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JIPB丨河南农业大学揭示大豆细胞色素P450家族基因GmSUR2a通过调控生长素稳态增强大豆耐淹性并协同提高产量

2026-11-05 20:26:18

洪水是全球范围内影响农业生产的重要非生物胁迫之一, 约12%的全球耕地受其影响, 导致作物减产40%–80% (Zhou et al. 2021; Toulotte et al. 2022)。大豆 [Glycine max (L.) Merr.] 作为重要的粮油作物, 对淹水胁迫敏感。在实际生产中, 雨热同季往往使大豆容易遭受洪水胁迫的威胁。在大豆苗期、花期、结荚期等关键生育阶段遭遇淹水, 会显著抑制植株生长, 导致产量损失20%–50%, 甚至绝收 (Mustafa and Komatsu 2014; Xu et al. 2025)。目前, 大豆对淹水胁迫响应的分子机制研究较少, 可用于耐淹遗传改良的基因资源十分有限。因此, 挖掘耐淹基因、解析其调控机制, 对保障大豆安全生产至关重要。

近日, JIPB在线发表了河南农业大学农学院/国家 (河南) 粮食作物协同创新中心矫永庆研究员课题组题为“A cytochrome P450 gene, GmSUR2^a, confers submergence tolerance and improves yield in soybean by modulating auxin homeostasis”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70299)。该研究鉴定到一个位于大豆03号染色体已报道耐涝QTL (Ye et al. 2018) 区间内的细胞色素P450家族基因GmSUR2^a, 揭示了其通过降低体内生长素 (IAA) 水平正向调控大豆耐淹性, 且过表达该基因可在田间条件下同步提升大豆产量, 为耐淹高产大豆分子设计育种提供了新靶标。

研究团队通过大豆与拟南芥双系统研究发现, 细胞色素P450家族基因GmSUR2^a与其拟南芥同源基因AtSUR2功能保守, 均能通过调节IAA稳态正向调控植物的耐淹性。功能验证表明, 大豆GmSUR2^a过表达株系在温室和田间淹水处理后存活率均显著高于对照, 叶片叶绿素含量更高、MDA积累更少, 耐淹表型稳定。机制解析显示, GmSUR2^a与AtSUR2在调控生长素稳态方面功能保守: 过表达株系体内IAA含量显著降低, 生长素响应基因表达同步下调; 外源施加IAA会降低大豆与拟南芥的耐淹性, 而生长素信号抑制剂处理则显著提升大豆与拟南芥的耐淹性, 证明生长素负调控大豆与拟南芥耐淹性。最具应用价值的是, 2023和2024年田间试验显示, GmSUR2^a过表达大豆的单株分枝数、荚数、粒数均显著增加, 单株产量显著提升, 且株高与百粒重均无显著变化, 未出现产量代偿效应 (图1)。

图1 GmSUR2^a表型与响应机制验证

团队进一步筛选到直接抑制GmSUR2^a表达的MADS-box转录因子GmAGL15, 其通过结合GmSUR2^a启动子区的ABRE-motif元件抑制转录。过表达GmAGL15的大豆表现为GmSUR2^a表达下调、IAA含量升高、耐淹性下降, 从而完善了上游调控通路 (图1), 形成“GmAGL15–GmSUR2^a–IAA”调控模块 (图2)。

图2 GmSUR2^a调控模型

该研究打破了“不定根越多耐淹性越强”的传统认知, 阐明生长素在淹水胁迫中的负调控作用, 首次将03号染色体耐涝QTL与功能基因直接关联, 为大豆抗逆改良提供了兼具耐淹与增产效应的优质基因资源。

河南农业大学博士研究生陈扬扬和已毕业硕士研究生冯平章为共同第一作者, 矫永庆研究员和熊二辉教授为共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金 (32172418、32572307、U24A20394)、河南省自然科学基金 (262300421267、262300421127)、河南省科技研发联合基金 (222301420028、232102111099、222102110106)、河南省科技重大专项 (221100110300) 和河南农业大学高水平人才启动经费等资助。

参考文献：

Mustafa, G., Komatsu, S.(2014). Quantitative proteomics reveals the effect of protein glycosylation in soybean root under flooding stress. Front. Plant Sci. 5:627.

Toulotte, J., Pantazopoulou, C., Sanclemente, A., Voesenek, L., Sasidharan, R.(2022). Water stress resilient cereal crops: Lessons from wild relatives. J. Integr. Plant Biol. 64:412-430.

Xu, M., Zuo, H., He, M., Yang, Y., Zhang, L., Zhai, X., Hu, D., Lu, H., Chu, S., Wang, J., et al.(2025). Functional analysis of GmMATE gene family in soybean phosphorus homeostasis and abiotic stress resilience. Plant Sci. 359:112622.

Ye, H., Song, L., Chen, H., Valliyodan, B., Cheng, P., Ali, L., Vuong, T., Wu, C., Orlowski, J., Buckley, B., et al.(2018). A major natural genetic variation associated with root system architecture and plasticity improves waterlogging tolerance and yield in soybean. Plant Cell Environ. 41:2169-2182.

Zhou, J., Tian, L., Wang, S., Li, H., Zhao, Y., Zhang, M., Wang, X., An, P., Li, C.(2021b). Ovary abortion induced by combined waterlogging and shading stress at the flowering stage involves amino acids and flavonoid metabolism in maize. Front. Plant Sci. 12: 778717.

文章引用：

Chen, Y., Feng, P., Zheng, M., Zhao, L., Li, Y., Jing, Y., Wang, Y., Zhang, B., Liu, C., Wei, C., et al. (2026). A cytochrome P450 gene, GmSUR2^a, confers submergence tolerance and improves yield in soybean by modulating auxin homeostasis. J. Integr. Plant Biol.https://doi.org/10.1111/jipb.70299

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