近日,，華南農(nóng)業(yè)大學、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術廣東省實驗室植物生殖發(fā)育和大豆種質創(chuàng)新研究團隊王應祥教授課題組在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,，揭示了兩個我國南北方代表性大豆品種華夏3號和黑河43號在低溫脅迫下的差異性應答機制,。相關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制揭示：華夏3號為何“更抗凍”,？

　　研究團隊通過植物形態(tài),、生理生化指標以及轉錄組與蛋白質組多組學綜合分析,，揭示了兩個大豆品種在低溫脅迫下的差異性應答機制,。研究對象為我國南北兩個代表性大豆品種：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（HX3）,。雖然傳統(tǒng)認知上北方品種應更耐寒，但實驗卻發(fā)現(xiàn),，華夏3號在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,，顯示出顯著的抗寒優(yōu)勢,。

從“快反應”到“穩(wěn)應對”：南北品種策略迥異

　　研究表明，黑河43號在低溫脅迫初期快速啟動基因表達,，1小時內(nèi)葉片就出現(xiàn)萎蔫,，但整體應答較短暫且易受損。而華夏3號則呈現(xiàn)“慢熱型”,，直到6小時后才有明顯癥狀,，但整體冷響應更持久，尤其在低溫脅迫24h和48h后,，其抗寒相關基因和蛋白仍大量上調(diào),，維持細胞代謝和穩(wěn)態(tài)能力更強。生理檢測發(fā)現(xiàn)，華夏3號在低溫脅迫下表現(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)出更強的抗寒適應性。

圖1. 大豆品種HX3與HH43在低溫脅迫下的形態(tài)及生理響應

大豆冷響應的潛在控制因子有哪些,？

　　基于加權共表達網(wǎng)絡分析（WGCNA）,，研究人員發(fā)現(xiàn)華夏3號中與冷響應正相關的關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),。進一步通過相關模塊中基因調(diào)控網(wǎng)絡構建（GRN）鑒定出潛在關鍵轉錄因子,，如CAMTA2、WRKY33,、ATAF1,、ERF72和bZIP29。這些轉錄因子不僅在華夏3號中明顯上調(diào)表達,，而且與冷應答、氧化還原調(diào)控,、糖代謝等通路密切相關,。分子生物學實驗進一步驗證了ATAF1對其靶基因（如MPK3、BTB-A2.1等）的正負調(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),。蛋白質組學分析顯示，華夏3號在蛋白質水平的應答也更為活躍,，在6小時和48小時低溫處理后,，大量與能量代謝、信號轉導和抗氧化相關的冷應答蛋白質上調(diào),，涉及谷胱甘肽代謝,、脂肪酸代謝等關鍵通路。而響應的黑河43號僅有少量蛋白參與冷脅迫響應過程,。

南方種質更耐寒,？

　　華夏3號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和復雜環(huán)境壓力有關，促使在長期進化中形成了更強的溫度適應能力,。大豆被認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,、臺風和強降雨等極端天氣事件頻發(fā)，當?shù)卮蠖褂N策略側重于提高抗逆性和適應性,。

圖2. 耐寒性差異轉錄調(diào)控網(wǎng)絡關鍵轉錄因子作用模型

　　低溫脅迫信號通過細胞膜感知,，觸發(fā)Ca2?內(nèi)流并激活鈣信號響應蛋白CAMTA1/CAMTA2。激素信號通路（如乙烯,、茉莉酸）與核心轉錄因子WRKY33,、WRKY65、EIN3等互作,，協(xié)同調(diào)控逆境響應基因表達,。生物鐘及光響應模塊（如COL9/BBX7、STH2/BBX21,、PCL1/LUX）與脅迫網(wǎng)絡交叉互作,，調(diào)控基因表達的晝夜節(jié)律性。熱激因子家族（HSFA2,、HSFA6B,、HSFA8、HSFC1）通過激活熱激蛋白表達,，緩解低溫誘導的蛋白錯誤折疊損傷,。WRKY家族成員（WRKY33、WRKY65,、WRKY40,、WRKY70）通過結合W-box順式元件，調(diào)控逆境相關基因表達以增強耐寒性,。乙烯響應因子（ERF72,、RAP2.1、F26A9.1）整合乙烯信號,，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相關因子）通過互作調(diào)控核心脅迫與發(fā)育通路。上述轉錄因子通過形成多層次調(diào)控網(wǎng)絡,，整合低溫信號,、內(nèi)源激素及生物鐘節(jié)律，最終協(xié)調(diào)基因表達重編程與生理響應,，賦予植物低溫生存適應性,。

　　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。未來,，研究團隊計劃進一步深入挖掘關鍵調(diào)控因子的功能,，通過基因編輯等手段推動抗寒基因的定向改良與精準導入，培育廣適應性大豆種質,，加快“北豆南移”戰(zhàn)略實施步伐,。

　　華南農(nóng)業(yè)大學博士生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,、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術廣東省實驗室,、南方大豆創(chuàng)新研究院王應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)科學與技術廣東省實驗室項目,、第九批“珠江人才計劃”植物減數(shù)分裂重組和種質資源創(chuàng)新團隊以及國家自然科學基金的支持,。

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

文圖/生命科學學院