權(quán)文利產(chǎn)祝龍

（1. 湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，孝感 432000；2. 中國科學(xué)院武漢植物園，武漢 430074）

紫花苜蓿抗旱機(jī)制研究進(jìn)展

權(quán)文利1產(chǎn)祝龍2

（1. 湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，孝感 432000；2. 中國科學(xué)院武漢植物園，武漢 430074）

紫花苜蓿是我國種植面積最大的人工牧草，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益。干旱是影響紫花苜蓿分布及產(chǎn)量的主要環(huán)境因子之一。土壤水分不足可導(dǎo)致紫花苜蓿的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定改變，從而使植株能夠更好地適應(yīng)脅迫環(huán)境。同時(shí)，苜蓿植株體內(nèi)可通過一系列生理生化反應(yīng)來減緩或降低干旱脅迫造成的損傷。近年來，人們對于紫花苜蓿轉(zhuǎn)基因植株的培育以及苜蓿自身脅迫相關(guān)基因的研究報(bào)道較多。主要對紫花苜蓿抗旱的形態(tài)、生理和分子機(jī)制等方面的研究結(jié)果進(jìn)行綜述和討論，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫導(dǎo)致紫花苜蓿植株體內(nèi)激素含量的變化，影響相應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子的活性，從而激活相應(yīng)的功能基因，引起體內(nèi)生理生化的變化。建議今后的研究在于闡述紫花苜?？鼓鎽?yīng)答網(wǎng)絡(luò)，挖掘更多的基因資源，通過分子育種手段培養(yǎng)高抗性新品種。

紫花苜蓿；干旱脅迫；形態(tài)結(jié)構(gòu)；生理生化反應(yīng)；分子機(jī)制

DOI：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.10.003

干旱是影響植物生長、發(fā)育、生產(chǎn)力和分布的主要環(huán)境因子之一。旱災(zāi)發(fā)生范圍廣，歷時(shí)長，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最大，已成為世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。紫花苜蓿是世界上栽培最廣的一種優(yōu)良豆科牧草，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和農(nóng)業(yè)性狀。紫花苜蓿發(fā)達(dá)的根系統(tǒng)可有效防止水土流失，其抗旱性也優(yōu)于其他農(nóng)作物［1］，是我國西北干旱和半干旱地區(qū)主栽牧草，對該地區(qū)畜牧業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善發(fā)揮重要作用。然而，隨著西北地區(qū)環(huán)境的變化，降水不足已成為限制紫花苜蓿產(chǎn)量的主要因素［2］。近年來，人們對于紫花苜?？购禉C(jī)制開展了很多的研究，研究領(lǐng)域也逐漸從形態(tài)水平過渡到生理生化以及分子水平，這對培育高抗性的苜蓿新品種，提高西北地區(qū)苜蓿的生產(chǎn)力具有重要意義。本文綜述了目前紫花苜蓿應(yīng)答干旱脅迫的不同機(jī)理以及分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方面的研究進(jìn)展。

1　紫花苜蓿形態(tài)結(jié)構(gòu)對干旱脅迫的響應(yīng)

植物通過根系吸收水分、礦物質(zhì)等養(yǎng)料，因此根系的生長狀況將影響到植株的地上部分。紫花苜蓿具有發(fā)達(dá)的直根系統(tǒng)，隨土壤水分減少其根系生長深度有時(shí)可達(dá)7-9 m或者更深；同時(shí)，根系直徑逐漸變細(xì)，以利于吸收利用土壤深層水分［3，4］。陳積山等［5］研究表明根頸的新枝高度、根的干重和根間夾角是最能反映苜?？购敌缘母敌螒B(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)。在干旱脅迫下，紫花苜蓿主根伸長生長受到抑制、主根直徑變細(xì)、側(cè)根和根系總長度的伸長生長受到促進(jìn)、根系表面積和直徑≥1 mm的側(cè)根數(shù)目明顯增多、根系生物量下降，這都是紫花苜蓿為降低水分消耗、避免和忍耐水分虧缺而采取的適應(yīng)策略。紫花苜蓿根系形態(tài)性狀（總根長、根系生物量與根冠比）與植株水分利用效率間具有顯著相關(guān)性，其中根重對水分利用效率的影響最大［6］。

