大豆抗病、耐逆性的研究進(jìn)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(xiàn)蟲(chóng)病和疫霉根腐病，是我國(guó)較為流行的3種大豆病害，會(huì)影響大豆植株的正常生長(zhǎng)，導(dǎo)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(diǎn)。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?，在總結(jié)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，羅列了近兩年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大豆抗病性和耐逆性的最新研究進(jìn)展，以期為后續(xù)的研究者提供借鑒。

關(guān)鍵詞 大豆；抗病性；耐逆性

中圖分類(lèi)號(hào)：S565.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.15.004

大豆作為我國(guó)的主要農(nóng)作物，產(chǎn)量高、用途廣且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，因而深受百姓喜愛(ài)，但大豆也是一種極易患病的作物，從而會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)量和質(zhì)量?；ㄈ~病毒病、孢囊線(xiàn)蟲(chóng)病和疫霉根腐病，是我國(guó)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(duì)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(zhǎng)期以來(lái)進(jìn)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(gè)方面獲得了許多突破性的進(jìn)展，基于此，將從這兩個(gè)方面進(jìn)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(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)大豆花葉病毒病進(jìn)行了大量的研究，主要包括以下幾個(gè)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(lèi)、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(guó)內(nèi)外陸續(xù)選育出了具有花葉病毒病專(zhuān)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(jìn)展。

劉寶和董英山團(tuán)隊(duì)的研究人員通過(guò)比較抗大豆花葉病毒的品種和敏感栽培品種的基因表達(dá)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(dá)（而在抗性品種中沒(méi)變化）。序列比較和同源比對(duì)發(fā)現(xiàn)，GAST家族中的GmSN1基因與馬鈴薯中的細(xì)菌病抗性基因Snakin-1高度同源。利用35S啟動(dòng)子在擬南芥和大豆中超量表達(dá)后，轉(zhuǎn)基因植物對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和免疫應(yīng)答相關(guān)基因的表達(dá)，并促進(jìn)已知的大豆抗病基因——鉀離子通道蛋白GmAKT2[1]。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(dǎo)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(tuán)隊(duì)的研究人員以SC3菌株中的RNA復(fù)制酶NI b（nuclear inclusion b）基因作為靶標(biāo)，將兩個(gè)248 bp的反向重復(fù)序列設(shè)計(jì)成內(nèi)含子發(fā)夾結(jié)構(gòu)，并在菜豆（Phaseolus vulgaris）葉片特異表達(dá)啟動(dòng)子rbcS2的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)培育大豆花葉病廣譜抗性品種上具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 胞囊線(xiàn)蟲(chóng)病

大豆孢囊線(xiàn)蟲(chóng)?。⊿oybean cyst nematode，SCN）是一種嚴(yán)重影響大豆產(chǎn)量的病害。線(xiàn)蟲(chóng)的化學(xué)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(bào)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(duì)線(xiàn)蟲(chóng)的反應(yīng)，但是，這些防御激素在植物與線(xiàn)蟲(chóng)互作早期的功能研究還很缺乏。

