大豆抗病、耐逆性的研究进展

1、 大豆抗病、耐逆性的研究进展 王武全余鳞曾德志向仕华李霖超杨华伟摘 要 花叶病毒病、胞囊线虫病和疫霉根腐病，是我国较为流行的3种大豆病害，会影响大豆植株的正常生长，导致大豆减产，甚至绝收。如何提高大豆的抗病性，一直是大豆育种工作者们研究的热点。同样，非生物胁迫也是影响大豆种植面积和产量的关键因素，近些年大豆的耐逆育种引起了育种家们的关注。基于此，在总结相关研究成果的基础上，罗列了近两年国内外学者对大豆抗病性和耐逆性的最新研究进展，以期为后续的研究者提供借鉴。Key 大豆；抗病性；耐逆性：S565.1 文献标志码：B DOI：10.19415/ki.1673-890 x.2018.15.004大

2、豆作为我国的主要农作物，产量高、用途广且经济价值高，因而深受百姓喜爱，但大豆也是一种极易患病的作物，从而会严重影响产量和质量。花叶病毒病、孢囊线虫病和疫霉根腐病，是我国乃至全球范围内普遍流行的3种大豆病害。不仅如此，随着气候及环境每况愈下，以及人们的种植方式一成不变，非生物胁迫对大豆产量及品质的威胁也在日益加重。在这种情况下，大豆研究者们长期以来进行了大量的抗病性及耐逆性研究，成果显著。近期，又在这两个方面获得了许多突破性的进展，基于此，将从这两个方面进行阐述。1 抗病性1.1 花叶病毒病大豆花叶病毒（soybean mosaic virus，SMV）是世界范围内大豆产区的主要病害之一。国内外

3、专家对大豆花叶病毒病进行了大量的研究，主要包括以下几个方面：抗性种质鉴定和阐明其抗性基因遗传规律、花叶病毒株系界定及地域分类、抗性基因定位及克隆、抗性基因的功能分析等。在这些研究的基础上，国内外陆续选育出了具有花叶病毒病专一抗性和广谱抗性的大豆新品种，成果显著。近期，花叶病毒病的研究又有了新进展。刘宝和董英山团队的研究人员通过比较抗大豆花叶病毒的品种和敏感栽培品种的基因表达情况，发现GAST（Gibberellic Acid Stimulated Transcript）家族基因在SMV接种的敏感品种中下调表达（而在抗性品种中没变化）。序列比较和同源比对发现，GAST家族中的GmSN1基因与马铃

4、薯中的细菌病抗性基因Snakin-1高度同源。利用35S启动子在拟南芥和大豆中超量表达后，转基因植物对花叶病毒有明显抗性。转录分析表明，GmSN1基因可以影响信号转导和免疫应答相关基因的表达，并促进已知的大豆抗病基因钾离子通道蛋白GmAKT21。该研究提供了提高大豆花叶病毒抗性的新途径。利用宿主介导SMV编码基因RNAi沉默是提高大豆抗SMV的广谱性和持久性的有效手段。董英山和李启云团队的研究人员以SC3菌株中的RNA复制酶NI b（nuclear inclusion b）基因作为靶标，将两个248 bp的反向重复序列设计成内含子发夹结构，并在菜豆（Phaseolus vulgaris）叶片特

5、异表达启动子rbcS2的驱动下转化到大豆中，培育出了高抗SMV的大豆株系。经鉴定，转基因大豆致病指数极低，且对SC3、SC7、SC15、SC18和重组5种大豆花叶病毒菌株，及菜豆、西瓜花叶病毒免疫2。该研究对培育大豆花叶病广谱抗性品种上具有重要的应用价值。1.2 胞囊线虫病大豆孢囊线虫病（Soybean cyst nematode，SCN）是一种严重影响大豆产量的病害。线虫的化学感知能力是其取食、交配、产卵和趋利避害等行为产生的重要基础。研究报道，植物防御激素（水杨酸、茉莉酸和乙烯等）可能参与了调控寄主对线虫的反应，但是，这些防御激素在植物与线虫互作早期的功能研究还很缺乏。最近，中科院的研究表