苜蓿根系體積越大，所接觸的土壤面積就越大，越有利于苜蓿大范圍地吸收土壤中的水分。苜蓿根系越發(fā)達(dá)、伸展的越深，受到的水分脅迫的影響就越小［7］。干旱脅迫條件下，苜蓿的根系生長和莖稈生長均會減慢，但是相對莖稈來說根系受到的影響較小［8］。紫花苜蓿在不同水分處理下根系的生長規(guī)律保持基本一致，在其生長季節(jié)內(nèi)都呈現(xiàn)增加的趨勢；但是適度干旱可以促進(jìn)根系的伸長生長［6］。

植物的功能葉對干旱脅迫最敏感，因此可作為植物對干旱感知的檢測部位，其表皮蠟質(zhì)是覆蓋于植物表皮角質(zhì)層上的一層可見的蠟狀突起，在調(diào)控植物表皮滲透性、限制非氣孔性水分散失以及抵御水分脅迫等不利環(huán)境影響方面起著重要作用［9］。紫花苜蓿表皮蠟質(zhì)分別由41.7%-54.2%的伯醇，13.2%-26.9%的烷類，17.5%-28.9%的萜類，1.4%-3.4%的少量醇類和4.5%-18.4%的其他組分構(gòu)成［10］。有研究表明逆境脅迫下，紫花苜蓿可通過葉表皮蠟質(zhì)的含量、成分或結(jié)構(gòu)的改變而提高抗逆性［11］。蠟質(zhì)含量與紫花苜蓿品種的抗旱性無直接關(guān)系；與總蠟質(zhì)含量相比，蠟質(zhì)成分對干旱脅迫處理更敏感。干旱導(dǎo)致伯醇含量的下降，烷類的增加。烷類含量的增加對于提高紫花苜蓿的抗旱性發(fā)揮重要作用，可以作為篩選和培育高抗性品種的指標(biāo)［10］。周玲艷等［12］用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的PEG-6000進(jìn)行模擬干旱處理，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)苜蓿王的葉片表面蠟質(zhì)分布較密集，含量較高，而WL525葉片表面蠟質(zhì)分布較稀疏，含量較少。模擬干旱處理發(fā)現(xiàn)苜蓿王對干旱敏感性最低，表明苜蓿品種葉片表面蠟質(zhì)覆蓋量與其抗旱能力呈正相關(guān)。另外，干旱可通過降低葉面積比和比葉面積來調(diào)整植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)，使植株葉片保持較高的蛋白含量，從而維持較高的光合作用能力。Erice等［13］研究發(fā)現(xiàn)4種抗旱性和生長氣候不同的紫花苜蓿的葉面積比、比葉面積和葉干重比存在不同；Tafilalet品種在干旱脅迫下葉干重比和比葉面積較小，表現(xiàn)出較高的抗旱性。

隨著干旱脅迫時(shí)間的延長，苜蓿幼苗株高、根長、分枝、根頸直徑和葉面積等都不同程度地呈減小趨勢。根長減小幅度較小，且抗旱性不同的植株減小的幅度也不同，抗旱性強(qiáng)的品種減小的幅度較小，因此也可以作為一個(gè)抗旱的測定指標(biāo)。

2　紫花苜蓿應(yīng)答干旱脅迫的生理生化變化

2.1滲透調(diào)節(jié)

干旱脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞失水，產(chǎn)生滲透脅迫。滲透調(diào)節(jié)作為植物抵抗干旱脅迫的有效生理機(jī)制之一，在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，降低滲透勢［14］，維持細(xì)胞膨壓，穩(wěn)定蛋白和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，保護(hù)和調(diào)節(jié)植物正常的生理過程［15］。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)分為兩大類，一是小分子有機(jī)化合物，如脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等；另一類是蛋白質(zhì)，如晚期胚胎豐富蛋白、水通道蛋白、熱激蛋白等。

