大豆是植物蛋白和食用油脂的重要来源，在食品工业和农业生产中占有重要地位。我国是大豆的起源中心，但目前大豆严重依赖于进口。充分利用我国大豆丰富的遗传资源，挖掘相关调控因子，对培育高产优质大豆品种和保障粮食安全具有重要意义。

        中国科学院遗传与发育生物学研究所张劲松研究组对来自中国不同区域的大豆品种进行转录组测序以及分析，鉴定到影响大豆种子百粒重的相关模块，并进一步从中挖掘出重要的调控因子。随后又基于大豆种子发育过程中基因表达的动态变化，鉴定到一系列发育中持续积累的基因。基于以上两组分析获得的重叠的基因，该研究鉴定到一个新的百粒重调控基因GmPLATZ。通过基因编辑技术创制了该基因及其同源基因的双突变体gmpla/b。这个双突变体大豆的籽粒和粒重变小，表明大豆需要GmPLATZ保持籽粒大小和粒重。转录组分析表明，GmPLATZ显著影响了细胞周期和植物激素合成的相关通路。进一步研究发现，GmPLATZ直接激活六个细胞周期蛋白基因表达，促进细胞周期进程；同时也直接激活GmGA20OX促进细胞增殖。GmPLATZ可通过结合回文序列元件AATGCGCATT和GCATT(N17)AATGC分别调控GmGA20OX和GmCYCD6;1表达。在大豆中过表达GmGA20OX可促进籽粒变大并提高粒重。因此GmPLATZ可能通过激活GA合成途径和细胞周期进程促进籽粒变大并提高粒重。

       研究也发现，PLATZ在野生大豆中已经受到选择，并在栽培大豆中完全固定下来。同时鉴定到PLATZ重要的单倍型Hap3，与高的百粒重、高的基因表达和高启动子活性相关。在拟南芥和水稻中，GmPLATZ的同源基因也具有调控籽粒大小和粒重的保守功能。这项研究揭示了新的大豆粒重调控模块，对大豆遗传改良和高产育种具有重要意义。

       上述研究以“Global analysis of seed transcriptomes reveals a novel PLATZ regulator for seed size and weight control in soybean”为题，于2023年10月15日在线发表于New Phytologist(DOI:10.1111/nph.19316)。张劲松研究组胡杨博士为论文第一作者，张劲松研究员、张万科副研究员和韦伟助理研究员为共同通讯作者。中国科学院遗传发育所陈受宜研究员、南京农业大学喻德跃教授、安徽省农业科学院周斌研究员、黑龙江省农业科学院来永才研究员团队和黑龙江农科院克山分院张勇研究员等也参与了该项工作。该研究得到了国家重点研发计划等项目资助。 

图：基于转录组分析鉴定GmPLATZ及该基因分子机制解析 

(a) 通过共表达网络进行层次聚类分析。(b) 持续积累基因的GO富集分析。

(c) Williams 82和双突变体大豆的种子大小比较。
(d) GmPLATZ调控大豆种子大小和粒重的工作模型。