紫花苜蓿非生物胁迫应答分子机制

　　摘要紫花苜蓿(MedicagoSativaL.)是一种全球性广泛栽培的牧草，被誉为“牧草之王”，为畜牧业的发展提供了优质的饲草，然而受生物和非生物胁迫，苜蓿的产量和品质均受到严重影响。目前对苜蓿在非生物胁迫下调控机理的研究已成为热点，本研究综述了近年来紫花苜蓿在盐碱、淹水、干旱、低温和重金属胁迫下响应的分子机理方面的研究进展，这些结果对深入研究紫花苜蓿的抗逆分子遗传机理，选育抗逆性强的紫花苜蓿品种有一定的参考价值。

　　关键词苜蓿;非生物胁迫;分子机理

　　紫花苜蓿(MedicagosativaL.)(以下简称苜蓿)是一种全球性栽培的豆科苜蓿属多年生草本植物，不仅产量高，而且草质优良，适口性好，素有“牧草之王”的美称。苜蓿不仅是优质饲料，也可直接放牧，还能有效提高土壤肥力，常被用于土壤的生物修复。此外，苜蓿的深层根系发达，还有防止旱地水土流失的作用，对建设和保护生态环境具有重要的意义。

　　生态方向评职知识：生态环境科学课题指南

　　1苜蓿应对盐碱胁迫

　　随着土壤盐碱化的面积增加，盐碱化已成为影响牧草生长的重要因素之一。苜蓿对盐胁迫响应的途径主要有提高抗氧化能力，维持渗透调节和钠钾离子平衡;维持细胞膜结构和功能的稳定性;提高光合作用等(赵霞和叶林,2017)。

　　1.1苜蓿中参与盐碱胁迫应答的蛋白

　　目前，已报道苜蓿9个基因参与盐碱胁迫应答。其中苜蓿的MsPOD(Tengetal.,2016)、MsGME(Maet al.,2014)、MsRCI2A(Longetal.,2015)、MsLEA4-4(Jiaetal.,2020)在拟南芥中过表达，提高了拟南芥抗氧化能力、减轻了丙二醛MDA引起的膜脂过氧化损伤，提升了耐盐性。

　　苜蓿MsPP2CA1在拟南芥中过表达则上调胁迫诱导相关基因MYB15、DREB2a(Dehydrationresponsiveelement-bindingprotein2a)、RD22(Responsivetodehydration22)、ABF2(ABREbindingfactors2)、ABF3和ABF4的表达，从而提高拟南芥的耐盐性(Dongetal.,2019)。苜蓿的MsHSP23(Heatshockprotein23)(Leeetal.,2012)和MsLEA3-1(Baietal.,2012)在烟草中过表达，减少烟草细胞电解质渗漏、保护膜的稳定性，提高了烟草耐盐性。MsCBL4在烟草中的过表达通过调节根中钙的积累来提高其对盐碱胁迫的耐性(Anetal.,2020)。MsZEP过表达的苜蓿在盐胁迫下表现出较高脯氨酸含量、可溶性糖含量、SOD活性和较低的MDA含量来应对盐碱胁迫，并通过异源表达提高转基因烟草内源ABA水平，使苜蓿具有更高的耐旱性(Zhangetal.,2016b)。

　　大豆、水稻、小麦等物种中的一些抗性相关基因在苜蓿中过量表达也提高了苜蓿的耐盐碱性。比如在苜蓿中过表达大豆的GsPPCK3、GsPPCK3-SCMRP(Sunetal.,2014)、GsGSTU13和GsGSTU13/SCMRP(Jiaetal.,2016)降低了苜蓿的MDA含量、H2O2积累，从而减少对细胞膜的损伤，提高苜蓿的耐盐性(Jiaetal.,2016)。水稻OsAPx2(Guanetal.,2012)、甘薯IbOr(Wangetal.,2015)在苜蓿中过表达则通过提高了细胞膜的抗氧化能力提高了苜蓿的耐盐性。小麦TaNHX2(Zhangetal.,2015)在苜蓿中过表达通过降低质膜去极化，降低钾离子外流提升苜蓿的耐盐性。

　　1.2苜蓿中参与盐碱胁迫应答的转录因子转录因子感受外界环境，并与基因的特定调控位点相互作用，从而调节特定基因的表达。与胁迫相关基因的表达在很大程度上是由特定的转录因子调控的。已报道苜蓿中参与盐碱胁迫应答的重要的转录因子家族包括WRKY、MYB、bZIP和ERF。

　　WRKY转录因子是盐胁迫下植物应答重要的多基因家族转录因子之一。在盐胁迫下，苜蓿的WRKY家族中有12个基因MsWRKY1~12参与应答。NaCl处理苜蓿后，MsWRKY4/5/7在盐胁迫早期表达，而MsWRKY1/8在盐胁迫后期才开始表达。MsWRKY11(表1)的表达量在盐碱、低温和干旱胁迫下明显增加，提高了苜蓿叶绿素、脯氨酸、可溶性糖、SOD和CAT的含量，降低相对电导率和丙二醛、H2O2和O2-的含量(Dongetal.,2018;Wangetal.,2018)。

　　2苜蓿应对淹水胁迫

　　淹水胁迫降低植物的光合作用，同时增加叶片电解质渗漏(EL)和MDA含量，抑制植物的有氧呼吸。苜蓿易受降雨过多和灌溉过多引起的内涝的影响。在淹水胁迫下，苜蓿内碳水化合物和氨基酸代谢相关的途径被激活(Zengetal.,2019)，乙烯含量显著增加。乙烯会降低光合作用，抑制苜蓿生长，叶片衰老、脱落。ERF在植物发育和应对胁迫中起着至关重要的作用(Chenetal.,2012)。ERF亚家族蛋白基因(SUB1A,SUB1B和SUB1C)中的SUB1A-1抑制乙烯的合成，减少赤霉素GA合成;ERF061基因在淹水胁迫敏感品种中表达上调，而ERF110基因在抗涝品种和敏感品种中的表达不同(Zengetal.,2019)。

