紫花苜蓿MsTIFY10a基因过表达通过调控类黄酮代谢和激素信号通路增强蒺藜苜蓿蓟马抗性的机制研究

《Environmental and Experimental Botany》：Overexpression of the alfalfa gene MsTIFY10a Confers Thrips Resistance in Medicago truncatula

本研究针对全球气候变暖背景下苜蓿蓟马危害日益严重、导致严重产量损失的产业难题，通过克隆紫花苜蓿TIFY转录因子基因MsTIFY10a，在模式植物蒺藜苜蓿中开展功能验证。研究发现过表达该基因可显著降低蓟马取食数量和产卵量，增强抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT等），促进次生代谢物（类黄酮、总酚）积累，并通过转录组与代谢组联合分析揭示其通过激活类黄酮生物合成和植物激素信号转导通路增强抗性。该研究为解析植物抗虫分子机制提供了新靶点。

　　

随着全球气候变暖和苜蓿种植集约化程度提高，蓟马等害虫危害日益猖獗，已成为制约苜蓿产业发展的关键生物胁迫因子。据统计，我国每年因虫害造成的苜蓿产量损失超过20%，直接经济损失高达92亿元。其中，蓟马危害尤为突出，其虫害发生率常超过70%，严重时可达100%，导致干草减产10%-30%，鲜草产量损失最高达50%。面对这一严峻挑战，解析植物自身的抗虫机制、挖掘关键抗性基因，成为培育抗虫新品种的重要突破口。

在这项发表于《Environmental and Experimental Botany》的研究中，研究人员将目光聚焦于一个植物特有的TIFY转录因子家族。该家族基因已被证实参与茉莉酸（JA）信号通路调控，在植物抵御生物和非生物胁迫中发挥重要作用。前期转录组分析发现，在抗蓟马苜蓿品种‘草原4号’中，MsTIFY10a基因表达量显著高于感虫品种‘草原2号’，提示该基因可能与蓟马抗性密切相关。

为验证这一假设，研究团队从‘草原4号’中成功克隆了MsTIFY10a基因（编码178个氨基酸的锌指蛋白），并将其转入模式植物蒺藜苜蓿中构建过表达株系。通过一系列严谨的实验设计，研究人员系统评估了转基因植株的蓟马抗性表型，并结合转录组和代谢组学分析，深入解析了其分子调控网络。

关键技术方法包括：基因克隆与载体构建、农杆菌介导的遗传转化、定量PCR（qRT-PCR）表达分析、亚细胞定位与自转录激活检测、蓟马生物胁迫实验、生理指标测定（抗氧化酶活性、次生代谢物含量）、扫描电镜观察叶片茸毛、以及转录组与代谢组联合分析。

3.1. MsTIFY10a的生物信息学及表达分析

通过同源序列比对发现，MsTIFY10a与蒺藜苜蓿MtTIFY10a相似度达94.86%。表达模式分析表明，该基因在嫩叶中表达最高，且能被蓟马取食显著诱导，呈现明显的时间动态变化。

3.2. 核定位与无自转录激活特性

亚细胞定位实验证实MsTIFY10a蛋白定位于细胞核，但酵母双杂交实验显示其不具备自转录激活能力，提示其可能通过与其他转录因子互作发挥调控功能。

3.3. MsTIFY10a过表达增强蒺藜苜蓿蓟马抗性

表型分析显示，转基因株系（OE1和OE2）在蓟马取食14天后，成虫数量和产卵量均显著低于野生型。扫描电镜观察发现转基因植株叶片茸毛密度增加3倍，长度增加1.58倍，形成了有效的物理屏障。生理指标检测表明，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等6种抗氧化酶活性，以及类黄酮和总酚含量在转基因植株中显著提升。

3.4. 转录组分析

RNA测序鉴定出412个（OE1 vs WT）和893个（OE2 vs WT）差异表达基因（DEGs），KEGG富集分析显示这些基因显著富集于类黄酮生物合成、植物激素信号转导和MAPK信号通路。

3.5. 代谢组分析

检测到341个（OE1 vs WT）和371个（OE2 vs WT）差异积累代谢物（DAMs），主要富集在类黄酮生物合成、苯丙烷生物合成和α-亚麻酸代谢途径。

3.6. 转录组与代谢组联合分析

整合分析发现，类黄酮生物合成和异黄酮生物合成通路被显著激活，关键基因PAL（苯丙氨酸解氨酶）、4CL（4-香豆酰辅酶A连接酶）、CHI（查尔酮异构酶）等表达上调，同时下游代谢物如染料木素、鹰嘴豆芽素A等含量增加。

3.7. 关键通路联合分析

研究进一步证实，MsTIFY10a通过抑制JAZ（茉莉酸-ZIM结构域）蛋白表达，激活JA和SA（水杨酸）信号通路。同时，萜类骨架生物合成途径中的DXS（1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶）基因表达上调，促进次生代谢物合成。

讨论部分指出，本研究首次系统揭示了MsTIFY10a在苜蓿蓟马抗性中的多重调控机制：一方面通过增强叶片茸毛发育构建物理防御屏障；另一方面通过激活抗氧化酶系统和次生代谢通路（特别是类黄酮和异黄酮生物合成）强化化学防御能力。更重要的是，该转录因子通过协调JA和SA信号通路的协同作用，实现对抗虫防御网络的精准调控。

这项研究不仅克隆了一个具有应用潜力的抗虫基因，更重要的是阐明了TIFY转录因子在植物-昆虫互作中的新功能，为理解植物抗虫机制提供了新的理论框架。研究结果对培育抗虫苜蓿新品种、减少农药使用、促进草地农业可持续发展具有重要指导意义。该发现也为其他作物的抗虫遗传改良提供了可借鉴的分子靶点和调控通路。