最近，中科院的研究表明，乙烯途徑在胞囊線(xiàn)蟲(chóng)病的早期識(shí)別寄主過(guò)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(duì)照相比，處理后的幼苗根尖吸引了更多的J2幼蟲(chóng)，這表明乙烯合成途徑或其中的某些信號(hào)參與了調(diào)控SCN識(shí)別根信號(hào)過(guò)程。隨后，他們利用擬南芥乙烯突變體對(duì)SCN識(shí)別植物化學(xué)信號(hào)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(chóng)；相反，組成型突變體eto1-2、eto3及負(fù)調(diào)控因子ctr1吸引的幼蟲(chóng)較少。另外，抑制劑Ag能逆轉(zhuǎn)SCN對(duì)eto1、eto3的響應(yīng)。以上結(jié)果足以說(shuō)明，乙烯途徑在SCN識(shí)別植物化學(xué)信號(hào)過(guò)程中起負(fù)調(diào)控作用，這與前人的報(bào)道類(lèi)似，但與甜菜孢囊線(xiàn)蟲(chóng)的調(diào)控機(jī)制相反[3]。這項(xiàng)研究有助于理解線(xiàn)蟲(chóng)識(shí)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?cè)噲D利用生物防治、生物技術(shù)等手段對(duì)其進(jìn)行防治?？八_斯州立大學(xué)領(lǐng)銜的研究人員利用深度測(cè)序的方法鑒定了大豆全基因組microRNA對(duì)大豆孢囊線(xiàn)蟲(chóng)侵染的反應(yīng)。研究者將兩個(gè)大豆品系（敏感品系KS4607和抗性品系KS4313N）在孢囊線(xiàn)蟲(chóng)侵染性和非侵染性土壤中種植，通過(guò)小RNA深度測(cè)序和差異表達(dá)分析，他們發(fā)現(xiàn)了來(lái)自25個(gè)家族的60個(gè)miRNAs對(duì)孢囊線(xiàn)蟲(chóng)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(xiàn)蟲(chóng)侵染提供新的指引。

沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)線(xiàn)蟲(chóng)研究室段玉璽和陳立杰領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)利用生物種衣劑防治大豆孢囊線(xiàn)蟲(chóng)，效果良好。研究人員將簡(jiǎn)單芽孢桿菌Sneb545、巨大芽孢桿菌Sneb482和費(fèi)氏中華根瘤菌Sneb183菌株以3∶1∶1的比例復(fù)配成種衣劑SN101，用于大豆種植。大豆溫室和田間試驗(yàn)結(jié)果表明生物種衣劑SN101對(duì)大豆出苗無(wú)影響，對(duì)大豆胞囊線(xiàn)蟲(chóng)病防效顯著高于商品種衣劑對(duì)照（BFA化學(xué)制劑）和空白對(duì)照，對(duì)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(duì)胞囊線(xiàn)蟲(chóng)有防治效果的一類(lèi)抗性位點(diǎn)，存在于大豆不同種質(zhì)資源的多個(gè)基因組位置上，但是其抗病機(jī)理仍然不清楚。研究人員利用定位克隆和RSE-Seq測(cè)序捕獲技術(shù)得到Rhg1位點(diǎn)上的抗性主效基因GmSNAP18（Glyma18g02590），并通過(guò)互補(bǔ)試驗(yàn)證實(shí)了該基因的抗性效果。進(jìn)一步分析顯示，GmSNAP18基因在Peking-type和PI88788-type兩種類(lèi)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(duì)于培育胞囊線(xiàn)蟲(chóng)抗性大豆品種以及最終解決大豆胞囊線(xiàn)蟲(chóng)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(guān)遺傳修飾的一種方式，它廣泛參與了生物體生長(zhǎng)、發(fā)育及免疫等過(guò)程。南農(nóng)作物疫病研究團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，疫霉分泌的蛋白-Avh23能夠進(jìn)入大豆的細(xì)胞內(nèi)，通過(guò)結(jié)合SAGA（組蛋白乙酰化修飾復(fù)合體）的ADA2亞基來(lái)抑制催化亞基GCN5起作用，進(jìn)而調(diào)控大豆體內(nèi)乙?；揎椀乃?，使防衛(wèi)相關(guān)基因表達(dá)水平降低，從而導(dǎo)致大豆對(duì)疫霉菌的抗病性明顯下降。該研究在表觀(guān)修飾水平上闡述了病原菌調(diào)控寄主免疫反應(yīng)的新機(jī)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(zhǎng)和產(chǎn)量的主要環(huán)境因素，有時(shí)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(duì)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(duì)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)分子標(biāo)記，定位了耐鹽性相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)，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(diǎn)。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(lèi)：逆境誘導(dǎo)的植物蛋白酶基因、細(xì)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(duì)大豆耐鹽性進(jìn)行改良，還須依賴(lài)于對(duì)大豆耐鹽性分子機(jī)理進(jìn)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(dá)受鹽脅迫誘導(dǎo)。他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，miR172a切割降解靶基因SSAC1，解除其調(diào)控的蛋白對(duì)硫胺素前體合成酶基因THI1啟動(dòng)子的抑制作用，從而促進(jìn)THI1基因表達(dá)，增加硫胺素合成，提高大豆耐鹽性。隨后，他們通過(guò)嫁接實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，miR172a可作為長(zhǎng)距離信號(hào)分子從轉(zhuǎn)基因大豆的毛狀根轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部，并調(diào)控靶基因以及下游基因的表達(dá)[11]。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)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(dòng)子含有脅迫相關(guān)的順式作用元件）上，推測(cè)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(dǎo)大豆miR172c基因的表達(dá)。過(guò)表達(dá)和敲除miR172c基因能夠顯著增強(qiáng)和降低根對(duì)鹽脅迫的敏感性。miR172c的下游靶標(biāo)基因NNC1進(jìn)一步在鹽脅迫條件下調(diào)表達(dá)，而過(guò)表達(dá)和敲除NNC1基因能夠降低和增強(qiáng)根對(duì)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(jī)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(gè)特殊的鋅指蛋白——GmPHD6，屬于鋅指蛋白中的Alfin亞類(lèi)。通常，Alfin亞類(lèi)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(fù)合體。復(fù)合體通過(guò)GmPHD6靶定下游基因，并通過(guò)LHP1激活下游基因表達(dá)，從而提高植物的耐逆性。這項(xiàng)研究是對(duì)鋅指蛋白調(diào)控機(jī)制的重要補(bǔ)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(guò)程。缺磷是我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)耕地都存在的問(wèn)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(duì)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(guò)分子標(biāo)記輔助選擇等手段選育耐低磷的大豆品種，對(duì)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(guó)內(nèi)外開(kāi)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(hào)與南農(nóng)1138-2做親本，利用雜交后衍生的116個(gè)重組自交系檢測(cè)到位于F連鎖群上的7個(gè)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(gè)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(gè)磷效率相關(guān)性狀，定位到耐低磷性狀相關(guān)的34個(gè)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(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)大豆耐低磷性，用條件定位法檢測(cè)到了耐低磷QTL的凈效應(yīng)，貢獻(xiàn)率達(dá)19.3%，還通過(guò)多年多點(diǎn)試驗(yàn)定位到一個(gè)磷效率主效QTL qPE8，在后期圖位克隆了控制該位點(diǎn)的基因GmACP1，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明GmACP1在低磷條件下的表達(dá)量顯著升高，導(dǎo)致酸性磷酸酶活性升高，從而提高大豆的耐低磷能力[16-17]。King 等[18]利用Anoka和A7衍生的92個(gè)F2：4家系定位到大豆籽粒磷含量相關(guān)的3個(gè)QTL，其中兩個(gè)位點(diǎn)包含磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因，另一個(gè)位點(diǎn)包含ZIP轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)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(xué)梁翠月教授課題組研究人員為更好地了解根細(xì)胞壁蛋白（CWP）對(duì)磷缺乏的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)行了iTRAQ蛋白質(zhì)組學(xué)分析，共鑒定出磷缺乏條件下53個(gè)差異積累的CWP，并對(duì)其中一個(gè)上調(diào)的CWP——類(lèi)紫色酸性磷酸酶1（GmPAP1-like）進(jìn)行了功能研究。結(jié)果顯示，過(guò)表達(dá)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(qiáng)。研究結(jié)果表明，CWP在植物根系響應(yīng)磷缺乏過(guò)程中起著重要作用，并且細(xì)胞壁上GmPAP1-like蛋白可參與大豆胞外dNTP的利用過(guò)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(yǔ)

總結(jié)了近期大豆抗病性（抗花葉病毒病、胞囊線(xiàn)蟲(chóng)病、疫霉根腐?。┖湍湍嫘裕望}性和耐低磷）兩個(gè)方面的研究進(jìn)展，為后續(xù)的研究者們了解現(xiàn)狀和開(kāi)展研究提供了參考。

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（責(zé)任編輯：劉昀）