對于紫花苜蓿在干旱脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累研究主要集中于脯氨酸，其在苜蓿的根、葉、根瘤和韌皮汁液中都有積累［16，17］。另外，受干旱脅迫的紫花苜蓿植株中可溶性糖含量也呈現(xiàn)增加趨勢［16］。隨著土壤脅迫強(qiáng)度的增加，脯氨酸和可溶性糖含量增加，且脅迫愈嚴(yán)重，脯氨酸和可溶性糖積累愈多，在中度和重度脅迫下脯氨酸積累量較多，重度脅迫下其積累量達(dá)到最大值。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)脯氨酸和可溶性糖積累與植株細(xì)胞膜透性密切相關(guān)，脯氨酸和可溶性糖積累愈多膜透性增加愈小，這說明脯氨酸和可溶性糖除作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外，可保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性［18］。Slama等［19］研究了8種起源于地中海盆地的紫花苜蓿對水分脅迫的反應(yīng)，結(jié)果表明大多數(shù)品種在水分脅迫下，植株體內(nèi)脯氨酸和可溶性糖濃度顯著增加，其中，起源于阿爾及利亞的Tamantit品種有更好的積累脯氨酸和可溶性糖的能力，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。在離體脫水處理下，帶有活性根瘤的紫花苜蓿根和葉片中積累的自由脯氨酸和可溶性糖的含量明顯低于不帶有根瘤的植株，這表明脯氨酸和可溶性糖在這些植株的滲透調(diào)節(jié)中發(fā)揮著有限的作用，活性根瘤在紫花苜蓿響應(yīng)干旱脅迫中可能同樣起一定積極作用［14］。另有研究發(fā)現(xiàn)，根瘤菌共生紫花苜蓿根、莖、葉中脯氨酸和可溶性糖含量在空氣干旱后期明顯高于不接種根瘤菌紫花苜蓿，根瘤菌共生紫花苜蓿具有更強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力［20］。干旱脅迫導(dǎo)致兩個(gè)抗旱性不同的紫花苜蓿品種Wisfal和Chilean中脯氨酸的大量積累，但兩品種間差別不明顯，說明脯氨酸并不是造成兩者抗性存在差異的主要原因；然而，棉籽糖和甜菜苷的含量在抗性強(qiáng)的品種Wisfal中兩倍高于抗性弱的品種Chilean，這表明棉籽糖和甜菜苷對Wisfal具有較強(qiáng)的抗旱性發(fā)揮一定的功能作用［2］。

2.2活性氧及氧化調(diào)節(jié)

正常生長條件下，植物體內(nèi)活性氧（ROS）的產(chǎn)生與清除保持動(dòng)態(tài)平衡［21］。但在脅迫下，不斷產(chǎn)生的ROS作為有氧代謝的產(chǎn)物，大量積累，損傷細(xì)胞內(nèi)大分子的結(jié)構(gòu)及其功能，導(dǎo)致膜質(zhì)過氧化，生物酶失活，抑制細(xì)胞周期等［22，23］。植物為應(yīng)對這一脅迫損傷，啟動(dòng)體內(nèi)一套復(fù)雜的抗氧化防御系統(tǒng)，包括抗氧化劑，如抗壞血酸和谷胱甘肽，以及抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）和谷胱甘肽還原酶（GR）等［24］，來維持細(xì)胞在不同代謝途徑中的正常生理功能。

利用PEG模擬干旱處理兩種抗旱性不同的紫花苜蓿品種，抗旱性強(qiáng)的品種Yazdi中SOD、APX、CAT和POD的活性明顯高于抗旱性弱的品種Gharayonje，表現(xiàn)出較低的電導(dǎo)率（EL）和丙二醛（MDA）含量，說明Yazdi有更好的抵御氧化脅迫損傷的能力。研究結(jié)果表明抗氧化系統(tǒng)在清除活性氧方面發(fā)揮重要作用，其中抗旱性強(qiáng)的品種中抗氧化系統(tǒng)功能更強(qiáng)［25］?；魧W(xué)敏等［26］采用改良空氣干旱法對紫花苜蓿金皇后進(jìn)行0-6 h的干旱處理，發(fā)現(xiàn)輕度干旱脅迫下，隨著干旱時(shí)間的延長，紫花苜蓿地上部分和地下部分的MDA含量，抗壞血酸（AsA）含量均在短時(shí)間內(nèi)增加，地下部分的POD活性也在短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)，地上部分則無明顯變化，研究表明紫花苜蓿地下部分比地上部分對干旱脅迫反應(yīng)更為敏感。我們的研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致紫花苜蓿細(xì)胞膜受損，體內(nèi)H2O2大量積累，抗氧化酶活性明顯增強(qiáng)，其中，SOD活性隨干旱時(shí)間的延長而增強(qiáng)，POD活性隨干旱時(shí)間的延長而降低，CAT活性隨干旱時(shí)間的延長變化不明顯，但是隴東品種所受的細(xì)胞膜損傷較小，活性氧積累量較低，抗氧化酶活性較高，表現(xiàn)出比阿爾岡金品種較強(qiáng)的抗旱性［27］。2.3 紫花苜蓿內(nèi)源激素對干旱脅迫的響應(yīng)

