摘要：近日，国际知名植物学期刊《Plant Biotechnology Journal》在线发表了东北农业大学农学院韩英鹏、李永光、赵雪课题组的重要研究成果”GmFeR1, a soybean ferritin, enhances tolerance to salt

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近日，国际知名植物学期刊《Plant Biotechnology Journal》在线发表了东北农业大学农学院韩英鹏、李永光、赵雪课题组的重要研究成果”GmFeR1, a soybean ferritin, enhances tolerance to salt stress and root rot disease and improves soybean yield”（大豆铁蛋白基因GmFER1通过增强盐胁迫和根腐病抗性提高大豆产量），首次系统揭示了大豆铁蛋白基因GmFER1的多重生物学功能。研究发现，该基因不仅能够显著增强大豆对盐胁迫和根腐病的抗性，同时还能提高大豆产量和改善品质性状，这一突破性发现为大豆抗逆分子育种提供了新的基因资源和理论依据。

平衡植物生长与环境胁迫响应是所有植物面临的挑战。植物的胁迫响应可增强其对生物及非生物因素的抗性，但持续的应激反应代价高昂，可能阻碍植株生长及环境适应力。因此，植物必须在防御潜在逆境与避免损害生长适应性之间维持精妙平衡（He et al., 2022；Zhang et al., 2020）。铁蛋白是一种由24个亚基组成的近似规则八面体球状蛋白复合体，其内径为7-8纳米，外径12-13纳米，厚度2-2.5纳米，内部空腔可储存45000个Fe³⁺离子（Li et al., 2012）。在动物细胞中，铁蛋白的主要功能是作为代谢可利用的铁储存库（Theil，2003）。而在植物中，铁蛋白同样具有铁库功能，其表达量增加可显著提高植株铁含量，如在莴苣（Goto et al., 1999）、水稻（Goto et al., 2000b）和烟草（Van Wuytswinkel et al., 1999）中均有报道。此外，铁蛋白过表达能显著增加生物量，这一现象在烟草（Ting-Bo et al., 2006）、莴苣（Goto et al., 1999）和拟南芥（Wei et al., 2015）等物种中均得到验证。在植物体内，铁蛋白不仅参与铁储存，还能响应高盐、强光、高温和重金属等非生物胁迫，被认定为氧化应激相关蛋白。研究表明，植物铁蛋白可能通过调控铁元素缓冲来帮助植物应对不良环境（Ravet et al., 2009）。然而，铁蛋白在应对盐胁迫和病原体侵染时是否还存在其他抗性机制，目前尚未明确。本研究的具体内容如下：

1. GmFER1响应大豆多重生物胁迫和非生物胁迫

本研究系统解析了GmFER1在大豆中的表达调控特征。qRT-PCR分析表明，GmFER1对盐胁迫（200 mM NaCl）、脱落酸（100 μM ABA）及镰刀菌游动孢子处理均表现出显著的上调响应（图1A-E）。组织化学染色与GUS活性定量进一步证实，盐胁迫和ABA处理可特异性激活GmFER1启动子活性（GUS活性增加2.5-3.0倍）（图1H、I）。值得注意的是，1 mM Fe-EDTA和甲基紫精（MV）处理分别诱导GmFER1表达量提升3.5倍和2.3倍（图1F、G），提示该基因可能参与铁稳态和活性氧（ROS）清除的协同调控。时空表达谱分析显示，GmFER1在大豆各组织中广泛表达，其中营养器官（根、茎、叶）表达量显著高于生殖器官（荚和种子）（图1H）。GmFER1基因在幼苗期至成熟期持续活跃，但在种子发育过程中几乎不表达。亚细胞定位研究通过原生质体瞬时表达35S:GmFER1::YFP证实，GmFER1特异性定位于叶绿体（与叶绿体自发荧光标记共定位）（图1L），这一发现为阐明GmFER1在叶绿体铁储存和氧化应激防御中的功能提供了重要线索。

图1 GmFER1表达模式与亚细胞定位分析

2. GmFER1通过调控Fe稳态与光合效率协同提升大豆产量

研究系统解析了GmFER1在铁稳态调控和农艺性状改良中的双重功能。基于前人关于铁蛋白基因的研究基础（Goto et al., 1999, 2000b；Van Wuytswinkel et al., 1999）。研究构建的35S::GmFER1过表达株系（GmFER1-ox）显示，其地上部和根部总铁含量较野生型（WT）分别提高35%和42%，但种子铁含量无显著变化（图2A）。铁形态分析发现，GmFER1-ox植株Fe³⁺含量显著增加，而Fe²⁺水平与WT相当（图2B），表明GmFER1可能通过调控铁价态转化影响铁稳态。为阐明GmFER1的组织特异性功能，研究设计了四种嫁接组合（图2C）。缺铁胁迫实验显示：1）叶绿素荧光检测表明，从WT/WT到GmFER1-ox/GmFER1-ox植株的叶绿素损失呈梯度递减（第4天时差异达30%）（图2D、E）；2）铁含量动态监测揭示，正常条件下GmFER1-ox植株（ox/ox和ox/WT）根部铁含量较WT提高40%，而WT/ox与WT/WT无差异；3）缺铁胁迫时，虽然所有植株根部铁含量均下降，但ox/ox地上部铁含量仍维持较高水平（较ox/WT高25%）。这些结果证实GmFER1主要通过根系调控铁的吸收与分配，其过表达可显著增强植株对缺铁胁迫的耐受性。

