紫花苜蓿根系低温胁迫生理特性与基因共表达网络分析揭示耐寒分子机制

本研究通过比较耐寒型紫花苜蓿"龙牧801"与冷敏感型"Sardi"的根系生理特性及转录组数据，揭示了低温胁迫下关键代谢通路（MAPK、GSH、ABA/JA信号转导）的调控网络，鉴定出MsGST、MsRboh、MsPOD等核心基因，为高纬度地区苜蓿抗寒分子育种提供理论依据和靶点基因。

　　

1 引言

紫花苜蓿作为全球最重要的高蛋白牧草，其在高纬度地区的种植受低温胁迫严重制约。根系作为越冬关键器官，其生理与分子适应机制尚不明确。研究选取耐寒品种"龙牧801"和冷敏感"Sardi"，通过生理指标测定和RNA-seq技术，系统解析了低温胁迫下根系活性氧（ROS）代谢、渗透调节物质积累及激素信号转导的动态变化，为揭示苜蓿耐寒机制提供新视角。

2 材料与方法

实验在黑龙江齐齐哈尔（E 123°24′, N 47°9′）开展，冬季最低温达-34.3°C。测定越冬期根系POD、H₂O₂、GSH、脯氨酸（Pro）、茉莉酸（JA）等生理指标，结合Illumina HiSeq平台转录组数据，通过WGCNA构建基因共表达网络，筛选与生理性状显著相关的模块基因。

3 结果

3.1 生理特性

耐寒品种龙牧801根系GSH含量较Sardi高16%，Pro高14%，JA和ABA分别显著提升（P<0.05），而H₂O₂和MDA含量降低22%和11%，表明其更强的氧化应激调控能力。

3.2 通路分析

KEGG富集显示DEGs主要涉及"谷胱甘肽代谢"（MsGST）、"MAPK信号通路"（MsRboh）、"苯丙烷生物合成"（MsPOD）等通路。其中MsRboh（呼吸爆发氧化酶同源物）在冷敏感品种中高表达，导致ROS过量积累。

3.3 核心基因鉴定

WGCNA鉴定出黄色模块（237个基因）与POD、Pro等显著正相关（r>0.85），包含关键基因MsPP2C（蛋白磷酸酶2C）和MsJAZ（茉莉酸信号抑制因子）。这些基因通过ABA-PYL-PP2C-SnRK2级联激活CBF/DREB1转录因子，增强低温响应。

4 讨论

4.1 氧化还原平衡

MsGST通过催化GSH与ROS结合减轻膜脂过氧化，而冷敏感品种中MsRboh过表达导致H₂O₂爆发，触发程序性细胞死亡（PCD）。耐寒品种通过维持较低的POD活性和木质素合成（MsPOD）实现氧化稳态。

4.2 激素调控网络

JA信号通路中MsJAZ通过解除MYC2转录因子抑制，激活ICE-CBF-COR级联反应；而MsPP2C通过SnRK2激酶调控bZIP转录因子，共同增强低温适应性。

4.3 渗透保护机制

MsP5CR（吡咯啉-5-羧酸还原酶）驱动脯氨酸合成，使龙牧801根系Pro含量提升14%，有效维持细胞渗透平衡。

5 结论

研究首次整合生理组学与WGCNA分析，揭示紫花苜蓿耐寒性的多维度调控机制，鉴定出6个核心功能基因（MsGST/MsPP2C等）及其互作网络，为寒地苜蓿品种选育提供分子标记和理论支撑。