植物內(nèi)源激素在植物生長及發(fā)育過程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。在正常環(huán)境條件下，各種激素間保持一種動(dòng)態(tài)平衡；但當(dāng)植物受到逆境環(huán)境脅迫時(shí)，這種平衡會受到破壞，導(dǎo)致植物生長規(guī)律的紊亂和正常代謝功能的失調(diào)［28］。研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下，紫花苜蓿品種隴東和BL-02-329的葉片中IAA、ABA含量均呈不同程度的上升，GA3和ZR的含量均呈下降趨勢；4種內(nèi)源激素之間的協(xié)調(diào)總趨勢是向著氣孔關(guān)閉、促進(jìn)根系發(fā)展的方向進(jìn)行［29］。Xu等［30］將轉(zhuǎn)農(nóng)桿菌ipt基因的中華根瘤菌接種到紫花苜蓿中，干旱脅迫下，植株葉片中玉米素含量增加，抗氧化酶基因表達(dá)量提高，活性氧含量下降；然而，根瘤中細(xì)胞分裂素的含量和對照相比，相差較小。該研究表明中華根瘤菌工程菌可合成更多的細(xì)胞分裂素，提高了紫花苜蓿對干旱脅迫的耐受性，但并不影響紫花苜蓿結(jié)瘤或固氮作用。

ABA是植物響應(yīng)環(huán)境脅迫的重要激素。當(dāng)植物面臨水分脅迫時(shí)，植株體內(nèi)ABA含量增加，一方面通過抑制氣孔的開放，另一方面通過促進(jìn)氣孔的關(guān)閉，有效地控制植株水分平衡；同時(shí)，ABA通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，誘導(dǎo)調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、功能蛋白和調(diào)節(jié)蛋白等，保護(hù)植株免受干旱脅迫的不利影響［31，32］。正常供水條件下，紫花苜蓿根部ABA含量低于葉片；干旱脅迫3 h后，葉片ABA含量顯著高于對照，之后呈下降趨勢，而根部ABA含量呈增加趨勢，干旱6 h時(shí)根部ABA含量增加至最高，為對照ABA含量的3倍多［33］。在植株不同生長階段，非充分灌溉處理顯著影響根部ABA含量。隨著非充分灌溉程度的增加，紫花苜蓿根中ABA含量顯著增加；且不同紫花苜蓿品種中ABA含量不同［31］。

3　紫花苜?？购迪嚓P(guān)基因的研究

隨著對干旱誘導(dǎo)基因和基因組學(xué)的深入研究，人們已成功克隆到紫花苜蓿中多種與干旱脅迫相關(guān)的基因，并對其功能進(jìn)行了研究。

目前，一些轉(zhuǎn)錄因子已被發(fā)現(xiàn)參與了苜蓿應(yīng)答干旱脅迫的研究。Wang等［34］根據(jù)抑制差減雜交方法（SSH）構(gòu)建紫花苜蓿cDNA文庫以用來鑒定在脅迫條件下差異表達(dá)的基因；再根據(jù)特定長度的表達(dá)序列標(biāo)簽（ESTs）利用cDNA末端快速擴(kuò)增（RACE）的方法從SSH cDNA文庫中克隆特定基因。其中，NAC是植物特殊的轉(zhuǎn)錄因子大家族之一，在植物發(fā)育和響應(yīng)環(huán)境脅迫方面發(fā)揮重要作用。從紫花苜蓿SSH cDNA文庫中根據(jù)503 bp EST片段克隆到一個(gè)新的NAC基因，大小為1 115 bp，其中包括816 bp ORF，編碼271個(gè)氨基酸。根據(jù)亞細(xì)胞定位可知這一NAC蛋白定位于細(xì)胞核，為一轉(zhuǎn)錄因子。根據(jù)熒光定量RT-PCR結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該基因可被干旱誘導(dǎo)表達(dá)，轉(zhuǎn)NAC基因擬南芥植株的抗旱性高于野生型植株。

