Соевые бобы – важнейший мировой источник растительного белка и масла, используемых в пищевой, кормовой и промышленной сферах. Повышение урожайности сои критически важно для обеспечения продовольственной безопасности и содействия устойчивому развитию сельского хозяйства. 

Исследовательская группа под руководством профессора Чжан Цзиньсуна из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук обнаружила важнейший генетический модуль, который контролирует характеристики семян сои, что открывает новые возможности для улучшения сельскохозяйственных культур. Их исследование, опубликованное в журнале Journal of Integrative Plant Biology, показывает, как модуль miR172a и его целевые гены ERF416/413 влияют на размер семян, вес, содержание масла и белка.

МикроРНК (миРНК) — это малые некодирующие РНК, играющие решающую роль в развитии растений. Зрелые микроРНК ингибируют или деградируют целевые гены посредством комплементарного спаривания, действуя на транскрипционном или посттранскрипционном уровне. Модуль MiR172 участвует в разнообразных биологических процессах. Например, у риса miR172 нацеливается на гены, подобные AP2, включая SNB, OsIDS1 и OsTOE1, регулируя репродуктивное ветвление, у кукурузы подавляет shiny15, способствуя переходу от ювенильной к взрослой фазе. Соевый модуль miR172c активирует экспрессию ENOD40, влияя на образование корневых клубеньков путем ингибирования его целевого гена NNC1. Однако регуляторная роль miR172 в контроле таких показателей урожайности сои, как размер и масса семян, а также других, ранее была неясной.

Теперь установлено, что miR172a напрямую влияет на морфологию и состав семян. Сверхэкспрессия miR172a значительно уменьшает размер и вес семян. Она также изменяет профиль жирных кислот, снижая содержание пальмитиновой, стеариновой, олеиновой и линолевой кислот, одновременно увеличивая содержание линоленовой кислоты, что сопровождается одновременным повышением содержания белка.

Молекулярные эксперименты подтвердили, что miR172a запускает расщепление мРНК двух целевых генов, ERF416 и ERF413. Эксперименты по редактированию генов дополнительно прояснили их роль. Мутанты ERF416/413 давали более мелкие семена с уменьшенной массой 100 семян.

Удивительно, но урожайность с растения у них выросла на 31,8% и содержание масла (особенно олеиновой кислоты), хотя уровень белка снизился. Напротив, сверхэкспрессия ERF416 привела к получению более крупных и тяжёлых семян (с увеличением массы 100 семян до 13%), но не повлияла на общую урожайность и снизила содержание масла.

Семена и другие агрономические характеристики трансгенных растений сои MIR172a. Источник: Journal of Integrative Plant Biology (2025). DOI: 10.1111/jipb.70015

Исследователи также картировали нисходящие регуляторные пути ERF416/413, которые напрямую связываются с промоторами других генов, таких как GmKIX8-1 (участвует в контроле размера семян) и GmSWEET10a (отвечает за транспорт сахара), тем самым влияя на развитие семян.

Анализ 289 образцов сои выявил три основных гаплотипа ERF416. Hap1 был связан с более крупными семенами, но более низким содержанием масла, тогда как Hap3 коррелировал с более высоким содержанием масла, что делает Hap3 перспективным аллелем для селекции сортов сои с высоким содержанием масла.

«Следует отметить, что в Китае от северо-восточного региона выращивания до Хуан-Хуай-Хай и южных регионов, соотношение Hap3 в сортах сои быстро уменьшается. Это изменение частоты распределения Hap3 в значительной степени согласуется с идеей о том, что сорта из северо-восточного региона обычно имеют более высокое содержание масла. Напротив, сорта из региона Хуан-Хуай-Хай и южных регионов, как правило, имеют более низкое содержание масла. Элитный Hap3 может быть введен в сорта, особенно в сорта из региона Хуан-Хуай-Хай и южного региона, и использоваться в селекции сортов сои с высоким содержанием масла. Следует отметить, что мутанты erf416 имеют более высокое общее содержание ЖК и более высокую урожайность с растения. Этот ген можно было бы дополнительно отредактировать с целью его отключения во многих других современных сортах, чтобы проверить, можно ли повысить содержание масла и урожайность для практического использования в производстве сои», - рассказал Чжан.

«Ранее, используя трансгенную систему волосатых корней, мы выявили, что соевая miR172a способствовала устойчивости к соли, главным образом, за счет расщепления и деградации гена фактора транскрипции типа AP2/EREBP SSAC1, чтобы ослабить его ингибирование белка гена биосинтеза тиамина THI1, который кодирует положительный регулятор устойчивости к соли. В этом исследовании мы дополнительно создали стабильные трансгенные растения сои, сверхэкспрессирующие miR172a, чтобы исследовать его потенциальное влияние на агрономические признаки. Мы обнаружили, что miR172a уменьшала размер/вес семян в трансгенных линиях, скорее всего, за счет расщепления ERF416/413. Однако miR172a и ERF416/413 могут действовать по-разному, регулируя содержание масла и белка в семенах сои. Наше исследование выявило важную роль модуля miR172a-ERF416/413 и элитных гаплотипов ERF416 в контроле признаков семян, обеспечивая ценные генетические ресурсы и мишени для молекулярно-ориентированной селекции сои. В этой работе модуль miR172a–ERF416/413 идентифицирован как центральный регулятор развития семян сои. Наше исследование выявило последовательную роль модуля в контроле размера/веса семян и разъединенную роль каждого компонента в контроле ЖК и урожайности, проливая новый свет на механизмы регуляции признаков семян. Манипуляции с модулем могут улучшить селекцию сои для получения высокомасличных и высокоурожайных сортов», - сказал профессор Чжан. 

Это исследование предоставляет ценные генетические ресурсы и молекулярные мишени для селекции сои с оптимизированной урожайностью и качеством, сбалансированным размером семян, содержанием белка и масла.