外源水杨酸调控紫花苜蓿萌发期冷冻胁迫响应的表型、激素与转录组机制研究

《Genomics》：Phenotypical, phytohormone and transcriptomic analysis revealed the mechanism of exogenous salicylic acid promoting alfalfa( Medicago sativa L.)germination under freezing stress

本研究针对冷冻胁迫(FS)严重抑制紫花苜蓿(Medicago sativa L.)种子萌发的生产难题，通过外源水杨酸(SA)处理结合表型观测、内源激素检测和转录组分析，揭示SA通过调控GH3.1-HSP70枢纽基因重构激素网络（IAA、JA、ABA、GA等）激活NPR1依赖/非依赖通路的分子机制，为作物抗寒育种提供新靶点。

　　

当春寒料峭时，沉睡的种子能否冲破冻土屏障直接关系着牧草产业的可持续发展。作为重要豆科牧草的紫花苜蓿(Medicago sativa L.)，其萌发期对冷冻胁迫(Freezing Stress, FS)尤为敏感，常导致出苗不齐、生物量下降。虽然已知外源水杨酸(Salicylic Acid, SA)能增强植物抗逆性，但其如何调控紫花苜蓿萌发期FS响应的分子网络仍如雾里看花。

为解开这一谜题，研究人员在《Genomics》发表论文，通过多组学联用技术绘制了外源SA调控紫花苜蓿FS适应的基因图谱。研究发现，SA如同一位精准的调度师：在FS处理16小时时，它促进幼苗伸长，并重构激素平衡——增加茉莉酸(Jasmonic Acid, JA)、脱落酸(Abscisic Acid, ABA)和赤霉素(Gibberellic Acid, GA)含量，降低生长素(Auxin, IAA)和玉米素(Zeatin)水平；至24小时时，则进一步提升SA、IAA、GA和ABA含量，同时下调JA和玉米素。这种动态调控的背后，是SA对植物激素合成与信号通路基因的深度 reprogramming。

研究团队运用加权基因共表达网络分析(Weighted Correlation Network Analysis, WGCNA)锁定关键枢纽基因GH3.1（生长素酰胺合成酶）和HSP70（热激蛋白70）。他们提出创新模型：外源SA通过抑制GH3.1表达减少IAA含量，进而促使TIR1（运输抑制剂响应1蛋白）负调控AUX/IAA（生长素/吲哚-3-乙酸）及生长素响应基因，抑制IAA信号通路；同时TIR1对SA信号通路产生抑制作用。在NPR1（非表达子病程相关蛋白1）依赖通路中，NPR1与TGA转录因子结合激活PR1（病程相关蛋白1）基因表达以抵御FS；而在NPR1非依赖通路中，超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase, SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(Ascorbate Peroxidase, APX)、谷胱甘肽-S-转移酶(Glutathione-S-Transferase, GST)、热激蛋白(Heat Shock Protein, HSP)、交替氧化酶(Alternative Oxidase, AOX)及晚期胚胎发生丰富蛋白(Late Embryogenesis Abundant, LEA)编码基因均被诱导激活，形成多维防御网络。

关键技术方法包括：对紫花苜蓿种子进行外源SA预处理后设置冷冻胁迫组与对照组，分别于处理16小时和24小时采集样本，通过表型观测记录幼苗生长指标，采用酶联免疫吸附测定(ELISA)检测内源激素含量变化，利用RNA-seq技术进行转录组测序，并运用WGCNA构建基因共表达网络筛选关键基因。

研究结果

1. 表型与激素动态变化

通过对比FS处理16小时与24小时的幼苗表型发现，外源SA显著促进冷冻胁迫下的幼苗伸长。激素检测显示SA处理引发激素含量时序性波动：16小时时JA、ABA、GA含量上升而IAA、玉米素下降；24小时时SA、IAA、GA、ABA增加，JA和玉米素降低，表明SA通过精细调控激素平衡增强FS适应性。

2. 转录组调控网络

转录组分析揭示SA处理后大量植物激素合成与信号通路基因被诱导。WGCNA筛选出GH3.1和HSP70作为核心基因，其中GH3.1参与生长素稳态调控，HSP70可能在蛋白质折叠保护中起关键作用。

3. 信号通路解析

研究构建了SA作用机制模型：在IAA信号通路中，SA抑制GH3.1表达导致IAA含量下降，触发TIR1对AUX/IAA的负调控；在SA信号通路中，NPR1依赖途径通过TGA-PR1轴激活抗冻基因，而非依赖途径则诱导SOD、APX、GST、HSP、AOX、LEA等抗氧化和应激保护基因表达。

结论与意义

该研究系统阐明了外源SA通过调控GH3.1-HSP70枢纽基因，重构激素网络并激活双通路防御体系的分子机制，不仅深化了对SA介导植物抗冻机制的理解，更为紫花苜蓿抗寒育种提供了关键靶点（如GH3.1、HSP70）。这种多组学联用策略为解析复杂性状的遗传基础提供了范式，对应对气候变化下作物抗逆增产具有重要实践价值。