褪黑素调控紫花苜蓿萌发期干旱响应的转录组学分析及关键通路解析

本研究针对全球干旱胁迫导致作物减产这一关键问题，通过转录组学和生理指标检测，揭示了褪黑素（MT）通过激活类黄酮生物合成、植物激素信号转导（ABA/GA）及ABC转运蛋白通路，显著提升紫花苜蓿（Medicago sativa L.）萌发期的抗旱性。研究发现MT处理使幼苗发芽率提高至78.89%，根长达6.21 cm，同时降低MDA和O2-含量27.8%和26.6%，并上调SOD、POD活性及GSH含量。该成果为培育抗旱作物提供了分子靶点（如ABF2、ASMT），发表于《BMC Plant Biology》，具有重要应用价值。

　　

随着气候变化加剧，干旱已成为限制农作物产量的首要非生物胁迫因素。紫花苜蓿作为高蛋白牧草，在我国西北干旱区种植时频繁遭遇水分短缺，导致光合作用受阻和生物量下降。尽管已有研究报道个别抗旱基因（如MsCYP71）的作用，但植物激素介导的系统性抗旱机制仍不明确。褪黑素（Melatonin, MT）作为一种新型植物内源激素，虽在玉米、水稻中被证实可增强抗氧化能力，但其在紫花苜蓿中调控干旱响应的分子网络尚未解析。河南农业大学的研究团队通过整合生理表型与多组学分析，首次揭示了MT通过协同调控代谢通路和激素信号提升紫花苜蓿抗旱性的分子机制。

研究采用15% PEG模拟干旱胁迫，结合10 μM MT处理萌发期紫花苜蓿，测定发芽率、根长等表型指标及MDA、SOD等生理参数；通过Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序，利用WGCNA构建基因共表达网络，qRT-PCR验证关键基因表达趋势。

结果部分
褪黑素对干旱胁迫下紫花苜蓿生长的改善作用
研究发现10 μM MT使干旱组发芽率恢复至对照水平（78.89%），根长和鲜重分别达6.21 cm和0.201 g，显著高于单一干旱处理。高浓度MT（>200 μM）则产生抑制作用，表明其效应具有浓度依赖性。

外源褪黑素对抗氧化特性的调控
MT处理使O₂^-和MDA含量降低27.8%和26.6%，同时提升GSH含量18.2%。SOD和POD活性分别增加1.8倍和2.1倍，证实MT通过增强抗氧化系统缓解氧化损伤。

差异表达基因鉴定与功能富集
转录组分析发现ZMPMT（MT+干旱）组特有2,336个DEGs，较ZMP（单一干旱）组多345个基因。KEGG显示MT特异性富集ABC转运蛋白通路（如ABCB/ABCC），且类黄酮合成关键基因HCT、ANR表达上调2.1-3.3倍。

基因共表达网络与核心调控因子
WGCNA鉴定出绿色模块（564个基因）与根长显著正相关（r=0.867），包含GA20ox和ABF2等枢纽基因。蓝色模块（2,748个基因）则与MDA含量正相关，涉及ROS清除相关基因如GST。

讨论与意义
研究阐明了MT通过三重机制增强抗旱性：1）激活谷胱甘肽代谢（GST、DHAR）促进ROS清除；2）抑制ABA合成基因NCED，同时诱导ABA信号转导因子PYL4和ABF2表达；3）通过上调ASMT（褪黑素合成酶）和下调GA2ox（赤霉素降解酶）协调激素平衡。该成果不仅为分子育种提供靶点（如MsG0480020076.01-ASMT），还揭示了植物通过次级代谢物（如类黄酮）与激素互作适应胁迫的新范式。论文发表于《BMC Plant Biology》，为干旱区饲草高产栽培提供了理论依据。