明GmABHD6通过调控底物供给、脂肪酸修饰和脂质代谢相关基因来调节脂肪酸代谢。同时发现其中三种关键丰度差异脂质，包括二酰基甘油（DG，18：2/18：2）、磷脂酰胆碱（PC，18：1/16：0）和磷脂酰乙醇胺（PE，16：0/18：3）。这些脂质含量的变化与植株品质表型变化相吻合，综合这些结果表明，GmABHD6在大豆种子发育过程中调控油脂代谢具有关键调控作用。同时利用PlantRegMap数据库（https://plantregmap.gao-lab.org/）网站预测筛选调控GmABHD6表达的上游转录因子并根据实验证实GmERF通过结合GmABHD6启动子区域来调控其表达，从而调控了其品质性状，其调控模型如下所示（图3）。在自然条件下，丙酮酸衍生的代谢物被引导进入三酰甘油（TAG）的生物合成过程。TAG依次降解为二酰甘油（DAG）和游离脂肪酸（FFAs），随后DAG水解为单酰甘油（MAG）和FFAs，最终MAG水解为甘油和FFAs，完成脂质水解过程。当GmERF激活时，GmABHD6促进MAG水解，导致甘油和FFAs水平升高，同时TAG水平降低，最终减少种子油含量。相反，敲除会损害MAG水解，导致DAG和TAG滞留，从而增强大豆种子中的油积累。
GmABHD6介导的大豆种子油分含量调控模型
分析GmABHD6的自然变异，利用实验室种质资源库中997个大豆品系的基因组序列，在覆盖GmABHD6基因组区域内，我们鉴定出高质量的SNP并筛选出若干多态性位点。其中，两个关键SNP定义了不同的单倍型：Hap1_Like在248 bp位置为“G”，2,646 bp位置为“A”；Hap2_Like在248 bp位置为“T”，1,601 bp位置为“G”。单倍型频率分析显示，Hap1在23.38%的野生大豆品系中存在，而在地方品种中增加到74.71%，在改良品种中达到82.58%。进一步分析中国部分品系（77个野生、211个地方品种和310个改良品种）的等位基因频率，Hap1_Like品系的含油量显著高于Hap2_Like品系。地理分布分析表明，Hap2在中国东北地区（地方品种中8.6%，改良品种中7.1%）出现频率低于黄淮地区（50.0%和59.3%）和中国南部地区（66.7%和44.4%）。这表明优质GmABHD6单倍型Hap1在东北地区大豆驯化育种过程中具有优势地位，可为黄淮和南部等其他地区的改良品种提升含油量提供潜在改良方向（图4）。
GmABHD6单倍型分析及选择驯化
东北农业大学陈庆山教授/齐照明研究员、广州大学孔凡江教授为论文的通讯作者。东北农业大学博士研究生于楷鑫，副教授胡利民和已毕业硕士研究生孙博为论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金，黑龙江省自然科学基金，海南种子实验室和中国种子集团联合项目，国家重点研发计划和大豆产业体系等资助。
原文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70466
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（供稿/农学院）
