Локус сои qDTF-7 как пример генетической гетерогенности, ассоциированной с продолжительностью цветения и созревания

В настоящее время полногеномный анализ ассоциаций (GWAS) стал стандартным подходом для идентификации локусов количественных признаков, ассоциированных с различными фенотипическими признаками. При последующем изучении локуса, т.е. поиске гена и мутации, которые влияют на признак, можно столкнуться с разными проблемами. Одна из проблем – генетическая (или локусная) гетерогенность, ситуация, когда аллели из разных близко расположенных генов в одном локусе влияют на один признак. Ранее с помощью GWAS на хромосоме 3 сои мы обнаружили локус qDTF-7, ассоциированный с продолжительностью цветения в условиях Новосибирска. Первоначально для данного локуса в качестве наиболее вероятного гена-кандидата мы определили GmTOE1, ортолог TOE1 (TARGET OF EAT 1), известного регулятора цветения у арабидопсиса. У GmTOE1 были обнаружены четыре основных гаплотипа, которые ассоциированы с цветением и созреванием сои и, вероятно, связаны с адаптацией сои к северным широтам. Однако этот ген демонстрировал очень слабую ассоциацию с цветением сои в Новосибирской области по сравнению с Орловской, что указывало на наличие в составе локуса другого гена, который может влиять на цветение сои. Повторно проанализировав гены в составе локуса qDTF-7, мы примерно на 21 т.п.н. выше гена GmTOE1 обнаружили GmRVE8c, ортолог гена RVE8 (REVEILLE 8), который вовлечен в процессы развития у арабидопсиса в качестве компонента циркадных ритмов. Изучив естественное нуклеотидное разнообразие GmRVE8c, мы выявили четыре основных гаплотипа, которые возникли из-за трех однонуклеотидных замен и одной делеции длиной 19 п.н., приводящей к сдвигу рамки считывания. Для определения трех гаплотипов GmRVE8c^{hap1, 3, 4}, преобладающих в современных сортах сои, мы разработали ДНК-маркеры. С помощью этих маркеров мы генотипировали 129 сортообразцов сои, для которых ранее изучили продолжительность развития в условиях Новосибирской и Орловской областей. В результате с помощью наших сведений и данных из SoyOmics мы обнаружили ассоциацию гаплотипов GmRVE8chap3 и GmRVE8c^hap4 с поздним цветением и созреванием сои. Раннеспелый гаплотип GmRVE8c^hap1 преобладает в сортообразцах из северных регионов и, вероятно, связан с адаптацией сои к северным широтам. Гаплотип GmRVE8c^hap4 полностью сцеплен с раннеспелым аллелем GmTOE1^С, а гаплотип GmRVE8c^hap3 сильно сцеплен с позднеспелым аллелем GmTOE1^T. Кроме того, результат ANOVA показывает наличие взаимодействия GmRVE8c с главным регулятором цветения сои – геном E1. Данное взаимодействие выражается более сильным эффектом гаплотипов GmRVE8c^{hap3, 4} на цветение и созревание на генетическом фоне аллеля e1-as в сравнении с E1. Все это формирует достаточно комплексный и интересный локус, который может выступать как возможный пример генетически гетерогенного локуса.

1. Arya H., Singh M.B., Bhalla P.L. Overexpression of PIF4 affects plant morphology and accelerates reproductive phase transitions in soybean. Food Energy Secur. 2021;10(3):e291. doi 10.1002/fes3.291

2. Atwell S., Huang Y.S., Vilhjálmsson B.J., Willems G., Horton M., Li Y., Meng D., … Weigel D., Marjoram P., Borevitz J.O., Bergelson J., Nordborg M. Genome-wide association study of 107 phenotypes in Arabidopsis thaliana inbred lines. Nature. 2010;465(7298):627-631. doi 10.1038/nature08800

3. Bao G., Sun G., Wang J., Shi T., Xu X., Zhai L., Bian S., Li X. Soybean RVE8a confers salt and drought tolerance in Arabidopsis. Biochem Biophys Res Communs. 2024;704:149660. doi 10.1016/j.bbrc. 2024.149660