WRKY轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的轉(zhuǎn)錄因子，廣泛參與植物對多種逆境脅迫的反應(yīng)。紫花苜蓿中MsWRKY33基因全長1 536 bp，編碼512個(gè)氨基酸，屬于WRKY1族WRKY轉(zhuǎn)錄因子。亞細(xì)胞定位預(yù)測該基因產(chǎn)物定位于細(xì)胞核。鹽、干旱和冷脅迫可誘導(dǎo)MsWRKY33的表達(dá)，表明該基因可能參與了這些逆境脅迫的調(diào)控過程［35］。同時(shí)，根據(jù)460 bp EST片段，一段長為1 652 bp的cDNA被成功克隆，且命名為MsPBL，其編碼434個(gè)氨基酸蛋白，定位于洋蔥表皮細(xì)胞的細(xì)胞核。300 mmol/L NaCl，0.1 mmol/L ABA和20% PEG-6000處理能夠顯著提高該基因的表達(dá)，這表明MsPBL在細(xì)胞核內(nèi)可能作為一種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白使紫花苜蓿對環(huán)境脅迫信號作出快速響應(yīng)［36］。

另外，一些與代謝及激素相關(guān)的基因也參與了紫花苜蓿對干旱脅迫應(yīng)答。在高等植物抗壞血酸生物合成途徑中，GME可將GDP-D-甘露醇催化生成GDP-L-半乳糖。研究表明紫花苜蓿中MsGME的表達(dá)受鹽、PEG和酸脅迫誘導(dǎo)。擬南芥中MsGME的超表達(dá)可提高轉(zhuǎn)基因植株對鹽、干旱和酸的耐受性；同時(shí)，轉(zhuǎn)基因擬南芥中抗壞血酸含量增加［37］。醛糖還原酶可代謝多種由脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生的細(xì)胞毒素化合物。將紫花苜蓿中的MsALR基因轉(zhuǎn)入到擬南芥中，結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因植株對乙醛底物的解毒作用比野生型高出1.5-4.3倍；且在干旱條件下，轉(zhuǎn)基因植株的單株種子產(chǎn)量比野生型高［38］。紫花苜蓿中MsSIK1基因在脫水條件下大量表達(dá)。26 d干旱處理后，超表達(dá)MsSIK1基因的擬南芥植株株高分別高于野生型和MsSIK1突變體植株；且不同轉(zhuǎn)基因株系間的花絮長度在192-213 mm之間，明顯長于野生型平均長度100 mm和突變體平均長度60 mm。與野生型和突變體植株相比，轉(zhuǎn)基因擬南芥具有較高的長期CO2同化率，較低的蒸騰作用，較高的水分利用效率和內(nèi)源GA含量［39］。

活性氧是植物應(yīng)答逆境環(huán)境的信號分子。研究發(fā)現(xiàn)土壤干旱脅迫處理后，耐旱的Wisfal和干旱敏感的Chilean植株根和莖中ROS基因變化趨勢上沒有質(zhì)的差別，對于ROS合成酶基因中，NADPH氧化酶受干旱誘導(dǎo)，而乙醇酸氧化酶基因則被抑制；在ROS清除蛋白基因中，鐵蛋白、Cu/Zn SOD、大多數(shù)谷胱甘肽過氧化物酶家族成員在兩紫花苜蓿品種的根和莖中受干旱誘導(dǎo)表達(dá)，相反，F(xiàn)e-SOD、CC-類型谷氧還蛋白和硫氧還蛋白被下調(diào)表達(dá)［40］。ZFP因參與ABA的生物合成和葉黃素循環(huán)，對植物響應(yīng)不同環(huán)境脅迫信號起重要作用。紫花苜蓿中MsZEP基因包含1 992 bp核苷酸，編碼663個(gè)氨基酸多肽鏈。在干旱、冷、熱和ABA處理下，莖中MsZEP基因表達(dá)量呈下降趨勢。煙草中該基因的異位表達(dá)可通過生理途徑，ABA水平和脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)量的變化來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱和耐鹽性［41］。

