CRISPR/Cas9编辑大豆赤霉素受体基因GmGID1-2显著提升产量与共生固氮效率

本研究通过CRISPR/Cas9技术敲除大豆赤霉素受体基因GmGID1-2，创制了具有半矮化、茎秆粗壮、分枝增多等优良农艺性状的新种质。该突变体通过调控DELLA蛋白积累，同步实现了产量提升17.16%、籽粒含油量增加1.64%以及根瘤固氮能力增强20.96%的突破性进展，为豆科作物可持续育种提供了关键靶点。

　　

GmGID1-2调控大豆株型与产量的分子机制

GmGID1-2通过DELLA通路调控株高

研究发现大豆中存在5个GID1同源基因，其中GmGID1-2在多数组织中表达量最高。通过构建过表达（OE）和敲除（KO）转基因株系，证实GmGID1-2与DELLA1/3等蛋白在赤霉素（GA₃）依赖条件下发生互作，调控DELLA蛋白降解。KO株系中DELLA积累导致细胞纵向伸长受抑而径向扩展增强，形成株高降低15%、茎粗增加17%的理想株型。

多重农艺性状的协同改良

田间试验显示，GmGID1-2^KO株系产生四大突破性表型：

1. 1.

   产量构成优化：单株分枝数增加60%，荚果数提升27.6%，单株粒重提高26.38%

2. 2.

   抗倒伏性增强：茎秆强度显著提高，支持密植栽培

3. 3.

   籽粒品质改变：含油量上升1.64个百分点，与PEPC/PK酶活性变化导致的碳流重分配相关

4. 4.

   固氮效率突破：根瘤数量、重量及氮酶活性分别提高16.69-34.99%

分子调控网络的深度解析

转录组分析揭示GmGID1-2通过多层级调控网络影响性状形成：

• •

  分枝调控：下调分枝抑制因子GmTB1/GmD14，上调激活因子GmD53/GmAP2

• •

  脂代谢调控：激活GmZF351/GmNFYA等油脂合成正调控因子

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  结瘤信号：促进早期共生标记基因GmNINa/GmENOD40表达，加速根瘤原基形成

自然变异与育种应用

在264份种质中未发现功能缺失型等位变异，但启动子区SNP（Gm03:36395036_C）与株高降低显著相关。设计的dCAPS分子标记可用于辅助选择。值得注意的是，在20万株/公顷密度下，KO株系比野生型增产13.99%，显著优于30万株/公顷的密植效果，表明该基因更适合常规密度栽培体系。

理论与应用价值

该研究首次阐明GID1在豆科作物中的多效性功能：

1. 1.

   破解了半矮化与固氮能力负相关的育种难题

2. 2.

   揭示了GA信号与独脚金内酯（SL）通路交叉调控分枝的新机制

3. 3.

   创制的编辑材料可直接用于育种实践，Williams 82背景的KO株系已具备商业化潜力

这项研究为豆科作物"绿色革命"提供了全新策略，通过单基因编辑实现"减氮增产"的可持续农业目标，相关技术已申请专利保护。