4. Bates D., Mächler M., Bolker B., Walker S. Fitting linear mixed-effects models using lme4. J Stat Software. 2015;67(1):1-48. doi 10.18637/jss.v067.i01

5. Bian S., Jin D., Li R., Xie X., Gao G., Sun W., Li Y., Zhai L., Li X. Genome-wide analysis of CCA1-like proteins in soybean and functional characterization of GmMYB138a. Int J Mol Sci. 2017;18(10): 2040. doi 10.3390/ijms18102040

6. Bian S., Li R., Xia S., Liu Y., Jin D., Xie X., Dhaubhadel S., Zhai L., Wang J., Li X. Soybean CCA1-like MYB transcription factor GmMYB133 modulates isoflavonoid biosynthesis. Biochem Biophys Res Commun. 2018;507(1-4):324-329. doi 10.1016/j.bbrc.2018.11.033

7. Chen W., Wang T., Li X., Feng J., Liu Q., Xu Z., You Q., Yang L., Liu L., Chen S., Yue Z., Wang H., Yu D. Arabidopsis RGLG1/2 regulate flowering time under different soil moisture conditions by affecting the protein stability of TOE1/2. New Phytol. 2025;246(4): 1609-1626. doi 10.1111/nph.70073

8. Clauw P., Ellis T.J., Liu H.-J., Sasaki E. Beyond the standard GWAS – a guide for plant biologists. Plant Cell Physiol. 2025;66(4):431-443. doi 10.1093/pcp/pcae079

9. De Leone M.J., Hernando C.E., Romanowski A., García-Hourquet M., Careno D., Casal J., Rugnone M., Mora-García S., Yanovsky M.J. The LNK gene family: at the crossroad between light signaling and the circadian clock. Genes. 2019;10(1):2. doi 10.3390/genes10010002

10. Dong L., Fang C., Cheng Q., Su T., Kou K., Kong L., Zhang C., … Yuan X., Weller J.L., Lu S., Kong F., Liu B. Genetic basis and adaptation trajectory of soybean from its temperate origin to tropics. Nat Commun. 2021;12:5445. doi 10.1038/s41467-021-25800-3

11. Dong L., Cheng Q., Fang C., Kong L., Yang H., Hou Z., Li Y., … Tang Y., Zhao X., Lu S., Liu B., Kong F. Parallel selection of distinct Tof5 alleles drove the adaptation of cultivated and wild soybean to high latitudes. Mol Plant. 2022;15(2):308-321. doi 10.1016/j.molp.2021.10.004

12. Gray J.A., Shalit-Kaneh A., Chu D.N., Hsu P.Y., Harmer S.L. The REVEILLE clock genes inhibit growth of juvenile and adult plants by control of cell size. Plant Physiol. 2017;173(4):2308-2322. doi 10.1104/pp.17.00109

13. Guan R., Yu L., Liu X., Li M., Chang R., Gilliham M., Qiu L. Selection of the salt tolerance gene GmSALT3 during six decades of soybean breeding in China. Front Plant Sci. 2021;12:794241. doi 10.3389/fpls.2021.794241

14. Guo S., Li Y., Qiu H., Hu G., Zhao C., Wang R., Zhang H., Tian Y., Li X., Liu B., Li Ying-hui, Qiu L. GmAP1d regulates flowering time under long-day photoperiods in soybean. Crop J. 2024;12(3):845- 855. doi 10.1016/j.cj.2024.03.004

15. Hoang X., Nguyen N., Nguyen Y.-N., Watanabe Y., Tran L.-S. The soybean GmNAC019 transcription factor mediates drought tolerance in Arabidopsis in an abscisic acid-dependent manner. Int J Mol Sci. 2019;21(1):286. doi 10.3390/ijms21010286

16. Kassambara A. ggcorrplot: Visualization of a Correlation Matrix Using “ggplot2”. 2023. R package version 0.1.4.999. Available: https://github.com/kassambara/ggcorrplot

17. Li C., Chen Y., Hu Q., Yang X., Zhao Y., Lin Y., Yuan J., Gu J., Li Y., He J., Wang D., Liu B., Wang Z.-Y. PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 3b and transcription factor ABF3 modulate abscisic acid-dependent drought stress response in soybean. Plant Physiol. 2024;195(4):3053-3071. doi 10.1093/plphys/kiae269

