近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室植物生殖發(fā)育和大豆種質(zhì)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)王應(yīng)祥教授課題組在Plant, Cell & Environment（中科院一區(qū)Top期刊）上在線發(fā)表了題為“Proteomic, Transcriptomic, Biochemical and Physiological Investigations Shed Light on Responses to Low Temperature Stress in Two Contrasting Soybean Varieties”的文章，揭示了兩個(gè)我國南北方代表性大豆品種華夏3號(hào)和黑河43號(hào)在低溫脅迫下的差異性應(yīng)答機(jī)制。相關(guān)研究為大豆耐寒品種的選育提供了理論依據(jù)和分子資源。

南北大豆品種抗寒機(jī)制揭示：華夏3號(hào)為何“更抗凍”？

　　研究團(tuán)隊(duì)通過植物形態(tài)、生理生化指標(biāo)以及轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組多組學(xué)綜合分析，揭示了兩個(gè)大豆品種在低溫脅迫下的差異性應(yīng)答機(jī)制。研究對象為我國南北兩個(gè)代表性大豆品種：來自東北地區(qū)的黑河43（HH43）和來自華南地區(qū)的華夏3號(hào)（HX3）。雖然傳統(tǒng)認(rèn)知上北方品種應(yīng)更耐寒，但實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)，華夏3號(hào)在4℃低溫處理下的表現(xiàn)更為出色，不僅葉片萎蔫延遲，且抗氧化能力更強(qiáng)，顯示出顯著的抗寒優(yōu)勢。

從“快反應(yīng)”到“穩(wěn)應(yīng)對”：南北品種策略迥異

　　研究表明，黑河43號(hào)在低溫脅迫初期快速啟動(dòng)基因表達(dá)，1小時(shí)內(nèi)葉片就出現(xiàn)萎蔫，但整體應(yīng)答較短暫且易受損。而華夏3號(hào)則呈現(xiàn)“慢熱型”，直到6小時(shí)后才有明顯癥狀，但整體冷響應(yīng)更持久，尤其在低溫脅迫24h和48h后，其抗寒相關(guān)基因和蛋白仍大量上調(diào)，維持細(xì)胞代謝和穩(wěn)態(tài)能力更強(qiáng)。生理檢測發(fā)現(xiàn)，華夏3號(hào)在低溫脅迫下表現(xiàn)出更低的氧化傷害，且呈現(xiàn)出更高水平的抗氧化酶活性以及滲透調(diào)節(jié)能力，表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗寒適應(yīng)性。

圖1. 大豆品種HX3與HH43在低溫脅迫下的形態(tài)及生理響應(yīng)

大豆冷響應(yīng)的潛在控制因子有哪些？

　　基于加權(quán)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA），研究人員發(fā)現(xiàn)華夏3號(hào)中與冷響應(yīng)正相關(guān)的關(guān)鍵模塊在低溫脅迫下顯著激活，模塊中大量基因顯著上調(diào)。進(jìn)一步通過相關(guān)模塊中基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建（GRN）鑒定出潛在關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，如CAMTA2、WRKY33、ATAF1、ERF72和bZIP29。這些轉(zhuǎn)錄因子不僅在華夏3號(hào)中明顯上調(diào)表達(dá)，而且與冷應(yīng)答、氧化還原調(diào)控、糖代謝等通路密切相關(guān)。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了ATAF1對其靶基因（如MPK3、BTB-A2.1等）的正負(fù)調(diào)控功能，為后續(xù)功能研究和分子育種提供了直接證據(jù)。蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示，華夏3號(hào)在蛋白質(zhì)水平的應(yīng)答也更為活躍，在6小時(shí)和48小時(shí)低溫處理后，大量與能量代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和抗氧化相關(guān)的冷應(yīng)答蛋白質(zhì)上調(diào)，涉及谷胱甘肽代謝、脂肪酸代謝等關(guān)鍵通路。而響應(yīng)的黑河43號(hào)僅有少量蛋白參與冷脅迫響應(yīng)過程。

