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苜蓿（Medicago sativa L.）因异花授粉和四倍体遗传特性，生物技术育种应用受限。本研究通过农杆菌介导法将 JA 通路相关 MsJAR1 基因导入‘中苜 1 号’，发现其定位于叶绿体，可使植株叶小、节间短、侧枝和株高增加，茎中维管组织面积扩大，推测其通过调控光合通路影响生长发育。
苜蓿作为全球重要的豆科牧草，以高产量、高品质和强适应性著称，但其异花授粉特性与四倍体遗传机制，导致基因编辑、遗传转化等生物技术在育种中的应用面临巨大挑战。如何突破遗传改良瓶颈，解析关键基因对生长发育的调控机制，成为提升苜蓿产量与抗逆性的核心问题。
为此，内蒙古农业大学的研究团队聚焦茉莉酸（JA）信号通路中的关键基因 MsJAR1，开展了其在苜蓿中的功能研究。该团队通过农杆菌介导的遗传转化技术，将 MsJAR1 基因导入‘中苜 1 号’苜蓿，系统分析了转基因植株的表型、解剖结构、光合参数及转录组差异，相关成果发表在《Scientific Reports》。
研究采用的主要技术方法包括：激光共聚焦显微镜观察亚细胞定位，验证 MsJAR1 蛋白在叶绿体中的分布；通过 qRT-PCR 检测基因表达水平，确认转基因植株中 MsJAR1 的过表达；利用石蜡切片和显微观察分析茎、叶维管组织（木质部、韧皮部）的结构变化；借助 LI-6400XT 系统测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）等光合参数；运用转录组测序和 KEGG 通路分析筛选差异表达基因（DEGs），揭示相关代谢通路的调控网络。
亚细胞定位与转基因植株验证
激光共聚焦显微镜观察显示，MsJAR1 蛋白与绿色荧光蛋白（GFP）的融合蛋白定位于叶绿体，与预测结果一致，表明其功能可能与叶绿体代谢相关。通过农杆菌转化获得的转基因植株（OE-1、OE-2）经 Bar 基因 PCR 验证和 Bar 试纸条检测，确认目的基因成功整合，且 qRT-PCR 显示其表达量为野生型（WT）的 3-4 倍。
表型与解剖结构变化
与野生型相比，转基因植株表现出叶片面积缩小、节间距离缩短，但侧枝数量显著增加（约 2 倍）、株高提升（约 1.5 倍）的典型表型。解剖学分析发现，转基因植株叶片的韧皮部、木质部及维管束面积均显著减小（韧皮部面积仅为 WT 的 0.47 倍），而茎中相应组织面积大幅扩大（OE-1 茎韧皮部面积达 WT 的 2.3 倍），提示 MsJAR1 可能通过调控维管组织发育影响物质运输与植株形态。
光合参数与酶活性分析
光合测定表明，转基因植株的气孔导度（Gs）、净光合速率（Pn）和蒸腾速率（Tr）分别为 WT 的 2.9 倍、1.7 倍和 1.5 倍，而胞间 CO?浓度（Ci）显著降低至 WT 的 50%，显示其光合碳同化效率提升。进一步检测糖代谢关键酶发现，转基因植株中磷酸果糖激酶（PFK）、丙酮酸激酶（PK）和异柠檬酸脱氢酶（ICDH）活性均显著高于 WT，表明糖酵解和三羧酸循环（TCA）通路被激活。
转录组与通路分析
转录组测序共鉴定出 12,046 个差异表达基因，KEGG 富集显示其主要集中在核糖体、糖酵解 / 糖异生、三羧酸循环及光合作用通路。在光合通路中，光系统 II（PSII）、细胞色素 b6/f 复合体等相关基因表达模式改变；糖代谢通路中，PFK、PK 等关键酶基因的表达与酶活性变化一致。相关性分析表明，侧枝数、株高与光合参数、糖代谢酶活性呈正相关，而与叶片面积、节间距离呈负相关，揭示了表型变化与代谢通路的内在联系。
研究结论与意义
本研究证实，MsJAR1 通过定位于叶绿体，调控光合作用相关通路及糖代谢过程，从而促进苜蓿侧枝生长和株高增加，同时重塑维管组织分布。这一发现不仅解析了茉莉酸信号通路在苜蓿发育中的新机制，也为打破其遗传改良壁垒提供了关键靶点 —— 通过过表达 MsJAR1 基因，有望培育出分枝繁茂、生物量更高的苜蓿品种，为牧草分子育种和可持续农业发展奠定了理论基础。研究结果为利用转基因技术改良多年生作物的复杂农艺性状提供了范例，也为深入探究 JA 信号与植物生长 - 防御平衡机制开辟了新方向。
