作物的驯化对于人类社会的发展和稳定具有重要意义。作物的野生近缘种经历人工选择筛选一系列优良性状，培育出全新的栽培种以满足人类的生产需求。深入解析作物驯化的动态演化过程，阐明驯化相关性状背后的遗传与分子机理，对于挖掘作物野生近缘种中尚未开发的遗传变异以改良优质栽培品种具有重要意义。目前绝大多数重要驯化基因都是通过自上而下策略（top-down，即从性状到基因）鉴定得到，该方法虽然有效，但挖掘到的基因数量极其有限。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所任勃研究组及合作者团队在Advanced Science发表了题为An artificially selected cytokinin-pathway transcription factor balances soybean yield and pathogen resistance的研究论文。该研究通过自下而上策略（bottom-up，即从基因到性状），发现大豆中一个细胞分裂素信号途径的转录因子编码基因RR2b在大豆驯化过程中受到人工选择。该基因的启动子上存在一个ATT重复插入（In-Del）的多态性，该插入重复片段的长度可以精细调控RR2b的表达水平，以平衡大豆的产量和抗病性。
本研究利用基因组核苷酸多样性（π）和遗传分化指数（Fst）分析，鉴定到处于驯化与改良双重选择作用下的基因组区域中一个选择清除区域(selective sweep)，包含细胞分裂素信号转导途径的B型反应调节子(B-type Response Regulator)编码基因RR2b。对296份大豆种质材料进行核苷酸多态性分析发现RR2b的编码区不存在变异，但其启动子-100 bp附近存在一段ATT重复序列，可根据其重复数目将群体划分为三种单倍型(haplotype，HT)：HT1（含15或16个ATT重复）、HT2（含少于14个重复）和HT3（含多于17个重复）。在野生大豆(Glycine soja)中，三种单倍型的占比均衡；农家种(landrace)中HT1占比显著提高；而栽培种(cultivar)中HT1占绝对优势（>90%）。这表明RR2b在大豆驯化和改良过程中受到了人工选择。启动子-报告基因结果显示ATT数目的多少与启动子活性的高低呈负相关，说明RR2b是基于其转录本水平而受到选择。
RR2b启动子上的ATT重复调控基因表达水平并受到人工选择
作为细胞分裂素途径的转录因子，RR2b可以激活经典的细胞分裂素信号：敲除该基因导致植株对外源细胞分裂素敏感性降低，过表达该基因则造成敏感度增加。蛋白质截短实验表明RR2b C端的26个氨基酸残基（623-648）对RR2b的转录激活活性充分必要。
RR2b正调细胞分裂素信号通路
在对该转录因子进行CUT & Tag与转录组联合分析时，鉴定到一个与典型B型ARR结合基序GGATT完全不同的新结合基序CTTGGAAT，并挖掘到174个表达模式符合预期的候选基因，其中多个基因与抗病相关，包括ATKH8 (K homology domain-containing protein), LRR4 (Leucine rich repeat protein 4)以及PPR40(Pentatricopeptide repeat 40)。凝胶迁移电泳(Electrophoretic mobility shift assay)和双荧光素酶报告基因(Dual-Luciferase)实验证明RR2b可直接结合到ATKH8、LRR4和PRR40的启动子上并抑制这些基因的表达。病原菌(Pseudomonas syringae pv. Glycinea, Psg)抗性检测结果表明，rr2b敲除植物抗病性增强，活性氧(Reactive oxygen species, ROS)的产生大幅上升，而RR2b过表达植物则呈相反趋势。以上结果说明，RR2b能够抑制抗病基因的表达水平，导致植株抗病性降低。
RR2b抑制抗病基因表达和活性氧的产生
多年多点的田间统计数据表明，RR2b相关转基因材料在产量性状上与抗病性趋势相反：rr2b敲除植物产量降低，而过表达植物产量升高。对大豆自然群体材料的考察结果显示，RR2b基因启动子上ATT重复数目越多的大豆品种产量越低，活性氧的爆发则越剧烈。综合以上结果说明，RR2b的表达水平与产量正相关而与抗病性负相关。
RR2b正调控产量而负调控抗病性
基于上述结果，提出了以下工作模型用以解释RR2b在大豆驯化过程中是如何被选择固定下来，以及如何平衡大豆产量和病害抗性的机制。大豆中的细胞分裂素信号转导途径转录因子RR2b编码基因的启动子区域具有一个可变长度的InDel，该插入片段的长度与RR2b的转录活性负相关，即较长的插入片段对应较低的基因表达水平，而较短的插入片段导致较高的表达水平。RR2b能够平衡大豆产量和抗病性，RR2b水平较高的大豆品种产量较高但病害抗性较差，而RR2b水平较低的品种产量较低但病害抗性较强。在野生大豆群体中，存在各种不同插入长度的单倍型，因此具有不同的RR2b转录水平，以适应不同的环境。在大豆驯化过程中，具有过高或过低RR2b活性的单倍型被淘汰，保留在优良栽培品种中的单倍型具有适中的RR2b活性，有效地平衡了产量和抗病性，以适应人工农业系统。
RR2b精细平衡大豆产量和抗病性的模型
本研究通过自下而上策略鉴定到一个受到人工选择的细胞分裂素信号相关基因RR2b，解析了其通过自身转录活性精细平衡大豆产量和抗病性的分子机制，不但为在不同环境条件下培育大豆最佳产量-抗病性的适应性品种提供了理论依据，也为找回在驯化过程中丢失的遗传多样性从而克服遗传瓶颈提供了可能性。
遗传发育所育种前沿技术实验室任勃研究组已毕业博士马群和在读博士生陈雅庆为该论文共同第一作者，遗传发育所任勃研究员、李磊研究员以及崖州湾国家实验室田志喜研究员为共同通讯作者。此外，遗传发育所在读博士生高艺文、胡雪婷、已出站博士后杨群、刘羽诚研究员以及激素检测平台的辛培勇高级工程师、闫吉军高级工程师、褚金芳正高级工程师参与了本研究。本研究得到国家重点研发计划和中国科学院战略性先导科技专项资助。