18. Li H., Du H., He M., Wang J., Wang F., Yuan W., Huang Z., … Liu B., Kong F., Fang C., Zhao X., Yu D. Natural variation of FKF1 controls flowering and adaptation during soybean domestication and improvement. New Phytol. 2023a;238(4):1671-1684. doi 10.1111/nph.18826

19. Li H., Du H., Huang Z., He M., Kong L., Fang C., Chen L., Yang H., Zhang Y., Liu B., Kong F., Zhao X. The AP2/ERF transcription factor TOE4b regulates photoperiodic flowering and grain yield per plant in soybean. Plant Biotechnol J. 2023b;21(8):1682-1694. doi 10.1111/pbi.14069

20. Li S., Wang W., Sun L., Zhu H., Hou R., Zhang H., Tang X., Clark C.B., Swarm S.A., Nelson R.L., Ma J. Artificial selection of mutations in two nearby genes gave rise to shattering resistance in soybean. Nat Commun. 2024;15:7588. doi 10.1038/s41467-024-52044-8

21. Li Y.F., Zhang L., Wang J., Wang X., Guo S., Xu Z.J., Li D., Liu Z., Li Y.H., Liu B., Qiu L.J. Flowering time regulator qFT13‐3 involved in soybean adaptation to high latitudes. Plant Biotechnol J. 2024; 22(5):1164-1176. doi 10.1111/pbi.14254

22. Li Z., Cheng Q., Gan Z., Hou Z., Zhang Y., Li Y., Li H., … Kou K., Wang L., Kong F., Liu B., Dong L. Multiplex CRISPR/Cas9-mediated knockout of soybean LNK2 advances flowering time. Crop J. 2021;9(4):767-776. doi 10.1016/j.cj.2020.09.005

23. Liu H.-J., Swarts K., Xu S., Yan J., Nordborg M. On the contribution of genetic heterogeneity to complex traits. bioRxiv. 2024. doi 10.1101/2024.03.27.586967

24. Liu Y., Zhang Y., Liu X., Shen Y., Tian D., Yang X., Liu S., Ni L., Zhang Z., Song S., Tian Z. SoyOmics: a deeply integrated database on soybean multi-omics. Mol Plant. 2023;16(5):794-797. doi 10.1016/j.molp.2023.03.011

25. Lu H., McClung C.R., Zhang C. Tick Tock: circadian regulation of plant innate immunity. Annu Rev Phytopathol. 2017;55:287-311. doi 10.1146/annurev-phyto-080516-035451

26. Lu S., Zhao X., Hu Y., Liu S., Nan H., Li X., Fang C., … Weller J.L., Liu B., Hou X., Tian Z., Kong F. Natural variation at the soybean J locus improves adaptation to the tropics and enhances yield. Nat Genet. 2017;49(5):773-779. doi 10.1038/ng.3819

27. Niraula P.M., McNeece B.T., Sharma K., Alkharouf N.W., Lawrence K.S., Klink V.P. The central circadian regulator CCA1 functions in Glycine max during defense to a root pathogen, regulating the expression of genes acting in effector triggered immunity (ETI) and cell wall metabolism. Plant Physiol Biochem. 2022;185:198- 220. doi 10.1016/j.plaphy.2022.05.028

28. Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M., UGENE team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012; 28(8):1166-1167. doi 10.1093/bioinformatics/bts091

29. Perfil’ev R., Shcherban A., Potapov D., Maksimenko K., Kiryukhin S., Gurinovich S., Panarina V., Polyudina R., Salina E. Impact of allelic variation in maturity genes E1–E4 on soybean adaptation to Central and West Siberian regions of Russia. Agriculture. 2023;13(6):1251. doi 10.3390/agriculture13061251

30. Perfil’ev R., Shcherban A., Potapov D., Maksimenko K., Kiryukhin S., Gurinovich S., Panarina V., Polyudina R., Salina E. Genome-wide association study revealed some new candidate genes associated with flowering and maturity time of soybean in Central and West Siberian regions of Russia. Front Plant Sci. 2024;15:1463121. doi 10.3389/fpls.2024.1463121