6、明，乙烯途径在胞囊线虫病的早期识别寄主过程中就已经发挥作用。他们用乙烯合成抑制剂AVG处理大豆幼苗后，与对照相比，处理后的幼苗根尖吸引了更多的J2幼虫，这表明乙烯合成途径或其中的某些信号参与了调控SCN识别根信号过程。随后，他们利用拟南芥乙烯突變体对SCN识别植物化学信号的分子基础做了深入研究，研究发现，乙烯钝感突变体ein2、ein3、ein5和ein6吸引了较多的J2幼虫；相反，组成型突变体eto1-2、eto3及负调控因子ctr1吸引的幼虫较少。另外，抑制剂Ag能逆转SCN对eto1、eto3的响应。以上结果足以说明，乙烯途径在SCN识别植物化学信号过程中起负调控作用，这与前人的报道类似

7、，但与甜菜孢囊线虫的调控机制相反3。这项研究有助于理解线虫识别寄主的行为特征，为挖掘新的防治技术提供理论基础。目前，人们试图利用生物防治、生物技术等手段对其进行防治。堪萨斯州立大学领衔的研究人员利用深度测序的方法鉴定了大豆全基因组microRNA对大豆孢囊线虫侵染的反应。研究者将两个大豆品系（敏感品系KS4607和抗性品系KS4313N）在孢囊线虫侵染性和非侵染性土壤中种植，通过小RNA深度测序和差异表达分析，他们发现了来自25个家族的60个miRNAs对孢囊线虫的侵染做出了应答反应4。这将为利用RNAi干涉手段抑制线虫侵染提供新的指引。沈阳农业大学线虫研究室段玉玺和陈立杰领衔的团队利用生物种

8、衣剂防治大豆孢囊线虫，效果良好。研究人员将简单芽孢杆菌Sneb545、巨大芽孢杆菌Sneb482和费氏中华根瘤菌Sneb183菌株以311的比例复配成种衣剂SN101，用于大豆种植。大豆温室和田间试验结果表明生物种衣剂SN101对大豆出苗无影响，对大豆胞囊线虫病防效显著高于商品种衣剂对照（BFA化学制剂）和空白对照，对大豆株高、产量亦有明显的促生和增产作用5。Rhg（resistance to Heterodera glycines）是人们发现的对胞囊线虫有防治效果的一类抗性位点，存在于大豆不同种质资源的多个基因组位置上，但是其抗病机理仍然不清楚。研究人员利用定位克隆和RSE-Seq测序捕获技

9、术得到Rhg1位点上的抗性主效基因GmSNAP18（Glyma18g02590），并通过互补试验证实了该基因的抗性效果。进一步分析显示，GmSNAP18基因在Peking-type和PI88788-type两种类型的抗性大豆中表现出不同的作用6。GmSNAP18抗性基因的发现对于培育胞囊线虫抗性大豆品种以及最终解决大豆胞囊线虫病的为害具有重要的意义。1.3 疫霉根腐病组蛋白修饰是表观遗传修饰的一种方式，它广泛参与了生物体生长、发育及免疫等过程。南农作物疫病研究团队研究发现，疫霉分泌的蛋白-Avh23能够进入大豆的细胞内，通过结合SAGA（组蛋白乙酰化修饰复合体）的ADA2亚基来抑制催化亚基GC

10、N5起作用，进而调控大豆体内乙酰化修饰的水平，使防卫相关基因表达水平降低，从而导致大豆对疫霉菌的抗病性明显下降。该研究在表观修饰水平上阐述了病原菌调控寄主免疫反应的新机制，揭示了大豆抗病性状中易被病原菌攻击的要害7，为农作物抗病性改良提供了重要依据。2 耐逆性非生物胁迫（如高盐、低磷和除草剂等）是降低植物生长和产量的主要环境因素，有时能造成50%以上的减产。因此，探寻能够缓解或改善非生物胁迫对大豆的影响的方法至关重要。2.1 耐盐性随着土壤盐渍化的加重，生产上对耐盐大豆品种的需求显得十分迫切。近些年，为了培育耐盐大豆新品种，研究人员利用传统育种、现代生物技术等方法，获得了一些与耐盐基因相关分子

