大豆抗病、耐逆性的研究進展

1、 大豆抗病、耐逆性的研究進展 王武全余鱗曾德志向仕華李霖超楊華偉摘 要 花葉病毒病、胞囊線蟲病和疫霉根腐病，是我國較為流行的3種大豆病害，會影響大豆植株的正常生長，導致大豆減產(chǎn)，甚至絕收。如何提高大豆的抗病性，一直是大豆育種工作者們研究的熱點。同樣，非生物脅迫也是影響大豆種植面積和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，近些年大豆的耐逆育種引起了育種家們的關(guān)注?；诖耍诳偨Y(jié)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，羅列了近兩年國內(nèi)外學者對大豆抗病性和耐逆性的最新研究進展，以期為后續(xù)的研究者提供借鑒。Key 大豆；抗病性；耐逆性：S565.1 文獻標志碼：B DOI：10.19415/ki.1673-890 x.2018.15.004大

2、豆作為我國的主要農(nóng)作物，產(chǎn)量高、用途廣且經(jīng)濟價值高，因而深受百姓喜愛，但大豆也是一種極易患病的作物，從而會嚴重影響產(chǎn)量和質(zhì)量?；ㄈ~病毒病、孢囊線蟲病和疫霉根腐病，是我國乃至全球范圍內(nèi)普遍流行的3種大豆病害。不僅如此，隨著氣候及環(huán)境每況愈下，以及人們的種植方式一成不變，非生物脅迫對大豆產(chǎn)量及品質(zhì)的威脅也在日益加重。在這種情況下，大豆研究者們長期以來進行了大量的抗病性及耐逆性研究，成果顯著。近期，又在這兩個方面獲得了許多突破性的進展，基于此，將從這兩個方面進行闡述。1 抗病性1.1 花葉病毒病大豆花葉病毒（soybean mosaic virus，SMV）是世界范圍內(nèi)大豆產(chǎn)區(qū)的主要病害之一。國內(nèi)外

3、專家對大豆花葉病毒病進行了大量的研究，主要包括以下幾個方面：抗性種質(zhì)鑒定和闡明其抗性基因遺傳規(guī)律、花葉病毒株系界定及地域分類、抗性基因定位及克隆、抗性基因的功能分析等。在這些研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外陸續(xù)選育出了具有花葉病毒病專一抗性和廣譜抗性的大豆新品種，成果顯著。近期，花葉病毒病的研究又有了新進展。劉寶和董英山團隊的研究人員通過比較抗大豆花葉病毒的品種和敏感栽培品種的基因表達情況，發(fā)現(xiàn)GAST（Gibberellic Acid Stimulated Transcript）家族基因在SMV接種的敏感品種中下調(diào)表達（而在抗性品種中沒變化）。序列比較和同源比對發(fā)現(xiàn)，GAST家族中的GmSN1基因與馬鈴

4、薯中的細菌病抗性基因Snakin-1高度同源。利用35S啟動子在擬南芥和大豆中超量表達后，轉(zhuǎn)基因植物對花葉病毒有明顯抗性。轉(zhuǎn)錄分析表明，GmSN1基因可以影響信號轉(zhuǎn)導和免疫應(yīng)答相關(guān)基因的表達，并促進已知的大豆抗病基因鉀離子通道蛋白GmAKT21。該研究提供了提高大豆花葉病毒抗性的新途徑。利用宿主介導SMV編碼基因RNAi沉默是提高大豆抗SMV的廣譜性和持久性的有效手段。董英山和李啟云團隊的研究人員以SC3菌株中的RNA復制酶NI b（nuclear inclusion b）基因作為靶標，將兩個248 bp的反向重復序列設(shè)計成內(nèi)含子發(fā)夾結(jié)構(gòu)，并在菜豆（Phaseolus vulgaris）葉片特

