紫花苜蓿NHX基因家族全基因组鉴定及其在非生物胁迫应答中的功能解析

《BMC Plant Biology》：Genome-wide characterization of NHX gene family in Medicago sativa under abiotic stress

本研究针对土壤盐渍化制约作物生产的问题，通过全基因组分析在紫花苜蓿中鉴定出35个NHX家族基因，系统揭示了其进化特征和表达模式。研究发现MsNHX1和MsNHX10基因对盐、旱、冷胁迫均具有显著响应，为阐明苜蓿耐盐机制提供了理论依据，对耐逆育种具有重要指导意义。

　　

随着全球土壤盐渍化问题日益严重，近11亿公顷耕地正面临盐胁迫威胁，这已成为制约农业生产的世界性难题。作为高蛋白优质牧草，紫花苜蓿（Medicago sativa）的栽培却常受盐碱地限制而减产。植物在盐胁迫下会启动一系列分子防御机制，其中NHX（Na⁺/H⁺逆向转运蛋白）基因家族作为离子平衡的关键调节因子，通过介导Na⁺的区隔化或外排来缓解盐害。虽然NHX家族在拟南芥等模式植物中已有较深入研究，但在多倍体苜蓿中的系统特征仍属空白。

为解析苜蓿耐盐的分子基础，张玉琪等研究人员在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果。研究团队采用全基因组扫描策略，结合BLASTP和HMMER分析方法，从四倍体苜蓿品种“新疆大叶”中成功鉴定出35个MsNHX基因。通过系统进化分析将成员划分为三个亚家族，并利用WoLF PSORT预测显示约74%的基因定位于质膜，暗示其主要通过膜相关机制参与耐逆性。

研究采用染色体定位、共线性分析和MEME基序鉴定等技术手段，发现MsNHX基因在chr1.1-chr1.4染色体区域存在显著聚集现象。基因复制事件分析揭示串联重复和片段重复共同驱动了基因家族扩张，其中chr1.1区域贡献了40%的片段重复事件。启动子顺式元件分析显示所有基因均含有ABA响应元件（ABRE），同时有17个基因携带低温响应元件（LTR），13个基因具有防御应激元件（TC-rich repeats），这从调控层面解释了其多胁迫响应能力。

组织特异性表达谱显示，19个基因在六大组织中均有表达，其中MsNHX7和MsNHX12特异表达于花器官，MsNHX21专一表达于根系，而MsNHX24仅在根瘤中检测到表达。尤为重要的是，胁迫表达分析发现MsNHX1和MsNHX10对盐、旱、冷三种胁迫均产生显著上调，其中MsNHX10在干旱和盐胁迫下表达量激增42倍。

通过qRT-PCR验证发现，MsNHX1在盐胁迫0.5小时（S1）和冷胁迫2小时（C1）即出现表达峰值，呈现早期响应特征；而MsNHX10则在胁迫后期（盐胁迫24小时S5、冷胁迫48小时C3）达到表达高峰，显示晚期应答模式。MsNHX18在干旱胁迫下特异性激活，其启动子区特有的茉莉酸响应元件（TGACG/CGTCA-motif）与ABRE元件的协同作用，可能通过ABA-JA信号通路交叉对话调控干旱适应性。

研究还发现MsNHX1/10与拟南芥AtNHX1及蒺藜苜蓿MtNHX1存在共线性关系，但二者通过差异化顺式调控模块实现功能分化。MsNHX1/10兼具ABRE和LTR元件，可能通过ABA依赖与非依赖途径（如DREB-CBF级联）协同响应多重胁迫；而MsNHX18/19则通过激素信号通路专一调控干旱应答。

该研究首次在四倍体苜蓿中完成NHX基因家族的系统鉴定，揭示了基因复制事件在家族进化中的推动作用。通过整合基因组学、转录组学和实验验证，明确了MsNHX1、MsNHX10和MsNHX18等关键基因在多胁迫应答中的核心功能。这些发现不仅为解析苜蓿耐盐机制提供了新视角，也为分子育种提供了重要靶标，对推进盐碱地植被恢复和牧草产业可持续发展具有重要实践意义。

关键技术方法包括：基于BLASTP和HMMER的基因家族鉴定、染色体共线性分析（MCScanX）、MEME保守基序预测、PlantCARE启动子顺式元件分析、RNA-seq转录组测序（SRP055547数据集）以及qRT-PCR验证（中苜1号材料，SYBR Premix Ex Taq试剂）。

基因结构与保守基序

通过MEME鉴定出10个保守基序，系统进化聚类显示基序分布具有亚家族特异性。基因结构分析发现所有MsNHX基因均含多个外显子和UTR区，呈现高度结构保守性。

基因复制与进化分析

发现7个串联重复和25个片段重复事件，其中chr1.1-chr1.4为复制热点区域。共线性分析显示苜蓿与蒺藜苜蓿NHX基因具有更高同源性（28个共线性对），支持近缘物种间的保守进化。

组织特异性表达

19个基因在六大组织中检测到表达，MsNHX9和MsNHX13呈现组成型高表达，而MsNHX7（花）、MsNHX21（根）、MsNHX24（根瘤）显示组织特异表达模式。

非生物胁迫响应

盐、旱、冷胁迫下MsNHX1和MsNHX10显著上调，MsNHX18/19专一响应干旱。qRT-PCR证实MsNHX1属早期响应基因，MsNHX10为晚期响应基因，二者存在时空调控分化。

研究结论表明，NHX基因家族通过基因复制和功能分化形成了复杂的胁迫应答网络。MsNHX1/10通过组合式顺式调控模块实现多胁迫响应，而MsNHX18/19则通过激素信号通路专一调控干旱适应。该研究为苜蓿耐逆育种提供了关键靶基因，对揭示多倍体作物胁迫适应机制具有理论价值，为盐碱地牧草生产提供了分子育种资源。