大豆是我国的重要农作物之一，但是它的产量却受到了严重的威胁。大豆胞囊线虫 (soybean cyst nematode，SCN)病是一种常见的病害，每年都会导致数十亿美元的损失。为了控制这种病害，必须研究大豆的抗病基因及其机制。新的抗性基因亟待开发，同时，抗线虫的分子机理也仍未明确。沈阳农业大学植物保护学院植物线虫团队在Molecular Plant-Microbe Interactions发表了题为《Overexpression of GmPAL genes enhance soybean resistance against Heterodera glycines》的研究论文。这项研究的创新点在于，它发现了GmPAL基因介导的大豆对胞囊线虫的抗性机制。还发现了两种异黄酮类化合物对大豆抗胞囊线虫病的影响。通过探究 GmPAL 基因和代谢物对抗性的影响，既可解析大豆抗线虫的分子机理，也能为分子育种提供新的理论支撑。
根据实验室前期发表的数据，从灰皮支黑豆的转录组数据中筛选出差异表达的 GmPAL 基因，研究发现抗性品种灰皮支（HPZ）黑豆中GmPAL基因的表达受到胞囊线虫的强烈诱导。
图1 GmPAL 基因在灰皮支黑豆中的表达量
PAL是苯丙烷代谢的限速酶，它对生物或非生物胁迫产生反应。通过PAL抑制剂L-α-（氨氧基）-β-苯丙酸（L-AOPP）处理大豆的根部，可以明显地抑制大豆对胞囊线虫的抗性。
图2 抑制 PAL 对根中线虫总量及发育的影响
为进一步研究GmPAL 基因的功能，在转基因根中过表达八个GmPAL基因，研究发现GmPAL可以降低大豆根中对胞囊线虫的总数和发育率，从而增强大豆对胞囊线虫的抗性。
图3 过表达 GmPAL 基因对线虫侵染总量和发育的影响
前文验证了过表达 GmPAL 提高了大豆对大豆胞囊线虫的抗性，PAL 蛋白可能与苯丙素生物合成途径的其他酶关联，通过调节下游化合物合成影响抗性，但除大豆抗毒素外的其他化合物仍未见报道。基于 PAL 蛋白的催化功能推测，GmPAL 基因可能通过影响下游代谢物实现对抗性的调节，因此使用类靶代谢组的方法检测过表达 GmPAL 基因的毛状根中苯丙素、黄酮、类黄酮和异黄酮化合物的含量变化，以解析过表达 GmPAL 基因调节抗性的机理，并筛选具有抗性潜力的化合物。
图4 过表达 GmPAL 对苯丙素及聚酮化合物含量的影响
图5 过表达 GmPAL 对类黄酮和异黄酮含量的影响
黄豆苷元（Daidzein）和染料木素（Genistein）是自代谢组中筛选出的抗性相关代谢物。借助叶柄灌注法我们验证了二者对抗性的调节功能。发现二者可在体内增强大豆对大豆胞囊线虫的抗性，表明 GmPAL 通过影响异黄酮含量调节大豆对胞囊线虫抗性在自然界中可能较为普遍。
以上研究结果有助于我们更好地理解大豆的抗性机制，并为控制大豆胞囊线虫病提供了新的思路。这项研究有着重要的应用潜力，可以为大豆产业的发展提供有力的支持。
植物保护学院博士研究生杨晓文为第一作者，朱晓峰教授为论文通讯作者，博士生刘婷、杨若巍，段玉玺教授、陈立杰教授、玄元虎教授、刘晓宇教授、范海燕副教授和王媛媛参与了本研究。该研究得到了重点研发计划、国家自然科学基金、国家寄生虫资源库、国家现代农业产业技术体系资助和沈阳市科技局种业产业创新工程项目的资助。
原文链接：
https://apsjournals.apsnet.org/doi/10.1094/MPMI-09-23-0151-R
