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，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量的關鍵因素，近些年大豆的耐逆育種引起了育種家們的關注。基于此，在總結相關研究成果的基礎上，羅列了近兩年國內外學者對大豆抗病性和耐逆性的最新研究進展，以期為后續的研究者提供借鑒。

關鍵詞 大豆；抗病性；耐逆性

中圖分類號：S565.1 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.15.004

大豆作為我國的主要農作物，產量高、用途廣且經濟價值高，因而深受百姓喜愛，但大豆也是一種極易患病的作物，從而會嚴重影響產量和質量。花葉病毒病、孢囊線蟲病和疫霉根腐病，是我國乃至全球范圍內普遍流行的3種大豆病害。不僅如此，隨著氣候及環境每況愈下，以及人們的種植方式一成不變，非生物脅迫對大豆產量及品質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）是世界范圍內大豆產區的主要病害之一。國內外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：抗性種質鑒定和闡明其抗性基因遺傳規律、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。在這些研究的基礎上，國內外陸續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，發現GAST（Gibberellic Acid Stimulated Transcript）家族基因在SMV接種的敏感品種中下調表達（而在抗性品種中沒變化）。序列比較和同源比對發現，GAST家族中的GmSN1基因與馬鈴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，轉基因植物對花葉病毒有明顯抗性。轉錄分析表明，GmSN1基因可以影響信號轉導和免疫應答相關基因的表達，并促進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的反向重復序列設計成內含子發夾結構，并在菜豆（Phaseolus vulgaris）葉片特異表達啟動子rbcS2的驅動下轉化到大豆中，培育出了高抗SMV的大豆株系。經鑒定，轉基因大豆致病指數極低，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量的病害。線蟲的化學感知能力是其取食、交配、產卵和趨利避害等行為產生的重要基礎。研究報道，植物防御激素（水楊酸、茉莉酸和乙烯等）可能參與了調控寄主對線蟲的反應，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，中科院的研究表明，乙烯途徑在胞囊線蟲病的早期識別寄主過程中就已經發揮作用。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做了深入研究，研究發現，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及負調控因子ctr1吸引的幼蟲較少。另外，抑制劑Ag能逆轉SCN對eto1、eto3的響應。以上結果足以說明，乙烯途徑在SCN識別植物化學信號過程中起負調控作用，這與前人的報道類似，但與甜菜孢囊線蟲的調控機制相反[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提供理論基礎。

目前，人們試圖利用生物防治、生物技術等手段對其進行防治。堪薩斯州立大學領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。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，他們發現了來自25個家族的60個miRNAs對孢囊線蟲的侵染做出了應答反應[4]。這將為利用RNAi干涉手段抑制線蟲侵染提供新的指引。

沈陽農業大學線蟲研究室段玉璽和陳立杰領銜的團隊利用生物種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3∶1∶1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、產量亦有明顯的促生和增產作用[5]。

Rhg（resistance to Heterodera glycines）是人們發現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測序捕獲技術得到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出不同的作用[6]。GmSNAP18抗性基因的發現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、發育及免疫等過程。南農作物疫病研究團隊研究發現，疫霉分泌的蛋白-Avh23能夠進入大豆的細胞內，通過結合SAGA（組蛋白乙酰化修飾復合體）的ADA2亞基來抑制催化亞基GCN5起作用，進而調控大豆體內乙酰化修飾的水平，使防衛相關基因表達水平降低，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控寄主免疫反應的新機制，揭示了大豆抗病性狀中易被病原菌攻擊的要害[7]，為農作物抗病性改良提供了重要依據。

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量的主要環境因素，有時能造成50%以上的減產。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重要。

2.1 耐鹽性

隨著土壤鹽漬化的加重，生產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，研究人員利用傳統育種、現代生物技術等方法，獲得了一些與耐鹽基因相關分子標記，定位了耐鹽性相關的數量性狀位點，為選育耐鹽品種提供了有效的方法。隨著生物技術的發展，利用轉基因技術改良作物耐鹽性逐漸成了新的研究熱點。如今，已經克隆出了許多耐鹽性相關基因，目前用于該領域的包括以下幾類：逆境誘導的植物蛋白酶基因、細胞滲透壓調節物質基因、超氧化物歧化酶和轉錄因子基因等[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。他們的實驗發現，miR172a切割降解靶基因SSAC1，解除其調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現，miR172a可作為長距離信號分子從轉基因大豆的毛狀根轉運到地上部，并調控靶基因以及下游基因的表達[11]。

華中農業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（miR172c-NNC1組件在大豆根瘤菌共生系統中扮演著重要角色，而且miR172c基因啟動子含有脅迫相關的順式作用元件）上，推測miR172c基因在根響應非生物脅迫中亦發揮作用。研究發現，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亞類普遍具有轉錄抑制能力，而GmPHD6例外。研究結果顯示，H3K4me0/1/2可能與植物逆境調控相關聯，H3K4me0/1/2、GmPHD6和LHP1形成轉錄調控復合體。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性。這項研究是對鋅指蛋白調控機制的重要補充，為改善作物的耐逆性提供了重要的理論依據[13]。

2.2 耐低磷

磷素參與了大豆體內的酶促反應、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耕地都存在的問題。因而，磷脅迫成為限制大豆高產的因素之一。研究表明，大豆對低磷條件的耐性由數量性狀基因控制，是環境和遺傳因素兩者共同作用的結果。挖掘大豆耐低磷相關基因，通過分子標記輔助選擇等手段選育耐低磷的大豆品種，對提高產量及高效利用土壤中難溶態磷具有重要意義。

近些年，國內外開展了大量磷效率相關性狀的QTL定位和基因圖位克隆研究。Li 等[14]將科豐1號與南農1138-2做親本，利用雜交后衍生的116個重組自交系檢測到位于F連鎖群上的7個耐低磷相關QTL。Zhang 等[15]利用南農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查了大豆苗期的5個磷效率相關性狀，定位到耐低磷性狀相關的34個QTL。后續研究中，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，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]。King 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的3個QTL，其中兩個位點包含磷酸鹽轉運相關基因，另一個位點包含ZIP轉運蛋白。

上面的研究成果為選育耐低磷大豆新品種提供了借鑒，但是對已經定位到基因的功能分析仍不深入。近期，華南農業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）對磷缺乏的調節作用，進行了iTRAQ蛋白質組學分析，共鑒定出磷缺乏條件下53個差異積累的CWP，并對其中一個上調的CWP——類紫色酸性磷酸酶1（GmPAP1-like）進行了功能研究。結果顯示，過表達GmPAP1-like的轉基因菜豆毛狀根的根相關酸性磷酸酶活性增強。研究結果表明，CWP在植物根系響應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基因的深入研究提供了思路和方法，意義重大。

3 結語

總結了近期大豆抗病性（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，為后續的研究者們了解現狀和開展研究提供了參考。

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（責任編輯：劉昀）