大豆基因GmSP1L-8通过增强ROS（活性氧）清除系统来提高耐盐性

《Plant Science》：The soybean gene GmSP1L-8 improves salt tolerance through the enhancement of the ROS scavenging system.

　　

牟慧冰|姜双乔|郑向敏|刘晓红|李卓|荀佳宁|赵凯|冯鲜忠|翟宏|白曦

中国东北农业大学生命科学学院，哈尔滨150030

摘要

微管相关蛋白（MAPs）是调控植物应激反应的关键因子。尽管盐胁迫诱导的微管动态变化已被广泛观察到，但特定的微管相关因子如何协调调节植物的耐盐性仍有待进一步阐明。在本研究中，通过对大豆（Glycine max）中GmSP1L基因家族的全基因组识别和表达分析，我们筛选并鉴定了一个在盐胁迫下显著上调的蛋白GmSP1L-8。亚细胞定位分析显示GmSP1L-8同时定位于细胞核和细胞质中；值得注意的是，它在细胞质中显示出独特的纤维状结构，这是细胞骨架相关蛋白的典型特征。功能验证表明，在Saccharomyces cerevisiae和过表达GmSP1L-8的大豆植物中，GmSP1L-8能够提高耐盐性。生理分析结果显示，过表达株系的活性氧（ROS）水平较低，相对电导率和丙二醛（MDA）含量显著降低，有效保持了细胞膜的完整性并减轻了膜脂质的氧化。为了探究其作用机制，我们构建并筛选了大豆酵母双杂合文库，发现GmHMGR4（甲羟戊二酸（MVA）途径中的关键限速酶）是GmSP1L-8的直接相互作用伙伴。点对点Y2H实验、双分子荧光互补（BiFC）和分子对接模拟进一步证实了这两种蛋白质之间的物理结合。体外生化实验表明GmSP1L-8以剂量依赖的方式显著增强了GmHMGR4的酶活性，从而激活了下游的ROS清除系统。此外，实验观察发现，在盐胁迫下GmSP1L-8呈现出类似微管聚集的纤维状结构，说明它可能通过维持微管细胞骨架稳定性和增强代谢酶活性两种途径参与调节。总之，本研究揭示了大豆中GmSP1L-8介导的新的耐盐机制，为理解细胞骨架与代谢适应之间的潜在协同作用提供了新视角，并为大豆的抗逆分子育种提供了一个重要的候选靶点。

引言

大豆（Glycine max (L.) Merr.) 是全球最重要的经济作物之一，是植物蛋白和食用油的主要来源（Schmutz et al., 2010）。然而，全球农业生产日益受到土壤盐碱化的威胁，约20%的耕地和33%的灌溉地受到影响（Shrivastava & Kumar, 2015）。大豆被归类为中等耐盐作物；高盐度会严重抑制其发芽、营养生长和生殖发育，导致产量大幅下降（Zhu, 2016, Zhu, 2002）。因此，鉴定新的耐盐基因并阐明其分子机制是确保大豆粮食安全的重要任务。

植物细胞骨架的动态重排与环境适应能力密切相关（Dou et al., 2018, Zhang et al. n.d.）。微管作为高度动态的细胞内网络（Delesalle et al., 2025），在植物对盐胁迫的响应中起着关键作用（Liu et al., 2024, Ma et al., 2022）。研究表明，盐胁迫会触发皮层微管的快速解聚，随后重新组装成新的网络结构。这种动态变化直接决定了植物的存活率（Li et al., 2017）。微管相关蛋白（MAPs）作为微管稳定性和组织的调节因子，在这一过程中起着关键作用。例如，在盐胁迫下，MAP 65-1与磷脂酸（PA）结合以增强微管稳定性（Zhang et al., 2012, Smertenko et al., 2004, Mao et al., 2005），而纤维素合成酶伴侣蛋白COMPANION OF CELLULOSE SYNTHASE1/CELLULOSE SYNTHASE2（CC1/CC2）通过促进微管重组来响应胁迫（Kesten et al., 2019）。这些发现证实，MAPs能够感知高盐信号并通过调节微管动态来提高植物的适应性。

SPIRAL1-LIKE（SP1L）是一类植物特有的微管相关蛋白。传统的经典理论认为SP1L家族成员（如Arabidopsis SPR1）主要在蛋白质水平上响应胁迫。具体来说，在盐胁迫下，它们通过26S蛋白酶体途径加速降解，促进微管解聚和网络重建以增强存活能力（Wang et al., 2011）。此外，SPR1还作为OPEN STOMATA 1（OST1）的磷酸化底物，在干旱胁迫下参与气孔调节（Wang et al., 2023a）。然而，与上述“蛋白质降解模型”相反，现有数据表明大豆中的SP1L基因在盐胁迫下表现出显著的转录诱导（Yu et al., 2023）。这表明大豆中的SP1L基因可能具有依赖于转录调控的新型耐盐机制，而不仅仅是被动降解。目前，SP1L家族如何在转录水平上参与耐盐信号转导仍不清楚。

因此，本研究旨在阐明大豆SP1L基因在盐胁迫下的转录响应特性和分子机制，重点关注GmSP1L-8。

节选

GmSP1L基因在NaCl处理下的表达分析

SP1L基因家族编码在植物各向异性细胞生长和非生物胁迫抗性中起关键作用的微管相关蛋白。先前的研究已经确定了大豆SP1L基因家族的八个成员（Yu et al., 2023）。盐处理浓度设定为175 mM NaCl，这是基于我们实验室为大豆品种‘东农50’优化的实验框架。进行了包括多种浓度的初步梯度试验

讨论

本研究鉴定并功能表征了大豆中的新耐盐基因GmSP1L-8，阐明了其在非生物胁迫适应中的关键作用。通过对大豆SP1L家族八个成员的系统性分析，我们观察到了它们在盐胁迫下的不同响应模式。以往关于微管相关蛋白（MAPs）耐盐机制的研究主要集中在蛋白质水平上的调控——尤其是其加速降解过程

植物和生长条件

在本研究中，使用东农50栽培大豆品种来分析GmSP1L基因在非生物胁迫下的表达模式。种子在温室育苗盆中培养，光照/黑暗周期为16小时/8小时，昼夜温度为28/20°C，相对湿度为60%。对于盐胁迫处理，大豆幼苗用175 mM NaCl溶液灌溉。

统计分析

在表型评估中，每个样本至少分析了六株个体植物，具体数量（n）在图例中给出。对于表达分析，至少进行了三次生物学重复实验。显著性分析使用GraphPad Prism 9的单因素ANOVA和Tukey多重比较检验或Student's t-检验进行。

所有作者均声明无利益冲突。

资助

本工作得到了中国生物育种——国家重点科技项目（2023ZD040360301）、东北地理与农业生态研究所青年科学家团队项目（2022QNXZ05）、黑龙江省重点研发计划创新基地项目（JD24A011）以及黑龙江省自然科学基金（ZL2024C006）的支持。

CRediT作者贡献声明

翟宏：写作 – 审稿与编辑，监督，方法设计，资金争取，概念提出。荀佳宁：写作 – 审稿与编辑，验证，实验研究。李卓：写作 – 审稿与编辑，可视化，验证，实验研究。冯鲜忠：写作 – 审稿与编辑，监督，方法设计，实验研究。赵凯：写作 – 审稿与编辑，验证，实验研究。姜双乔：写作 – 审稿与编辑，监督。牟慧冰：写作 – 审稿与编辑，