南方種質(zhì)更耐寒？

　　華夏3號(hào)雖然來源于南方溫暖地區(qū)，卻比北方品種更耐寒。研究人員推測，這可能與華南地區(qū)在氣候溫度上的大幅波動(dòng)和復(fù)雜環(huán)境壓力有關(guān)，促使在長期進(jìn)化中形成了更強(qiáng)的溫度適應(yīng)能力。大豆被認(rèn)為起源于中國溫帶的黃淮海流域，并逐漸被馴化到其他地區(qū)。中國東北地區(qū)實(shí)行一年一季的種植制度（春播秋收），大豆種子在發(fā)芽階段對低溫極為敏感，春季低溫容易導(dǎo)致種子腐爛。因此，北方優(yōu)良品種通常在萌發(fā)期具有較強(qiáng)的抗寒能力。相比之下，南方大豆的種植由于氣候和耕作制度的不同而具有靈活性，例如在廣東地區(qū)，3月春播，6月收獲，7月夏播，10月收獲。由于華南氣候變化較大，倒春寒、高溫、臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)降雨等極端天氣事件頻發(fā)，當(dāng)?shù)卮蠖褂N策略側(cè)重于提高抗逆性和適應(yīng)性。

圖2. 耐寒性差異轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子作用模型

　　低溫脅迫信號(hào)通過細(xì)胞膜感知，觸發(fā)Ca2?內(nèi)流并激活鈣信號(hào)響應(yīng)蛋白CAMTA1/CAMTA2。激素信號(hào)通路（如乙烯、茉莉酸）與核心轉(zhuǎn)錄因子WRKY33、WRKY65、EIN3等互作，協(xié)同調(diào)控逆境響應(yīng)基因表達(dá)。生物鐘及光響應(yīng)模塊（如COL9/BBX7、STH2/BBX21、PCL1/LUX）與脅迫網(wǎng)絡(luò)交叉互作，調(diào)控基因表達(dá)的晝夜節(jié)律性。熱激因子家族（HSFA2、HSFA6B、HSFA8、HSFC1）通過激活熱激蛋白表達(dá)，緩解低溫誘導(dǎo)的蛋白錯(cuò)誤折疊損傷。WRKY家族成員（WRKY33、WRKY65、WRKY40、WRKY70）通過結(jié)合W-box順式元件，調(diào)控逆境相關(guān)基因表達(dá)以增強(qiáng)耐寒性。乙烯響應(yīng)因子（ERF72、RAP2.1、F26A9.1）整合乙烯信號(hào)，通過調(diào)控下游逆境基因提升脅迫耐受性。bZIP/MYB家族（如bZIP29、MYB相關(guān)因子）通過互作調(diào)控核心脅迫與發(fā)育通路。上述轉(zhuǎn)錄因子通過形成多層次調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，整合低溫信號(hào)、內(nèi)源激素及生物鐘節(jié)律，最終協(xié)調(diào)基因表達(dá)重編程與生理響應(yīng)，賦予植物低溫生存適應(yīng)性。

　　本研究為大豆抗寒育種提供了系統(tǒng)性數(shù)據(jù)資源和寶貴的分子靶點(diǎn)。未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步深入挖掘關(guān)鍵調(diào)控因子的功能，通過基因編輯等手段推動(dòng)抗寒基因的定向改良與精準(zhǔn)導(dǎo)入，培育廣適應(yīng)性大豆種質(zhì)，加快“北豆南移”戰(zhàn)略實(shí)施步伐。

　　華南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生Birra Bukhari和郭長奎教授為論文共同第一作者，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室、南方大豆創(chuàng)新研究院王應(yīng)祥教授和青年研究員方圓為論文共同通訊作者。該研究得到了嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、第九批“珠江人才計(jì)劃”植物減數(shù)分裂重組和種質(zhì)資源創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以及國家自然科學(xué)基金的支持。

　　相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pce.15492

文圖/生命科學(xué)學(xué)院