31. Piovesan D., Del Conte A., Mehdiabadi M., Aspromonte M.C., Blum M., Tesei G., von Bülow S., Lindorff-Larsen K., Tosatto S.C.E. MOBIDB in 2025: integrating ensemble properties and function annotations for intrinsically disordered proteins. Nucleic Acids Res. 2025;53(D1):D495-D503. doi 10.1093/nar/gkae969

32. Rawat R., Schwartz J., Jones M.A., Sairanen I., Cheng Y., Andersson C.R., Zhao Y., Ljung K., Harmer S.L. REVEILLE1, a Myb-like transcription factor, integrates the circadian clock and auxin pathways. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106(39):16883-16888. doi 10.1073/pnas.0813035106

33. Rawat R., Takahashi N., Hsu P.Y., Jones M.A., Schwartz J., Salemi M.R., Phinney B.S., Harmer S.L. REVEILLE8 and PSEUDOREPONSE REGULATOR5 form a negative feedback loop within the Arabidopsis circadian clock. PLoS Genet. 2011;7(3):e1001350. doi 10.1371/journal.pgen.1001350

34. Rogers S.O., Bendich A.J. Extraction of DNA from milligram amounts of fresh, herbarium and mummified plant tissues. Plant Mol Biol. 1985;5(2):69-76. doi 10.1007/BF00020088

35. Sasaki E., Köcher T., Filiault D.L., Nordborg M. Revisiting a GWAS peak in Arabidopsis thaliana reveals possible confounding by genetic heterogeneity. Heredity. 2021;127(3):245-252. doi 10.1038/s41437-021-00456-3

36. Scandola S., Mehta D., Li Q., Rodriguez Gallo M.C., Castillo B., Uhrig R.G. Multi-omic analysis shows REVEILLE clock genes are involved in carbohydrate metabolism and proteasome function. Plant Physiol. 2022;190(2):1005-1023. doi 10.1093/plphys/kiac269

37. Shan B., Wang W., Cao J., Xia S., Li R., Bian S., Li X. Soybean GmMYB133 inhibits hypocotyl elongation and confers salt tolerance in Arabidopsis. Front Plant Sci. 2021;12:764074. doi 10.3389/fpls.2021.764074

38. Shi X., Yan L., Yang C., Yan W., Moseley D.O., Wang T., Liu B., Di R., Chen P., Zhang M. Identification of a major quantitative trait locus underlying salt tolerance in ‘Jidou 12’ soybean cultivar. BMC Res Notes. 2018;11:95. doi 10.1186/s13104-018-3202-3

39. Wang K., Bu T., Cheng Q., Dong L., Su T., Chen Z., Kong F., Gong Z., Liu B., Li M. Two homologous LHY pairs negatively control soybean drought tolerance by repressing the abscisic acid responses. New Phytol. 2021;229(5):2660-2675. doi 10.1111/nph.17019

40. Wang T., Sun M.-Y., Wang X.-S., Li W.-B., Li Y.-G. Over-expression of GmGIa-regulated soybean miR172a confers early flowering in transgenic Arabidopsis thaliana. Int J Mol Sci. 2016;17(5):645. doi 10.3390/ijms17050645

41. Wickham H. ggplot2: Elegant Graphics for Data Analysis. Springer, 2016. doi 10.1007/978-3-319-24277-4

42. Xie Q., Wang P., Liu X., Yuan L., Wang L., Zhang C., Li Y., Xing H., Zhi L., Yue Z., Zhao C., McClung C.R., Xu X. LNK1 and LNK2 are transcriptional coactivators in the Arabidopsis circadian oscillator. Plant Cell. 2014;26(7):2843-2857. doi 10.1105/tpc.114.126573

43. Zhang M., Liu S., Wang Z., Yuan Y., Zhang Z., Liang Q., Yang X., Duan Z., Liu Y., Kong F., Liu B., Ren B., Tian Z. Progress in soybean functional genomics over the past decade. Plant Biotechnol J. 2022;20(2):256-282. doi 10.1111/pbi.13682