4　基因工程技術(shù)在提高紫花苜?？购敌灾械膽?yīng)用

在干旱條件下，植株的產(chǎn)量明顯下降，培育出抗性強(qiáng)且產(chǎn)量、品質(zhì)較高的牧草是改良牧草抗旱性的最終目標(biāo)。隨著對苜蓿研究的不斷發(fā)展，苜蓿品種改良和抗性育種已成為當(dāng)下的研究重點(diǎn)。雖然傳統(tǒng)育種方法仍在為提高植株對非生物脅迫的抗性作出一定的貢獻(xiàn)，但其育種周期較長。隨著基因工程的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因技術(shù)已是改良植株產(chǎn)量和質(zhì)量的新途徑。

自1986年首次成功獲得苜蓿轉(zhuǎn)基因技術(shù)后［42］，近年來，人們已培育出多種高抗性的不同轉(zhuǎn)基因紫花苜蓿植株［1，43-45］。2005年，將從蒺藜苜蓿中克隆得到的WXP1基因轉(zhuǎn)到紫花苜蓿中，轉(zhuǎn)基因植株葉片表皮蠟質(zhì)覆蓋度顯著增加。掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)在新葉的下表皮可較早地積累蠟質(zhì)晶體；在成熟葉的上下表皮具有較高密度的蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)。超表達(dá)WXP1基因的紫花苜蓿植株表現(xiàn)出較低的葉片失水率，干旱后葉片萎蔫延遲，復(fù)水后能夠較快較好的恢復(fù)［46］。轉(zhuǎn)細(xì)菌codA基因的紫花苜蓿在整個(gè)植株水平上表現(xiàn)出較高的抗旱性。干旱脅迫下，與非轉(zhuǎn)基因植株相比，轉(zhuǎn)基因植株具有較高的相對含水量，較高的甜菜堿和脯氨酸含量；在正常生長條件下，轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)生長素相關(guān)的IAA基因表達(dá)量比野生型高，表現(xiàn)出較好的生長表型［47］。GsWRKY20基因的異位表達(dá)使轉(zhuǎn)基因紫花苜蓿與野生型相比，在水分缺失條件下表現(xiàn)出較低的相對膜透性，較少的MDA含量，較多的自由脯氨酸和可溶性糖積累量；同時(shí)，轉(zhuǎn)基因紫花苜蓿具有較厚的角質(zhì)層，能夠降低植株在干旱條件下的水分散失，顯著提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性［48］。將旱生植物霸王中的ZxNHX和ZxVP1-1基因共同轉(zhuǎn)入到紫花苜蓿中，無論在正常生長條件還是干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株都具有較高的株高和干重；而且，在大田條件下，共表達(dá)ZxNHX和ZxVP1-1基因的紫花苜蓿植株比野生型生長速度快，光合作用能力強(qiáng)，具有較高的凈光合速率，氣孔導(dǎo)度和水分利用效率［49］。地瓜橙色基因IbOr參與類胡蘿卜素積累過程，能夠提高植株對多種非生物脅迫的抗性。將該基因轉(zhuǎn)入到紫花苜蓿中，轉(zhuǎn)基因植株具有較高的類胡蘿卜素，抗旱性得到提高［50］。EsMcsu1基因編碼鉬輔因子硫化酶，受非生物脅迫或ABA處理后其表達(dá)量明顯上調(diào)。干旱脅迫條件下，超表達(dá)EsMcsu1基因的紫花苜蓿植株體內(nèi)ABA含量明顯高于野生型植株；ROS水平，離子滲透和MDA含量則低于野生型植株，這表明轉(zhuǎn)基因植株受到較輕的活性氧損傷［51］。

