摘要紫花苜蓿(MedicagoSativaL.)是一種全球性廣泛栽培的牧草，被譽為“牧草之王”，為畜牧業的發展提供了優質的飼草，然而受生物和非生物脅迫，苜蓿的產量和品質均受到嚴重影響。目前對苜蓿在非生物脅迫下調控機理的研究已成為熱點，本研究綜述了近年來紫花苜蓿在鹽堿、淹水、干旱、低溫和重金屬脅迫下響應的分子機理方面的研究進展，這些結果對深入研究紫花苜蓿的抗逆分子遺傳機理，選育抗逆性強的紫花苜蓿品種有一定的參考價值。

　　關鍵詞苜蓿;非生物脅迫;分子機理

　　紫花苜蓿(MedicagosativaL.)(以下簡稱苜蓿)是一種全球性栽培的豆科苜蓿屬多年生草本植物，不僅產量高，而且草質優良，適口性好，素有“牧草之王”的美稱。苜蓿不僅是優質飼料，也可直接放牧，還能有效提高土壤肥力，常被用于土壤的生物修復。此外，苜蓿的深層根系發達，還有防止旱地水土流失的作用，對建設和保護生態環境具有重要的意義。

　　生態方向評職知識：生態環境科學課題指南

　　1苜蓿應對鹽堿脅迫

　　隨著土壤鹽堿化的面積增加，鹽堿化已成為影響牧草生長的重要因素之一。苜蓿對鹽脅迫響應的途徑主要有提高抗氧化能力，維持滲透調節和鈉鉀離子平衡;維持細胞膜結構和功能的穩定性;提高光合作用等(趙霞和葉林,2017)。

　　1.1苜蓿中參與鹽堿脅迫應答的蛋白

　　目前，已報道苜蓿9個基因參與鹽堿脅迫應答。其中苜蓿的MsPOD(Tengetal.,2016)、MsGME(Maet al.,2014)、MsRCI2A(Longetal.,2015)、MsLEA4-4(Jiaetal.,2020)在擬南芥中過表達，提高了擬南芥抗氧化能力、減輕了丙二醛MDA引起的膜脂過氧化損傷，提升了耐鹽性。

　　苜蓿MsPP2CA1在擬南芥中過表達則上調脅迫誘導相關基因MYB15、DREB2a(Dehydrationresponsiveelement-bindingprotein2a)、RD22(Responsivetodehydration22)、ABF2(ABREbindingfactors2)、ABF3和ABF4的表達，從而提高擬南芥的耐鹽性(Dongetal.,2019)。苜蓿的MsHSP23(Heatshockprotein23)(Leeetal.,2012)和MsLEA3-1(Baietal.,2012)在煙草中過表達，減少煙草細胞電解質滲漏、保護膜的穩定性，提高了煙草耐鹽性。MsCBL4在煙草中的過表達通過調節根中鈣的積累來提高其對鹽堿脅迫的耐性(Anetal.,2020)。MsZEP過表達的苜蓿在鹽脅迫下表現出較高脯氨酸含量、可溶性糖含量、SOD活性和較低的MDA含量來應對鹽堿脅迫，并通過異源表達提高轉基因煙草內源ABA水平，使苜蓿具有更高的耐旱性(Zhangetal.,2016b)。

　　大豆、水稻、小麥等物種中的一些抗性相關基因在苜蓿中過量表達也提高了苜蓿的耐鹽堿性。比如在苜蓿中過表達大豆的GsPPCK3、GsPPCK3-SCMRP(Sunetal.,2014)、GsGSTU13和GsGSTU13/SCMRP(Jiaetal.,2016)降低了苜蓿的MDA含量、H2O2積累，從而減少對細胞膜的損傷，提高苜蓿的耐鹽性(Jiaetal.,2016)。水稻OsAPx2(Guanetal.,2012)、甘薯IbOr(Wangetal.,2015)在苜蓿中過表達則通過提高了細胞膜的抗氧化能力提高了苜蓿的耐鹽性。小麥TaNHX2(Zhangetal.,2015)在苜蓿中過表達通過降低質膜去極化，降低鉀離子外流提升苜蓿的耐鹽性。

　　1.2苜蓿中參與鹽堿脅迫應答的轉錄因子轉錄因子感受外界環境，并與基因的特定調控位點相互作用，從而調節特定基因的表達。與脅迫相關基因的表達在很大程度上是由特定的轉錄因子調控的。已報道苜蓿中參與鹽堿脅迫應答的重要的轉錄因子家族包括WRKY、MYB、bZIP和ERF。

　　WRKY轉錄因子是鹽脅迫下植物應答重要的多基因家族轉錄因子之一。在鹽脅迫下，苜蓿的WRKY家族中有12個基因MsWRKY1~12參與應答。NaCl處理苜蓿后，MsWRKY4/5/7在鹽脅迫早期表達，而MsWRKY1/8在鹽脅迫后期才開始表達。MsWRKY11(表1)的表達量在鹽堿、低溫和干旱脅迫下明顯增加，提高了苜蓿葉綠素、脯氨酸、可溶性糖、SOD和CAT的含量，降低相對電導率和丙二醛、H2O2和O2-的含量(Dongetal.,2018;Wangetal.,2018)。

