陕西
盐碱和低温胁迫是限制全球农业生产的重要环境因子。盐碱化不仅破坏土壤结构、影响作物水分吸收和离子稳态，还会抑制光合作用并诱导氧化损伤。而在我国东北、西北等中高纬度地区，盐碱地种植的作物常常还会遭遇低温胁迫，形成盐碱与低温的交叉胁迫。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是多年生豆科植物，因其蛋白质含量高、适应性广，被誉为“牧草之王”。解析紫花苜蓿响应盐碱与低温交叉胁迫的机制，对于培育耐盐碱、抗寒优质牧草品种，开发利用盐碱地具有重要意义。
近日，哈尔滨师范大学郭长虹教授团队在Plant, Cell & Environment发表了题为ABA accumulation confers cross-adaptation to saline-alkali and cold stresses in alfalfa的研究论文，该研究阐明了紫花苜蓿通过MsNCED3介导ABA积累，激活ABA信号通路及黄酮生物合成、碳水化合物代谢相关途径，从而增强渗透调节能力、维持光合效率并减轻氧化损伤，响应盐碱与低温交叉胁迫的机制。
研究发现，紫花苜蓿在单一低温胁迫下会严重萎蔫、倒伏，显著抑制植株生长；而经过盐碱预处理后再遭遇低温胁迫的植株表型损伤明显减轻，恢复后可保持较好的生长状态。进一步分析表明，盐碱预处理能够增强渗透调节能力，降低ROS积累和膜脂过氧化损伤，并维持光合系统和叶绿体结构稳定。
单一胁迫、交叉胁迫与同时胁迫对紫花苜蓿表型、生物量、光合荧光参数和叶绿体超微结构的影响
代谢组分析显示，紫花苜蓿在盐碱与低温交叉胁迫下形成了区别于单一胁迫的响应模式。交叉胁迫显著富集植物激素信号转导、黄酮生物合成和碳代谢等通路，并促进果糖、蔗糖、海藻糖、葡萄糖、棉子糖等可溶性糖大量积累，提示糖类和黄酮类物质可能参与交叉适应过程。进一步基于转录组数据的加权基因共表达网络分析（WGCNA）发现，MEbrown模块与交叉胁迫处理及渗透调节相关生理指标显著相关，其中ABA生物合成关键基因MsNCED3具有最高连接权重，被鉴定为核心调控基因。
研究进一步发现，交叉胁迫显著诱导ABA生物合成相关基因表达，并促进内源ABA大量积累。其中，MsNCED1、MsNCED2和MsNCED3在交叉胁迫下表达水平显著升高，同时ABA受体基因和下游信号转导基因也被显著激活，说明ABA可能对紫花苜蓿产生盐碱与低温交叉适应具有重要作用。
植物激素生物合成途径相关的基因表达水平以及ABA信号转导途径基因表达的可视化
构建了MsNCED3过表达紫花苜蓿材料，并对其进行低温胁迫处理。结果显示，MsNCED3过表达植株较野生型表现出更强的耐冷性，低温下倒伏和萎蔫程度明显减轻，MDA、H2O2和O2-含量显著降低。同时，过表达植株具有更高的NCED酶活性和ABA含量，证明MsNCED3可通过促进ABA合成增强紫花苜蓿耐冷能力。
综合生理、代谢组、转录组和基因功能验证结果，提出了紫花苜蓿响应盐碱与低温交叉胁迫的模型：交叉胁迫处理诱导MsNCED3等ABA生物合成途径编码基因显著表达并促进ABA积累，进一步激活ABA信号通路、黄酮生物合成和碳水化合物代谢，促进抗氧化物质和渗透调节物质积累，从而维持光合系统稳定、减轻低温损伤，最终增强紫花苜蓿对后续低温胁迫的适应能力。
紫花苜蓿响应盐碱与低温交叉胁迫的机制模型
哈尔滨师范大学生命科学与技术学院青年教师刘磊与硕士研究生冯梦妮为该论文共同第一作者，郭长虹教授为该论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1111/pce.70603
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