5、異表達啟動子rbcS2的驅(qū)動下轉(zhuǎn)化到大豆中，培育出了高抗SMV的大豆株系。經(jīng)鑒定，轉(zhuǎn)基因大豆致病指數(shù)極低，且對SC3、SC7、SC15、SC18和重組5種大豆花葉病毒菌株，及菜豆、西瓜花葉病毒免疫2。該研究對培育大豆花葉病廣譜抗性品種上具有重要的應(yīng)用價值。1.2 胞囊線蟲病大豆孢囊線蟲病（Soybean cyst nematode，SCN）是一種嚴重影響大豆產(chǎn)量的病害。線蟲的化學感知能力是其取食、交配、產(chǎn)卵和趨利避害等行為產(chǎn)生的重要基礎(chǔ)。研究報道，植物防御激素（水楊酸、茉莉酸和乙烯等）可能參與了調(diào)控寄主對線蟲的反應(yīng)，但是，這些防御激素在植物與線蟲互作早期的功能研究還很缺乏。最近，中科院的研究表

6、明，乙烯途徑在胞囊線蟲病的早期識別寄主過程中就已經(jīng)發(fā)揮作用。他們用乙烯合成抑制劑AVG處理大豆幼苗后，與對照相比，處理后的幼苗根尖吸引了更多的J2幼蟲，這表明乙烯合成途徑或其中的某些信號參與了調(diào)控SCN識別根信號過程。隨后，他們利用擬南芥乙烯突變體對SCN識別植物化學信號的分子基礎(chǔ)做了深入研究，研究發(fā)現(xiàn)，乙烯鈍感突變體ein2、ein3、ein5和ein6吸引了較多的J2幼蟲；相反，組成型突變體eto1-2、eto3及負調(diào)控因子ctr1吸引的幼蟲較少。另外，抑制劑Ag能逆轉(zhuǎn)SCN對eto1、eto3的響應(yīng)。以上結(jié)果足以說明，乙烯途徑在SCN識別植物化學信號過程中起負調(diào)控作用，這與前人的報道類似

7、，但與甜菜孢囊線蟲的調(diào)控機制相反3。這項研究有助于理解線蟲識別寄主的行為特征，為挖掘新的防治技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。目前，人們試圖利用生物防治、生物技術(shù)等手段對其進行防治?？八_斯州立大學領(lǐng)銜的研究人員利用深度測序的方法鑒定了大豆全基因組microRNA對大豆孢囊線蟲侵染的反應(yīng)。研究者將兩個大豆品系（敏感品系KS4607和抗性品系KS4313N）在孢囊線蟲侵染性和非侵染性土壤中種植，通過小RNA深度測序和差異表達分析，他們發(fā)現(xiàn)了來自25個家族的60個miRNAs對孢囊線蟲的侵染做出了應(yīng)答反應(yīng)4。這將為利用RNAi干涉手段抑制線蟲侵染提供新的指引。沈陽農(nóng)業(yè)大學線蟲研究室段玉璽和陳立杰領(lǐng)銜的團隊利用生物種

8、衣劑防治大豆孢囊線蟲，效果良好。研究人員將簡單芽孢桿菌Sneb545、巨大芽孢桿菌Sneb482和費氏中華根瘤菌Sneb183菌株以311的比例復配成種衣劑SN101，用于大豆種植。大豆溫室和田間試驗結(jié)果表明生物種衣劑SN101對大豆出苗無影響，對大豆胞囊線蟲病防效顯著高于商品種衣劑對照（BFA化學制劑）和空白對照，對大豆株高、產(chǎn)量亦有明顯的促生和增產(chǎn)作用5。Rhg（resistance to Heterodera glycines）是人們發(fā)現(xiàn)的對胞囊線蟲有防治效果的一類抗性位點，存在于大豆不同種質(zhì)資源的多個基因組位置上，但是其抗病機理仍然不清楚。研究人員利用定位克隆和RSE-Seq測序捕獲技

9、術(shù)得到Rhg1位點上的抗性主效基因GmSNAP18（Glyma18g02590），并通過互補試驗證實了該基因的抗性效果。進一步分析顯示，GmSNAP18基因在Peking-type和PI88788-type兩種類型的抗性大豆中表現(xiàn)出不同的作用6。GmSNAP18抗性基因的發(fā)現(xiàn)對于培育胞囊線蟲抗性大豆品種以及最終解決大豆胞囊線蟲病的為害具有重要的意義。1.3 疫霉根腐病組蛋白修飾是表觀遺傳修飾的一種方式，它廣泛參與了生物體生長、發(fā)育及免疫等過程。南農(nóng)作物疫病研究團隊研究發(fā)現(xiàn)，疫霉分泌的蛋白-Avh23能夠進入大豆的細胞內(nèi)，通過結(jié)合SAGA（組蛋白乙?；揎棌秃象w）的ADA2亞基來抑制催化亞基GC