　　紫花苜蓿在淹水胁迫中，通过调控褪黑激素(MT)、多胺(PAS)的合成，降低乙烯合成，减轻淹水对苜蓿造成的伤害(Cenetal.,2020;Nanetal.,2018)。CBL及其相互作用蛋白激酶(CIPKs)参与淹水胁迫信号转导(Bastistic)，CIPK15(表2)介导的钙信号在苜蓿渍水胁迫中起着重要作用。两个Cipk基因(Cluster-1252.49669,Cluster-1252.47248)在耐涝品种中有明显的诱导表达。淹水胁迫还会导致ROS积累，导致膜脂过氧化。在淹水处理下，5个GST基因和1个GPX基因的转录本都有明显的诱导作用，GST基因和GPX基因(表2)可能在应对淹水胁迫中起重要作用(Zengetal.,2019)。

　　3苜蓿应对干旱胁迫

　　干旱是影响植物生长发育的重要自然因素之一。长期干旱显著降低了苜蓿的光合能力，抑制苜蓿生长，并且导致ROS积累、蒸腾缺水，破坏细胞结构，渗透调节失衡等。随着干旱时间的延长，耐旱的苜蓿品种陇中中表现出MsGPX，MsMDHAR、MtDHAR和MsGR基因的最高表达水平，它们主要参与AsA-GSH循环，维持细胞内ROS的产生和清除之间的平衡，对植物细胞在干旱诱导的氧化胁迫下生存具有重要作用(Zhangetal.,2019)。

　　在紫花苜蓿中过表达无芒隐子草(Cleistogenessongorica)的脱水蛋白CsLEA，苜蓿植株中具有较高的含水量(Zhangetal.,2016a)。在苜蓿中过表达拟南芥AtEDT1，苜蓿植株抗旱性增强，干旱响应基因MsHSP23、MsCOR47(Cold-resist47)和MsRD2以及编码脯氨酸合成中的关键酶基因MsP5CS表达量上调，枝条生物量增加，渗透胁迫损伤降低(Zhengetal.,2017)。

　　过量表达野生大豆GsZFP1基因的紫花苜蓿，提高了游离脯氨酸和可溶性糖含量以及MtCOR47、MtRAB18、MtP5CS和MtRD2等逆境标记基因的表达，有助于提高转基因紫花苜蓿的耐盐性和抗旱性(Tangetal.,2013)。miR156也参与苜蓿耐旱性的调控。SPL13和PP2C是干旱胁迫下的负调控因子，miR156至少部分通过沉默SPL13，直接或间接通过SPL13降低PP2C在胁迫条件下的表达，提高苜蓿的抗旱性(Arshadetal.,2017)。miR156也可通过靶向沉默WD40-2从而提高苜蓿的耐旱性(Muhammadetal.,2018)。

　　4苜蓿应对低温胁迫低温胁迫下，植物代谢紊乱，植物通过形成多种机制与应对途径以最大限度减少低温的负面影响，比如通过增加ROS含量增加氧化应激水平(Zhengetal.,2015);诱导脯氨酸、可溶性糖含量和冷诱导应激蛋白表达，还可以发出作为信号调节应激相关基因的表达(Janskaetal.,2010;Reyesetal.,2013;Gehanetal.,2015)。

　　5苜蓿应对重金属胁迫土壤中含有重金属离子，威胁植物生长。植物通过与细菌和/或菌根真菌建立共生、限制水(和金属)吸收以及根际的络合或固定等、细胞内有机配体与金属离子的络合和解毒等机制，提高对重金属胁迫的耐受性(Hossainetal.,2012;Choudhuryetal.,2016)。

　　6讨论与结论目前，苜蓿遭受各种非生物胁迫时，各种生理代谢活动都会受到影响。近些年，研究人员对苜蓿在单一胁迫下的分子机制进行了研究，主要为通过各种技术手段筛选抗逆相关基因，通过转基因技术分析初步其生理生化功能。但更具体应答分子机制和作用机理尚不清楚，需要进一步的探索。建议利用分子技术、表观遗传学和生物信息学等手段，深入研究苜蓿应对盐碱、淹水、干旱、低温、重金属等多个方面胁迫的分子遗传机理，将对选育抗逆性强的苜蓿品种有一定的参考价值，为改善土壤环境提供理论基础，同时有助于挖掘豆科植物非生物胁迫应答的潜在基因。

　　参考文献：

　　AnY.M.,YangX.X.,ZhangL.S.,andGuoC.,2020,AlfalfaMsCBL4enhancescalciummetabolismbutnotsodiumtransportintransgenictobaccoundersaltandsaline–alkalistress,PlantCellRep.,39(1):1-15.

　　ArshadM.,FeyissaB.A.,AmyotL.,AungB.,andHannoufaA.,2017,MicroRNA156improvesdroughtstresstoleranceinalfalfa(Medicagosativa)bysilencingSPL13,PlantSci.,258:122-136.

　　BaiY.Q.,YangQ.C.,KangJ.M.,SunY.,GruberM.,andChaoY.H.,2012,IsolationandfunctionalcharacterizationofaMedicagosativaL.gene,MsLEA3-1,Mol.Biol.Rep.,39(3):2883-2892.

　　作者：张莫凡孙思语孙佳尼陈晶闫海芳