11、标记，定位了耐盐性相关的数量性状位点，为选育耐盐品种提供了有效的方法。随着生物技术的发展，利用转基因技术改良作物耐盐性逐渐成了新的研究热点。如今，已经克隆出了许多耐盐性相关基因，目前用于该领域的包括以下几类：逆境诱导的植物蛋白酶基因、细胞渗透压调节物质基因、超氧化物歧化酶和转录因子基因等8-10。但是，迄今为止还未培育出大豆耐盐品种，因此要对大豆耐盐性进行改良，还须依赖于对大豆耐盐性分子机理进行深入理解。近日，中科院陈受宜和张劲松教授研究组鉴定了一系列大豆非编码单链RNA分子（miRNA）。其中，miR172a的表达受盐胁迫诱导。他们的实验发现，miR172a切割降解靶基因SSAC1，解除其调

12、控的蛋白对硫胺素前体合成酶基因THI1启动子的抑制作用，从而促进THI1基因表达，增加硫胺素合成，提高大豆耐盐性。随后，他们通过嫁接实验还发现，miR172a可作为长距离信号分子从转基因大豆的毛状根转运到地上部，并调控靶基因以及下游基因的表达11。华中农业大学李霞教授和中科院遗传所的童依平研究员在前人的研究基础（miR172c-NNC1组件在大豆根瘤菌共生系统中扮演着重要角色，而且miR172c基因启动子含有胁迫相关的顺式作用元件）上，推测miR172c基因在根响应非生物胁迫中亦发挥作用。研究发现，盐胁迫显著诱导大豆miR172c基因的表达。过表达和敲除miR172c基因能够显著增强和降低根对

13、盐胁迫的敏感性。miR172c的下游靶标基因NNC1进一步在盐胁迫条件下调表达，而过表达和敲除NNC1基因能够降低和增强根对盐胁迫的耐受性。该研究首次明确了miR172c-NNC1组件在大豆盐胁迫响应机制中的作用12。陈受宜和张劲松教授研究组还从大豆中鉴定出了一个特殊的锌指蛋白GmPHD6，属于锌指蛋白中的Alfin亚类。通常，Alfin亚类普遍具有转录抑制能力，而GmPHD6例外。研究结果显示，H3K4me0/1/2可能与植物逆境调控相关联，H3K4me0/1/2、GmPHD6和LHP1形成转录调控复合体。复合体通过GmPHD6靶定下游基因，并通过LHP1激活下游基因表达，从而提高植物的耐逆

14、性。这项研究是对锌指蛋白调控机制的重要补充，为改善作物的耐逆性提供了重要的理论依据13。2.2 耐低磷磷素参与了大豆体内的酶促反应、新陈代谢、根瘤固氮等一系列生理生化过程。缺磷是我国乃至世界范围内耕地都存在的问题。因而，磷胁迫成为限制大豆高产的因素之一。研究表明，大豆对低磷条件的耐性由数量性状基因控制，是环境和遗传因素两者共同作用的结果。挖掘大豆耐低磷相关基因，通過分子标记辅助选择等手段选育耐低磷的大豆品种，对提高产量及高效利用土壤中难溶态磷具有重要意义。近些年，国内外开展了大量磷效率相关性状的QTL定位和基因图位克隆研究。Li 等14将科丰1号与南农1138-2做亲本，利用杂交后衍生的116

15、个重组自交系检测到位于F连锁群上的7个耐低磷相关QTL。Zhang 等15利用南农94-156和波高衍生的152个重组自交系为材料，在低磷和正常条件下调查了大豆苗期的5个磷效率相关性状，定位到耐低磷性状相关的34个QTL。后续研究中，他们又在花荚期利用花荚脱落率、荚叶磷含量和酸性磷酸酶活性3个指标评价大豆耐低磷性，用条件定位法检测到了耐低磷QTL的净效应，贡献率达19.3%，还通过多年多点试验定位到一个磷效率主效QTL qPE8，在后期图位克隆了控制该位点的基因GmACP1，进一步的实验证明GmACP1在低磷条件下的表达量显著升高，导致酸性磷酸酶活性升高，从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个F2：4家系定位到大豆籽粒磷含量相关的3个QTL，其中两个位点包含磷酸盐转运相关基因，另一个位点包含ZIP转运蛋白。上面的研究成果为选育耐低磷大豆新品种提供了借鉴，但是对已经定位到基因的功能分析仍不深入。近期，华南农业大学梁翠月教授课题组研究人员为更好地了解根细胞壁蛋白（CWP）对磷缺乏的调节作用，进行了iTRAQ蛋白质组学分析，共鉴定出磷缺乏条件下53个差异积累的CWP，并对其中一个上调的CWP类紫色酸性磷酸酶1（GmPAP1-like）进行了功能研究。结果显示，过表达GmPAP1-like的转基因菜豆毛状根的根相关酸性磷酸酶活性增强。研究结果表