　　2苜蓿應對淹水脅迫

　　淹水脅迫降低植物的光合作用，同時增加葉片電解質滲漏(EL)和MDA含量，抑制植物的有氧呼吸。苜蓿易受降雨過多和灌溉過多引起的內澇的影響。在淹水脅迫下，苜蓿內碳水化合物和氨基酸代謝相關的途徑被激活(Zengetal.,2019)，乙烯含量顯著增加。乙烯會降低光合作用，抑制苜蓿生長，葉片衰老、脫落。ERF在植物發育和應對脅迫中起著至關重要的作用(Chenetal.,2012)。ERF亞家族蛋白基因(SUB1A,SUB1B和SUB1C)中的SUB1A-1抑制乙烯的合成，減少赤霉素GA合成;ERF061基因在淹水脅迫敏感品種中表達上調，而ERF110基因在抗澇品種和敏感品種中的表達不同(Zengetal.,2019)。

　　紫花苜蓿在淹水脅迫中，通過調控褪黑激素(MT)、多胺(PAS)的合成，降低乙烯合成，減輕淹水對苜蓿造成的傷害(Cenetal.,2020;Nanetal.,2018)。CBL及其相互作用蛋白激酶(CIPKs)參與淹水脅迫信號轉導(Bastistic)，CIPK15(表2)介導的鈣信號在苜蓿漬水脅迫中起著重要作用。兩個Cipk基因(Cluster-1252.49669,Cluster-1252.47248)在耐澇品種中有明顯的誘導表達。淹水脅迫還會導致ROS積累，導致膜脂過氧化。在淹水處理下，5個GST基因和1個GPX基因的轉錄本都有明顯的誘導作用，GST基因和GPX基因(表2)可能在應對淹水脅迫中起重要作用(Zengetal.,2019)。

　　3苜蓿應對干旱脅迫

　　干旱是影響植物生長發育的重要自然因素之一。長期干旱顯著降低了苜蓿的光合能力，抑制苜蓿生長，并且導致ROS積累、蒸騰缺水，破壞細胞結構，滲透調節失衡等。隨著干旱時間的延長，耐旱的苜蓿品種隴中中表現出MsGPX，MsMDHAR、MtDHAR和MsGR基因的最高表達水平，它們主要參與AsA-GSH循環，維持細胞內ROS的產生和清除之間的平衡，對植物細胞在干旱誘導的氧化脅迫下生存具有重要作用(Zhangetal.,2019)。

　　在紫花苜蓿中過表達無芒隱子草(Cleistogenessongorica)的脫水蛋白CsLEA，苜蓿植株中具有較高的含水量(Zhangetal.,2016a)。在苜蓿中過表達擬南芥AtEDT1，苜蓿植株抗旱性增強，干旱響應基因MsHSP23、MsCOR47(Cold-resist47)和MsRD2以及編碼脯氨酸合成中的關鍵酶基因MsP5CS表達量上調，枝條生物量增加，滲透脅迫損傷降低(Zhengetal.,2017)。

　　過量表達野生大豆GsZFP1基因的紫花苜蓿，提高了游離脯氨酸和可溶性糖含量以及MtCOR47、MtRAB18、MtP5CS和MtRD2等逆境標記基因的表達，有助于提高轉基因紫花苜蓿的耐鹽性和抗旱性(Tangetal.,2013)。miR156也參與苜蓿耐旱性的調控。SPL13和PP2C是干旱脅迫下的負調控因子，miR156至少部分通過沉默SPL13，直接或間接通過SPL13降低PP2C在脅迫條件下的表達，提高苜蓿的抗旱性(Arshadetal.,2017)。miR156也可通過靶向沉默WD40-2從而提高苜蓿的耐旱性(Muhammadetal.,2018)。

　　4苜蓿應對低溫脅迫低溫脅迫下，植物代謝紊亂，植物通過形成多種機制與應對途徑以最大限度減少低溫的負面影響，比如通過增加ROS含量增加氧化應激水平(Zhengetal.,2015);誘導脯氨酸、可溶性糖含量和冷誘導應激蛋白表達，還可以發出作為信號調節應激相關基因的表達(Janskaetal.,2010;Reyesetal.,2013;Gehanetal.,2015)。

　　5苜蓿應對重金屬脅迫土壤中含有重金屬離子，威脅植物生長。植物通過與細菌和/或菌根真菌建立共生、限制水(和金屬)吸收以及根際的絡合或固定等、細胞內有機配體與金屬離子的絡合和解毒等機制，提高對重金屬脅迫的耐受性(Hossainetal.,2012;Choudhuryetal.,2016)。

　　6討論與結論目前，苜蓿遭受各種非生物脅迫時，各種生理代謝活動都會受到影響。近些年，研究人員對苜蓿在單一脅迫下的分子機制進行了研究，主要為通過各種技術手段篩選抗逆相關基因，通過轉基因技術分析初步其生理生化功能。但更具體應答分子機制和作用機理尚不清楚，需要進一步的探索。建議利用分子技術、表觀遺傳學和生物信息學等手段，深入研究苜蓿應對鹽堿、淹水、干旱、低溫、重金屬等多個方面脅迫的分子遺傳機理，將對選育抗逆性強的苜蓿品種有一定的參考價值，為改善土壤環境提供理論基礎，同時有助于挖掘豆科植物非生物脅迫應答的潛在基因。

　　參考文獻：

　　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：張莫凡孫思語孫佳尼陳晶閆海芳