5　結(jié)論與展望

隨著人口增加和全球氣候變暖，干旱已成為影響植物生長和產(chǎn)量的重要因素［52］。為減緩或減輕干旱脅迫造成的損傷，植物自身已進(jìn)化出多種復(fù)雜的響應(yīng)策略，包括一系列形態(tài)、生理和生化反應(yīng)等［53］。在干旱脅迫條件下，植物能夠快速積累一些重要的代謝物，如ABA、抗壞血酸和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等［54］。對紫花苜蓿抗旱性的研究一直以來都是牧草學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對紫花苜蓿在干旱條件下的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累，抗氧化酶活性以及內(nèi)源激素含量等做了大量研究報(bào)道，初步了解了紫花苜蓿響應(yīng)干旱脅迫的生理機(jī)制，為篩選抗性強(qiáng)的優(yōu)良種質(zhì)資源奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

綜上所述，在紫花苜蓿中，干旱脅迫誘導(dǎo)相關(guān)激素的代謝，調(diào)控下游WRKY、ZEP、NAC以及ERF等轉(zhuǎn)錄因子，從而激活下游功能基因，影響植株體內(nèi)的生理生化代謝以及生長（圖1）。然而，相對其他栽培作物而言，紫花苜蓿抗旱的深層機(jī)制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究還較為薄弱［55］。雖然傳統(tǒng)育種仍在繼續(xù)，但隨著基因工程的發(fā)展，通過構(gòu)建轉(zhuǎn)基因紫花苜蓿植株可大大提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性，成為培育高產(chǎn)高抗性苜蓿品種的新途徑；但是轉(zhuǎn)基因植株的抗性仍需在大田中進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，紫花苜蓿干旱脅迫相關(guān)基因的不斷挖掘，尤其是與逆境脅迫相關(guān)的苜蓿轉(zhuǎn)錄因子的研究已是植物分子生物學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，人們對于苜蓿轉(zhuǎn)錄因子的研究取得了較大的進(jìn)展，但是由于轉(zhuǎn)錄因子的多功能性和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，使得苜蓿轉(zhuǎn)錄因子的研究中仍存在很多待解決的問題；同時(shí)，相當(dāng)大部分新的轉(zhuǎn)錄因子仍有待發(fā)現(xiàn)及對其功能進(jìn)行鑒定［56］。另外，植物激素在逆境應(yīng)答中扮演著重要的作用。不同的激素如何協(xié)同或拮抗地參與紫花苜?？鼓嫘裕嚓P(guān)機(jī)理目前仍不清楚。更好地了解苜蓿應(yīng)答逆境脅迫相關(guān)基因的表達(dá)模式，闡述植物激素及轉(zhuǎn)錄因子對苜蓿基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)制，將會為苜蓿的抗旱育種提供廣闊的基因資源，通過CRISP-Cas9等新的生物技術(shù)，提高苜蓿的抗旱性。

圖1　紫花苜?？购禉C(jī)制

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（責(zé)任編輯 李楠）

Research Progress on Drought Resistance Mechanism of Alfalfa

QUAN Wen-li1CHAN Zhu-long2
（1. College of Life Science and Technology，Hubei Engineering University，Xiaogan 432000；2. Wuhan Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430074）

Alfalfa（Medicago sativa）is a forage grass with the largest cultivation area in China and has important economic value and social benefits. Drought is one of the major environmental factors influencing the production and distribution of alfalfa. Soil water deficiency could lead to alfalfa’s morphological structure changes，which makes plant better adapt to the stress environment. Meanwhile，a series of physiological and biochemical responses in alfalfa plants are activated to alleviate or reduce the damage caused by drought stress. In recent years，scientists have identified drought-related genes in alfalfa and created drought tolerant transgenic plants. In this paper，alfalfa morphological，physiological and molecular mechanism in response to drought stress are reviewed and discussed. Drought stress affects phytohormone metabolism，resulting in regulation of transcription factors，which in turn modulates expression of metabolism related and stress responsive genes in alfalfa，leading to physiological and biochemical changes. Future researches should pay more attention to the regulation network in response to stresses and the excavation of new gene resources，which are beneficial to breeding programs of novel alfalfa varieties with enhanced resistance.

alfalfa；drought stress；morphological structure；physiological and biochemical response；molecular mechanism

2016-07-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31370302）

權(quán)文利，女，博士研究生，研究方向：植物水分脅迫生物學(xué)；E-mail：quanwenli0426@163.com

產(chǎn)祝龍，男，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向：植物水分脅迫生物學(xué)；E-mail：zhulongch@wbgcas.cn