摘要：近日，Plant Biotechnology JouRNAl杂志在线发表了由东北农业大学韩英鹏课题组撰写的“Multi-omics analysis identified the GmUGT88A1 gene, which coordinately regul
近日，Plant Biotechnology JouRNAl杂志在线发表了由东北农业大学韩英鹏课题组撰写的“Multi-omics analysis identified the GmUGT88A1 gene, which coordinately regulates soybean resistance to cyst nematode and isoflavone content”论文。该工作通过论文揭示了编码葡糖糖基转移酶的GmUGT88A1基因协同调控大豆对SCN的抗性、异黄酮含量和粒重的分子网络。
大豆胞囊线虫（SCN，Heterodera glycines）是全球范围内对大豆造成严重危害的主要病原体，每年导致巨大的产量损失。大豆对SCN的抗性是一个复杂的数量性状，由少数主效基因（rhg1和Rhg4）和多个微效基因控制（Kofsky et al., 2021；Patil et al., 2019; Shaibu et al., 2020）。应对不断变化的SCN生理小种，持续挖掘与鉴定新的抗病基因用以培育抗病新品种对于全球大豆生产的可持续发展至关重要。研究表明，植物葡萄糖基转移酶可以将六种植物黄酮类物质糖基化为相应的糖苷，包括黄酮醇、黄烷醇、黄酮、花青素和异黄酮；也有研究指出异黄酮对SCN的存活有一定影响。大豆异黄酮中的大豆苷元、大豆苷、染料木黄酮、染料木苷、黄豆黄素和黄豆黄苷对SCN的卵孵化和J2期活动有一定的抑制作用（Chen et al., 2019；Xie, 2019；Wang et al., 2020b；Ma, 2020）。然而，大豆中葡萄糖基转移酶与大豆对SCN抗性是否存在直接关系尚不清楚。东北农业大学韩英鹏课题组通过全基因组关联分析（GWAS）和连锁分析发现大豆胞囊线虫病广谱抗病位点Rscn16，并鉴定了该位点关键基因为编码葡糖糖基转移酶的GmUGT88A1，进一步揭示了GmUGT88A1基因协同调控大豆对SCN的抗性、异黄酮含量和粒重的分子网络。具体结果如下：
1. Rscn16是介导大豆对胞囊线虫病的广谱抗性位点
研究者通过三个重组自交（RIL）群体结合不同大豆胞囊线虫病（SCN）生理型的抗性表型开展QTL定位工作，发现了区别于已知主效抗SCN位点rhg1和/或Rhg4的新抗病位点Rscn16。该位点对四种SCN生理型均具抗性，属于广谱抗病位点（图1a）。利用大豆种质资源群体开展GWAS分析进一步验证了该位点的存在（图1b）,利用超大F2分离群体，将该位点精细定位在8.4Kb区间内，发现候选基因GmUGT88A1（Glyma.16G175200），编码一种异黄酮7-O-葡萄糖转移酶（IF7GT）（图1c），为UDP-葡糖转移酶（UGT）家族的成员之一（Weng等，2019）。进一步研究发现该基因上游启动子区域的自然变异与大豆对SCN的抗性有关，同时影响该基因转录水平上响应SCN胁迫的表达模式（图1d-f），推断在GmUGT88A1启动子区域的自然变异可能影响相关转录因子与携带SNP的基序的结合，并导致不同单倍型携带者中GmUGT88A1转录丰度的差异。
图1 Rscn-16位点的定位和候选基因挖掘
2. 苯丙烷代谢通路参与大豆对胞囊线虫病的抗性
该研究利用转录组和代谢组分析新的抗病位点Rscn-16介导的SCN抗性相关代谢途径，发现携带Rscn-16的优异等位基因的品系在SCN胁迫下的差异基因被富集在异黄酮生物合成、类黄酮生物合成和苯丙素生物合成途径中，差异代谢物富集在异黄酮生物合成和类黄酮生物合成途径中，值得注意的是，异黄酮途径中，候选基因GmUGT88A1呈现抗感品系间的差异表达。GmUGT88A1基因编码一种含有UDPGT-box结构域的尿苷二磷酸葡糖醛酸转移酶（UGT）。UGTS的催化将与UDP连接的活性糖转移到受体上，如脂质、蛋白质和次生代谢产物，并调节其生物活性、溶解性和稳定性。GmUGT88A1可以通过糖基化促进异黄酮代谢途径。这进一步证实了候选基因GmUGT88A1的可靠性。推测异黄酮生物合成、类黄酮生物合成和苯丙素生物合成代谢途径可能在Rscn16控制的SCN抗性中发挥重要作用（图2）。
图2 苯丙烷代谢通路参与大豆SCN胁迫响应的假定模型
3. GmUGT88A1基因通过调控异黄酮含量参与大豆对胞囊线虫病的抗性