图2 过表达GmFER1增加大豆Fe3+积累

更重要的是，GmFER1过表达带来显著的农艺性状改良。与野生型（WT）相比，GmFER1-ox植株生物量显著增加，叶片更大（图3A）。进一步分析表明，过表达植株中Rubisco酶活性明显增强，说明GmFER1可能通过提高CO₂同化效率促进生物量积累。成熟期表型观察发现，GmFER1-ox植株茎秆更粗壮、根系更发达且株高显著降低，但节间数无显著差异（图3E-G）。农艺性状分析显示，过表达植株的单株荚数、粒数、分枝数、百粒重及单株产量均显著提高（图3H-L）。品质分析表明，GmFER1过表达显著提升大豆含油量、大豆苷元及异黄酮含量。

图3 过表达GmFER1增加大豆产量

3. GmFER1通过协同调控氧化防御与离子稳态增强大豆耐盐性

研究表明，GmFER1过表达显著提升了大豆对盐胁迫的适应性。在150 mM NaCl胁迫下，GmFER1-ox植株表现出更高的发芽率（提高约35%）和更长的根长（图4A）。随着盐浓度升高至200/300 mM，GmFER1-ox植株的盐害症状明显减轻，表现为叶片黄化程度降低50%以上（图4B）。生理指标分析显示，盐胁迫下GmFER1-ox植株的鲜重增加28%，Fv/Fm值提高15%，同时MDA含量降低40%（图4C-G），这些结果证实GmFER1能显著增强大豆耐盐性。在分子机制方面，GmFER1通过双重途径发挥作用：首先，通过激活抗氧化防御系统，使H2O2含量降低60%，CAT和SOD酶活性分别提高2.1倍和1.8倍（图4H-J）；其次，通过上调Na⁺转运蛋白GmSOS1的表达（增加3.5倍），促进Na⁺外排，从而维持离子稳态。这两方面的协同作用使GmFER1成为提高大豆耐盐性的关键调控因子。

图4 过表达GmFER1提高大豆耐盐性

4. GmFER1通过铁依赖的活性氧清除机制增强大豆镰刀菌抗性

研究表明，在铁充足条件下，过表达GmFER1（GmFER1-ox）的植株接种镰刀菌后仅表现轻微组织坏死，而野生型（WT）植株出现明显病斑和水渍状萎蔫，且病斑长度和反射率显著差异（图5A-C）。铁缺乏时两者抗病性无显著差异，表明铁离子是GmFER1介导抗性的必要条件（图S8）。机制上，GmFER1-ox植株根系中过氧化氢含量降低，DAB/NBT染色变浅（图5D），同时CAT和SOD酶活性显著上调（图5E,F）。相反，干扰GmFER1（GmFER1-i）的毛状根在染病后表现出更严重的病症，根系生物量和吸光度显著低于空载对照（EV）（图5G-I）。这些结果共同证实GmFER1通过增强ROS清除能力提高大豆对镰刀菌的抗性。

图5 过表达GmFER1提高大豆对根腐病的抗性

5. GmFER1基因的Hap2单倍型具有显著的多效性育种价值

GmFER1的自然变异（特别是Hap2单倍型）具有重要的农业应用价值，其通过增强启动子活性显著提高大豆的耐盐性和抗病性，同时增加豆荚数、百粒重和单株产量，并提升油脂及异黄酮含量。该变异在中国东北盐碱地区表现突出，可作为分子标记用于耐盐抗病高产品种的精准选育，并为其他作物的抗逆改良提供参考。该单倍型可作为功能性分子标记用于耐盐抗病高产品种的分子标记辅助选择，通过CRISPR/Cas9基因编辑技术或传统育种手段进行精准引入。这种"一因多效"的优异等位基因不仅为大豆遗传改良提供了新资源，其应用还可带来显著的生态经济效益：减少化学农药使用，提高中低产田（特别是盐碱地）生产力20-25%。该研究成果为作物抗逆高产育种提供了新的理论依据和技术途径，对促进农业可持续发展具有重要意义（图6）。

图6 GmFER1基因启动子的自然变异影响大豆的耐盐性

本研究创新性地揭示了大豆铁蛋白基因GmFER1通过"铁离子-抗氧化-离子稳态"协同调控网络实现抗逆增产的多重功能：首次阐明GmFER1通过促进Fe³⁺积累增强SOD/CAT酶活性的抗氧化新机制；发现其通过调控GmSOS1介导的Na⁺外排提升耐盐性；创制了兼具抗盐、抗病和高产的GmFER1过表达材料；鉴定出优势单倍型Hap2及其地理分布特征，为分子设计育种提供了新靶点。该研究突破了传统抗逆基因功能单一的局限，为多性状协同改良提供了新思路。

东北农业大学韩英鹏教授、李永光教授、赵雪教授和李海燕副教授为论文的通讯作者。已毕业博士生张沿政（现青岛农业大学，生命科学学院，讲师），东北农业大学硕士研究生刘书函、梁晓月为论文共同第一作者。东北农业大学战宇航高级实验师、滕卫丽研究员和硕士研究生郑己强、逯翔鹏、李海滨等也参与了研究工作。此外，江西农科院赵佳良也参与了部分研究工作。该研究得到了国家自然科学基金联合基金(U22A20473)，黑龙江省自然科学基金(LH2023C004, 2024ZXDXB54, TD2022C003, ZD2022C002)等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70102

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来源：村头树风