17、明，CWP在植物根系响应磷缺乏过程中起着重要作用，并且细胞壁上GmPAP1-like蛋白可参与大豆胞外dNTP的利用过程。该研究为大豆耐低磷相关基因的深入研究提供了思路和方法，意义重大。3 结语总结了近期大豆抗病性（抗花叶病毒病、胞囊线虫病、疫霉根腐病）和耐逆性（耐盐性和耐低磷）两个方面的研究进展，为后续的研究者们了解现状和开展研究提供了参考。Reference：1 He H，Yang X，Xun H，etal.Over-expression of GmSN1 Enhances Virus Resistance in Arabidopsis and SoybeanJ.Plant Cell Re

18、p，2017，36（9）：1441-1455.2 Yang X，Niu L，Zhang W，etal.Robust RNAi-mediated Resistance to Infection of Seven Potyvirids in Soybean Expressing an Intron Hairpin NIb RNAJ.Transgenic Research，2017（9）：1-12.3 Hu Y，You J，Li C，etal.Ethylene Response Pathway Modulates Attractiveness of Plant Roots to Soybean Cy

19、st Nematode Heterodera GlycinesJ.Scientific Reports，2017（7）：41282.4 Tian B，Wang S，Todd T C，etal.Genome-wide Identification of Soybean MicroRNA Responsive to Soybean Cyst Nematodes Infection by Deep SequencingJ.Bmc Genomics，2017，18（1）：572.5 Zhou Y， Wang Y， Zhu X，etal.Management of the Soybean Cyst Ne

20、matode Heterodera Glycines with Combinations of Different Rhizobacterial Strains on SoybeanJ.Plos One，2017，12（8）：661.6 Liu S，Kandoth P K，Lakhssassi N，etal.The Soybean GmSNAP18gene Underlies Two Types of Resistance to Soybean Cyst NematodeJ.Nature Communications，2017（8）：14822.7 Kong L， Qiu X， Kang J，

21、etal.A Phytophthora Effector Manipulates Host Histone Acetylation and Reprograms Defense Gene Expression to Promote InfectionJ.Current Biology，2017，27（7）：981.8 Tsuihung P，Shao G H，Liao H，etal.High External Phosphate（Pi） Increases Sodiumion Uptake and Reduces Salt Tolerance of Pi-tolerant SoybeanJ.Ph

22、ysiologia Plantarum，2009，135（4）：412.9 Li W Y F，Shao G，Lam H M.Ectopic Expression of GmPAP3 Alleviates Oxidative Damage Caused by Salinity and Osmotic StressesJ.New Phytologist，2008，178（1）：80-91.10 Liao Y，Zhang J S，Chen S Y，etal.Role of Soybean GmbZIP132 under Abscisic Acid and Salt StressesJ.Plant B

23、iol，2008，50（2）：221-230.11 Pan W J，Tao J J，Cheng T，etal.Soybean miR172a Improves Salt Tolerance and Can Function as a Long-Distance SignalJ.Plant Biology，2016（9）：1337-1340.12 Sahito Z A，Wang L，Sun Z，et al.The miR172c-NNC1 module modulates root plastic development in response to salt in soybeanJ.Bmc Plant Biology，2017，17（1）：229.13 Wei W，Tao J J，Chen H W，etal.A histone code reader and a transcriptional activator interact to regulate genes for salt toleranceJ.Plant Physio