The Acid Phosphatase-Encoding Gene GmACP1 Contributes to Soybean Tolerance to Low-Phosphorus Stress
Resumo
O fósforo (P) é essencial para todas as células e organismos vivos, e o estresse por baixo P é um fator importante que limita o crescimento e o rendimento das plantas em todo o mundo. Nas plantas, a eficiência do P é uma característica quantitativa complexa que envolve vários genes, e os mecanismos subjacentes à eficiência do P são amplamente desconhecidos. Combinando análise de ligação, análises de associação de genes candidatos e de todo o genoma e transformação de plantas, identificamos um gene de soja relacionado à eficiência de P, determinamos seus haplótipos favoráveis e desenvolvemos marcadores funcionais valiosos. Primeiro, seis regiões genômicas principais associadas à eficiência de P foram detectadas por meio da realização de associações de todo o genoma (GWAs) em vários ambientes. Uma região altamente significativa localizada no cromossomo 8, qPE8, foi identificada por GWAs e mapeamento de ligação e explicou 41% da variação fenotípica. Em seguida, foi realizado um estudo de mapeamento regional com 40 marcadores circundantes em 192 acessos de soja diferentes. Foi identificado um haplótipo fortemente associado (P = 10-7) composto pelos marcadores Sat_233 e BARC-039899-07603, e o qPE8 foi localizado em uma região de aproximadamente 250 kb, que continha um gene candidato GmACP1 que codificava uma fosfatase ácida. A superexpressão de GmACP1 em raízes pilosas de soja aumentou a eficiência de P em 11% a 20% em relação ao controle. Uma análise de associação de genes candidatos indicou que seis polimorfismos naturais do GmACP1 explicaram 33% da variação fenotípica. Os alelos e haplótipos favoráveis do GmACP1 associados ao aumento da expressão do transcrito foram correlacionados à maior atividade enzimática. A descoberta do haplótipo ideal de GmACP1 permitirá agora a seleção precisa de sementes de soja com maior eficiência de P e melhorará nossa compreensão dos mecanismos moleculares subjacentes à eficiência de P nas plantas.
Abstract
Phosphorus (P) is essential for all living cells and organisms, and low-P stress is a major factor constraining plant growth and yield worldwide. In plants, P efficiency is a complex quantitative trait involving multiple genes, and the mechanisms underlying P efficiency are largely unknown. Combining linkage analysis, genome-wide and candidate-gene association analyses, and plant transformation, we identified a soybean gene related to P efficiency, determined its favorable haplotypes and developed valuable functional markers. First, six major genomic regions associated with P efficiency were detected by performing genome-wide associations (GWAs) in various environments. A highly significant region located on chromosome 8, qPE8, was identified by both GWAs and linkage mapping and explained 41% of the phenotypic variation. Then, a regional mapping study was performed with 40 surrounding markers in 192 diverse soybean accessions. A strongly associated haplotype (P = 10−7) consisting of the markers Sat_233 and BARC-039899-07603 was identified, and qPE8 was located in a region of approximately 250 kb, which contained a candidate gene GmACP1 that encoded an acid phosphatase. GmACP1 overexpression in soybean hairy roots increased P efficiency by 11–20% relative to the control. A candidate-gene association analysis indicated that six natural GmACP1 polymorphisms explained 33% of the phenotypic variation. The favorable alleles and haplotypes of GmACP1 associated with increased transcript expression correlated with higher enzyme activity. The discovery of the optimal haplotype of GmACP1 will now enable the accurate selection of soybeans with higher P efficiencies and improve our understanding of the molecular mechanisms underlying P efficiency in plants.
D. Zhang
H. Song
H. Cheng
D. Hao
H. Wang
G. Kan
H. Jin
D. Yu
2014 - PLOS Genetics