10、N5起作用，進而調(diào)控大豆體內(nèi)乙?；揎椀乃剑狗佬l(wèi)相關(guān)基因表達水平降低，從而導致大豆對疫霉菌的抗病性明顯下降。該研究在表觀修飾水平上闡述了病原菌調(diào)控寄主免疫反應(yīng)的新機制，揭示了大豆抗病性狀中易被病原菌攻擊的要害7，為農(nóng)作物抗病性改良提供了重要依據(jù)。2 耐逆性非生物脅迫（如高鹽、低磷和除草劑等）是降低植物生長和產(chǎn)量的主要環(huán)境因素，有時能造成50%以上的減產(chǎn)。因此，探尋能夠緩解或改善非生物脅迫對大豆的影響的方法至關(guān)重要。2.1 耐鹽性隨著土壤鹽漬化的加重，生產(chǎn)上對耐鹽大豆品種的需求顯得十分迫切。近些年，為了培育耐鹽大豆新品種，研究人員利用傳統(tǒng)育種、現(xiàn)代生物技術(shù)等方法，獲得了一些與耐鹽基因相關(guān)分子

11、標記，定位了耐鹽性相關(guān)的數(shù)量性狀位點，為選育耐鹽品種提供了有效的方法。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良作物耐鹽性逐漸成了新的研究熱點。如今，已經(jīng)克隆出了許多耐鹽性相關(guān)基因，目前用于該領(lǐng)域的包括以下幾類：逆境誘導的植物蛋白酶基因、細胞滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)基因、超氧化物歧化酶和轉(zhuǎn)錄因子基因等8-10。但是，迄今為止還未培育出大豆耐鹽品種，因此要對大豆耐鹽性進行改良，還須依賴于對大豆耐鹽性分子機理進行深入理解。近日，中科院陳受宜和張勁松教授研究組鑒定了一系列大豆非編碼單鏈RNA分子（miRNA）。其中，miR172a的表達受鹽脅迫誘導。他們的實驗發(fā)現(xiàn)，miR172a切割降解靶基因SSAC1，解除其調(diào)

12、控的蛋白對硫胺素前體合成酶基因THI1啟動子的抑制作用，從而促進THI1基因表達，增加硫胺素合成，提高大豆耐鹽性。隨后，他們通過嫁接實驗還發(fā)現(xiàn)，miR172a可作為長距離信號分子從轉(zhuǎn)基因大豆的毛狀根轉(zhuǎn)運到地上部，并調(diào)控靶基因以及下游基因的表達11。華中農(nóng)業(yè)大學李霞教授和中科院遺傳所的童依平研究員在前人的研究基礎(chǔ)（miR172c-NNC1組件在大豆根瘤菌共生系統(tǒng)中扮演著重要角色，而且miR172c基因啟動子含有脅迫相關(guān)的順式作用元件）上，推測miR172c基因在根響應(yīng)非生物脅迫中亦發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫顯著誘導大豆miR172c基因的表達。過表達和敲除miR172c基因能夠顯著增強和降低根對

13、鹽脅迫的敏感性。miR172c的下游靶標基因NNC1進一步在鹽脅迫條件下調(diào)表達，而過表達和敲除NNC1基因能夠降低和增強根對鹽脅迫的耐受性。該研究首次明確了miR172c-NNC1組件在大豆鹽脅迫響應(yīng)機制中的作用12。陳受宜和張勁松教授研究組還從大豆中鑒定出了一個特殊的鋅指蛋白GmPHD6，屬于鋅指蛋白中的Alfin亞類。通常，Alfin亞類普遍具有轉(zhuǎn)錄抑制能力，而GmPHD6例外。研究結(jié)果顯示，H3K4me0/1/2可能與植物逆境調(diào)控相關(guān)聯(lián)，H3K4me0/1/2、GmPHD6和LHP1形成轉(zhuǎn)錄調(diào)控復合體。復合體通過GmPHD6靶定下游基因，并通過LHP1激活下游基因表達，從而提高植物的耐逆

