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本研究聚焦光周期敏感型雄性不育（PGMS）大豆品系88-428BY，通过转录组分析和加权基因共表达网络分析（WGCNA），揭示了与光周期调控雄性不育相关的基因网络，为大豆杂种优势利用提供了重要遗传基础。
大豆（Glycine max）作为一种重要的经济作物，其杂种优势的利用对于提高产量具有重要意义。然而，光周期敏感型雄性不育（PGMS）的分子机制尚不明确，限制了杂种优势在大豆中的应用。为此，山西农业大学的研究人员开展了相关研究，通过转录组分析和加权基因共表达网络分析（WGCNA），揭示了大豆光周期敏感型雄性不育的潜在遗传基础，并筛选出多个关键候选基因，为大豆杂种优势的利用提供了重要理论支持。研究成果发表在《BMC Genomics》上。
研究背景
大豆因其高蛋白和高油脂含量而成为全球重要的经济作物之一。杂种优势（Heterosis）在玉米、水稻等作物中已被广泛应用以提高产量，但在大豆中的应用仍面临挑战。光周期敏感型雄性不育（PGMS）是一种受环境因素调控的雄性不育类型，其在大豆杂种优势利用中具有巨大潜力。然而，目前关于PGMS的分子机制尚不清楚，这限制了其在大豆杂交育种中的应用。因此，深入研究PGMS的遗传基础对于提高大豆产量具有重要意义。
研究方法
研究人员以光周期敏感型雄性不育大豆品系88-428BY为研究对象，该品系在短日照（SD）条件下表现为雄性不育，而在长日照（LD）条件下则表现为可育。研究中采集了88-428BY在SD和LD条件下三个花药发育阶段（S4、S8、S12）的样本，通过Illumina转录组测序技术分析了不同光周期条件下的基因表达差异。此外，利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）构建基因共表达网络，筛选出与PGMS相关的关键基因模块，并通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）验证了部分差异表达基因的表达模式。
研究结果
大豆PGMS品系88-428BY的表型特征
研究发现，88-428BY在长日照（LD）条件下表现出正常的植株高度和花粉粒可育性，而在短日照（SD）条件下则表现出矮化、花小且完全雄性不育。实验结果表明，光周期是调控88-428BY雄性不育的关键因素，而非温度。
转录组分析揭示基因表达差异
通过对不同光周期条件下花药发育阶段的样本进行转录组分析，研究人员共鉴定出2333、2727和7282个差异表达基因（DEGs）。基因本体（Gene Ontology, GO）和京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）通路分析显示，这些差异表达基因主要富集在光周期胁迫、光刺激、氧化还原过程、多细胞生物发育和蛋白质磷酸化等生物学过程和代谢通路中。
加权基因共表达网络分析（WGCNA）筛选关键基因
利用WGCNA分析，研究人员构建了基因共表达网络，并筛选出与PGMS显著相关的四个模块（蓝色、棕色、红色和黄色模块）。这些模块中共包含224个核心差异表达基因，它们在光刺激、氧化还原过程、多细胞生物发育和蛋白质磷酸化等过程中发挥重要作用。进一步分析发现，这些基因中包括多个转录因子，如MADS-box家族的Glyma.10G240900和MYB家族的Glyma.19G219000，这些转录因子在植物生殖发育和光周期响应中具有重要作用。
候选基因的鉴定与验证
研究人员通过整合已知的与雄性不育相关的基因，筛选出8个与光周期敏感型雄性不育相关的关键候选基因，包括Glyma.01G049600（与CSA基因同源）、Glyma.04G213100（与CalS5基因同源）、Glyma.09G233700（与res3基因同源）、Glyma.13G114200（与MS1基因同源）和Glyma.13G066600（与MS6基因同源）。qRT-PCR验证结果表明，这些基因的表达模式与转录组分析结果一致，进一步证实了它们在光周期调控雄性不育中的重要作用。
研究结论与讨论
本研究通过转录组分析和加权基因共表达网络分析，揭示了大豆光周期敏感型雄性不育的潜在遗传基础，并筛选出多个关键候选基因。这些基因在光周期调控的雄性不育过程中发挥重要作用，为大豆杂种优势的利用提供了重要的理论支持。研究结果不仅丰富了对PGMS分子机制的理解，还为开发新的光周期敏感型核不育材料奠定了遗传基础。未来的研究将进一步验证这些候选基因的功能，并探索其在大豆杂交育种中的应用潜力。
