大豆组蛋白去乙酰化酶结合因子GmHE13调控下胚轴伸长的表观遗传机制解析

本研究通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定出大豆下胚轴伸长关键调控因子GmHE13（HYPOCOTYL ELONGATION 13），揭示其作为SNL（Sin3-LIKE）家族蛋白通过招募组蛋白去乙酰化酶（HDACs）和Myb-like转录因子GmRVE5形成复合体，特异性去除下胚轴生长相关基因（如扩展蛋白基因GmEXLBs）启动子区H3K14乙酰化标记以抑制表达的分子机制。研究还发现启动子区关键SNP通过影响光响应转录因子GmOBP3的结合活性导致GmHE13表达差异，且优势单倍型GmHE13Hap1在低纬度地区受到人工选择，为大豆品种定向改良提供理论依据和靶点基因。

　　

背景

双子叶植物大豆（Glycine max）的下胚轴伸长是种子萌发和幼苗建成的关键过程，直接影响田间出苗率和产量。尽管拟南芥中下胚轴调控机制研究较深入，但作物特异性机制仍不清楚。本研究通过GWAS分析496份大豆自然群体，发现染色体13上100.8 kb的LD区块qHE13与下胚轴长度显著相关，其中Glyma.13G067800（命名为GmHE13）因单倍型间表型差异被确定为候选基因。

GWAS鉴定qHE13位点

群体表型分析显示下胚轴长度呈连续正态分布（2.40-14.22 cm）。GWAS检测到显著SNP Chr1316765794.snp，其所在单倍型GmHE13^Hap1在光/暗条件下均表现出更长的下胚轴。表达分析证实GmHE13^Hap1个体中基因表达量显著降低，且与下胚轴长度呈负相关。

GmHE13负调控下胚轴伸长

组织特异性表达显示GmHE13在干种子中高表达，萌发后迅速下降。通过CRISPR/Cas9构建的Gmhe13-22/26突变体（分别含1/2 bp缺失）出现下胚轴过度伸长，而过表达株系GmHE13OE-1/4则显著抑制伸长。Western blot证实突变体中GmHE13蛋白截短（58/64 aa vs 全长1373 aa），且该调控独立于光信号途径。

表观遗传调控机制

RNA-seq发现GmHE13过表达导致418个差异基因，富集于"细胞壁组织"等通路，包括扩展蛋白基因GmEXLB1-1/2。作为SNL家族蛋白，GmHE13含组蛋白去乙酰化酶互作域（HDI），与GmHDA3/7/13/16等HDACs互作。H3K14ac免疫印迹显示GmHE13^Hap1和突变体中该修饰水平升高，CUT&RUN证实GmHE13OE株系中GmEXLBs启动子区H3K14ac减少。体外实验证明GmHDAs具有剂量依赖性去乙酰化活性，其中Gmhda7-19突变体表现出与Gmhe13类似的下胚轴伸长表型。

GmRVE5引导HDAC复合体靶向

通过顺式元件预测和共表达网络分析锁定Myb-like转录因子GmRVE5。BiFC和Y2H证实GmHE13通过HDI域桥接GmRVE5与GmHDA7形成复合体。Gmrve5-14突变体下胚轴伸长且GmEXLBs表达上调，EMSA和CUT&RUN验证GmRVE5通过结合GmEXLBs启动子EE基序（AAATATCT）招募HDAC复合体。

GmOBP3的转录抑制调控

启动子区关键SNP（T>C）位于GmOBP3（Dof3.6家族）结合基序CTTT/GTTTC中。双荧光素酶报告系统显示GmOBP3对含SNP-C的启动子抑制更强，EMSA和DNA pull-down证实SNP-C变体结合亲和力更高。Gmobp3-4突变体表现出下胚轴缩短和GmHE13表达升高，形成"GmOBP3-GmHE13-GmEXLBs"调控级联。

人工选择特征

地理分布分析显示GmHE13^Hap1在低纬度地区（<35°N）富集，与栽培纬度呈负相关（r=-0.36）。该单倍型在野生大豆、地方品种和现代品种中的频率逐级增加（2%→7%→9%），核苷酸多样性（π）分析显示强烈选择信号，推测其适应南方地区的光照条件。

讨论与展望

该研究首次阐明SNL-HDAC复合体通过H3K14ac修饰调控大豆下胚轴伸长的表观遗传途径，解析了GmOBP3-GmHE13-GmRVE5-GmEXLBs分子模块。未来可探究其他HDACs（如GmHDA3/13/16）的功能分化，以及H3K18ac/H3K27ac等修饰的调控作用。GmHE13^Hap1作为低纬度适应靶标，为大豆品种设计育种提供新策略。