该研究利用基因过表达、RNA干扰和基因编辑构建候选基因GmUGT88A1的遗传转化材料，并进行SCN多个生理型的抗性鉴定，发现与受体材料“东农50”相比，过表达GmUGT88A1基因植株根系中胞囊数量显著降低，而RNAi植株根系中胞囊数量显著增加（图3a-d）。进一步测定上述材料的异黄酮苷元及糖苷含量发现，在SCN胁迫下，过表达根中异黄酮苷含量变化的趋势与三种异黄酮非糖苷的情况一致。相反，GmUGT88A1的RNA干扰植株在SCN处理和未处理根之间的糖苷含量存在显著差异，但水平仍低于野生型和未经处理的过表达植株根系（图3e-j）。此外，利用异黄酮苷元和异黄酮糖苷处理SCN的J2幼虫研究发现，异黄酮糖苷形式对J2幼虫的抑制作用更强。这些研究结果表明，GmUGT88A1过表达植株SCN的抗性增加，而GmUGT88A1的RNA干扰植株抗性降低，取决于异黄酮糖苷含量的变化。
图3 GmUGT88A1基因在调控大豆SCN抗性和异黄酮含量的功能研究
4. GmUGT88A1基因影响大豆籽粒大小和粒重
该研究在对抗SCN基因GmUGT88A1的转基因材料农艺性状调查时发现与野生型植物相比，GmUGT88A1过表达植株的种子大小、单株粒重和百粒重均显著增加。相反，GmUGT88A1基因RNA干扰植株则表现出相反的趋势（图4a-c）。进一步的转录组分析揭示了GmUGT88A1转基因植株和野生型植株之间调控大豆种子大小基因表达的差异。具体来说，正调控大豆种子大小的基因GmSWEET10b在GmUGT88A1过表达植株中显著上调，负调控大豆种子大小的基因GmFAD3C显著下调（图4d-e）。以上结果表明这些基因的表达模式改变可能有助于增加GmUGT88A1过表达植物的大豆种子重量。
图4 GmUGT88A1基因影响大豆种子大小和粒重的功能鉴定
5. GmMYB29与GmUGT88A1启动子互作激活异黄酮合成代谢通路继而增强大豆胞囊线虫病的抗性
该研究通过酵母单杂交实验发现了GmMYB29能够结合到GmUGT88A1基因的启动子（图5a）。随后，通过ChIP-seq实验分析了GmMYB29在基因组中的结合峰分布，发现GmUGT88A1基因是514个具有GmMYB29结合位点的基因之一。双荧光素酶活性检测进一步证实了GmMYB29与抗性品种中GmUGT88A1启动子区域的结合（图5b，c，f），其识别的（MYB）结合基序为[T (G) ATTCATC]（图5h）。结合区域包含一个MYB元素，在抗性和易感品种之间的−533bp位置有一个SNP。为了测试GmMYB29是否能直接结合到[T (G) ATTCATC]基序，使用EMSA分析GmMYB29与该SNP对应的两个等位基序TATTCATC和GATTCATC的结合情况。两个探针的迁移表明GmMYB29可以直接结合到TATTCATC和GATTCATC，且GmMYB29与TATTCATC基序的特异结合比GATTCATC基序更强（图5i）。
图5 GmMYB29与GmUGT88A1启动子之间的结合
总结该研究的实验结果：在基因敲除和过表达植株中检测到了GmMYB29和GmUGT88A1的协同表达关系，进一步地，GmMYB29能够结合到GmUGT88A1基因的启动子上，不同单体型的启动子结合力有所不同。同时，GmMYB29表达的上调增强了IFS2和CHI8的表达，导致异黄酮含量增加（Chu等，2017）。在SCN胁迫后，抗性大豆中GmMYB29基因表达的增加促进了异黄酮糖苷合成，而GmUGT88A1基因表达的增加促进了异黄酮糖苷合成，从而快速累积抑制SCN的异黄酮糖苷，赋予抗性。相反，在易感SCN大豆中，GmMYB29对GmUGT88A1的诱导较弱，致使异黄酮苷积累减少，导致了易感品种中异黄酮代谢流重定向的缺陷以及对SCN HG type 0胁迫的耐受性降低（图6）。综上， GmMYB29和GmUGT88A1在SCN抗性以及异黄酮合成和代谢中存在密切的分子互作关系。
图6 GmUGT88A1在SCN HG type 0胁迫下的作用模型
该研究从抗SCN的高异黄酮大豆种质东农L-10中发现主效抗病位点，通过精细定位和基因功能研究发现编码异黄酮-7-O-葡糖糖基转移酶的GmUGT88A1基因为该位点的关键基因，并系统解析了GmUGT88A1基因所在分子网络GmMYB29-GmCHS8/GmIFS2-GmUGT88A1的作用机制，该分子模块在大豆异黄酮、抗病性和产量的协同改良方面具有广阔的应用前景。
东北农业大学农学院毕业博士研究生姜海鹏、在读博士研究生曲硕和在读硕士生刘芳为论文共同第一作者，东北农业大学韩英鹏教授、李永光教授和赵雪教授为该研究工作的共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14586
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来源：科学奇楼馆