14、性。這項研究是對鋅指蛋白調(diào)控機制的重要補充，為改善作物的耐逆性提供了重要的理論依據(jù)13。2.2 耐低磷磷素參與了大豆體內(nèi)的酶促反應(yīng)、新陳代謝、根瘤固氮等一系列生理生化過程。缺磷是我國乃至世界范圍內(nèi)耕地都存在的問題。因而，磷脅迫成為限制大豆高產(chǎn)的因素之一。研究表明，大豆對低磷條件的耐性由數(shù)量性狀基因控制，是環(huán)境和遺傳因素兩者共同作用的結(jié)果。挖掘大豆耐低磷相關(guān)基因，通過分子標記輔助選擇等手段選育耐低磷的大豆品種，對提高產(chǎn)量及高效利用土壤中難溶態(tài)磷具有重要意義。近些年，國內(nèi)外開展了大量磷效率相關(guān)性狀的QTL定位和基因圖位克隆研究。Li 等14將科豐1號與南農(nóng)1138-2做親本，利用雜交后衍生的116

15、個重組自交系檢測到位于F連鎖群上的7個耐低磷相關(guān)QTL。Zhang 等15利用南農(nóng)94-156和波高衍生的152個重組自交系為材料，在低磷和正常條件下調(diào)查了大豆苗期的5個磷效率相關(guān)性狀，定位到耐低磷性狀相關(guān)的34個QTL。后續(xù)研究中，他們又在花莢期利用花莢脫落率、莢葉磷含量和酸性磷酸酶活性3個指標評價大豆耐低磷性，用條件定位法檢測到了耐低磷QTL的凈效應(yīng)，貢獻率達19.3%，還通過多年多點試驗定位到一個磷效率主效QTL qPE8，在后期圖位克隆了控制該位點的基因GmACP1，進一步的實驗證明GmACP1在低磷條件下的表達量顯著升高，導致酸性磷酸酶活性升高，從而提高大豆的耐低磷能力16-17。K

16、ing 等18利用Anoka和A7衍生的92個F2：4家系定位到大豆籽粒磷含量相關(guān)的3個QTL，其中兩個位點包含磷酸鹽轉(zhuǎn)運相關(guān)基因，另一個位點包含ZIP轉(zhuǎn)運蛋白。上面的研究成果為選育耐低磷大豆新品種提供了借鑒，但是對已經(jīng)定位到基因的功能分析仍不深入。近期，華南農(nóng)業(yè)大學梁翠月教授課題組研究人員為更好地了解根細胞壁蛋白（CWP）對磷缺乏的調(diào)節(jié)作用，進行了iTRAQ蛋白質(zhì)組學分析，共鑒定出磷缺乏條件下53個差異積累的CWP，并對其中一個上調(diào)的CWP類紫色酸性磷酸酶1（GmPAP1-like）進行了功能研究。結(jié)果顯示，過表達GmPAP1-like的轉(zhuǎn)基因菜豆毛狀根的根相關(guān)酸性磷酸酶活性增強。研究結(jié)果表

17、明，CWP在植物根系響應(yīng)磷缺乏過程中起著重要作用，并且細胞壁上GmPAP1-like蛋白可參與大豆胞外dNTP的利用過程。該研究為大豆耐低磷相關(guān)基因的深入研究提供了思路和方法，意義重大。3 結(jié)語總結(jié)了近期大豆抗病性（抗花葉病毒病、胞囊線蟲病、疫霉根腐病）和耐逆性（耐鹽性和耐低磷）兩個方面的研究進展，為后續(xù)的研究者們了解現(xiàn)狀和開展研究提供了參考。Reference：1 He H，Yang X，Xun H，etal.Over-expression of GmSN1 Enhances Virus Resistance in Arabidopsis and SoybeanJ.Plant Cell Re

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