代谢与转录组学联合解析紫花苜蓿田间耐盐碱低温复合胁迫的适应机制

本研究发现紫花苜蓿通过调控碳水化合物（如棉子糖、海藻糖）、黄酮类化合物（如异荭草素、异杜荆素）和谷胱甘肽（GSH）等关键代谢物的生物合成途径，激活β-淀粉酶基因（MsBAM1）和转录因子（ABF2、MYB2、RVE7等）介导的信号网络，显著增强对盐碱与低温复合胁迫的田间适应性。该研究为耐逆牧草育种和盐碱地生态利用提供了重要理论依据。

　　

引言

盐碱土壤严重制约农业可持续发展，全球盐碱地面积已达陆地总面积的10.7%。中国东北地区碳酸盐型盐碱土分布广泛，且年均温差显著，植物需同时应对盐碱与低温复合胁迫。紫花苜蓿作为优质豆科牧草，其在高寒盐碱地区的生产力受到严重限制，但田间条件下响应复合胁迫的分子机制尚不明确。

表型与生物量分析

耐逆品种ZD（肇东苜蓿）与敏感品种BM（蓝月亮）在8月表型无显著差异。10月低温胁迫后，ZD地上部提前萎黄，株高、地上鲜重和干重显著低于BM，但根长、地下部鲜重和干重显著更高。生理指标显示，ZD在10月和12月分别积累3.37倍和4.33倍的脯氨酸，总黄酮含量提升1.49倍和1.19倍，可溶性糖含量增加1.79倍和2.81倍。同时，ZD维持较低的MDA和H₂O₂水平，根系活力显著高于BM，表明其通过代谢调节增强胁迫耐受性。

代谢组学特征

非靶向代谢组学鉴定出4605种差异积累代谢物（DAMs）。ZD在12月显著上调703种代谢物（BM仅345种），包括氨基酸、有机酸、碳水化合物和黄酮类化合物。核心代谢物异亮氨酸、富马酸、棉子糖、2-羟基二十二烷酸和异杜荆素在ZD中特异性积累。KEGG富集分析显示，ZD的苯丙烷类、黄酮类、异黄酮生物合成途径在10月显著激活，而12月则富集于氨基酸代谢和植物激素信号转导途径。

转录组学调控网络

转录组测序发现ZD在12月差异表达基因（DEGs）数量（34910个）显著高于BM（28374个）。ZD特异性上调基因（5630个）富集于半乳糖代谢、淀粉与蔗糖代谢、黄酮生物合成等通路。加权基因共表达网络分析（WGCNA）筛选出10个枢纽基因，包括MsBAM1、UGE1、TPS1、GolS2等碳水化合物代谢基因，以及转录因子ABF2、MYB2、RVE7、RVE5和激酶CIPK7。

多组学联合分析

碳水化合物代谢

随着温度降低，ZD通过上调半乳糖变旋酶（GALM）、棉子糖合酶（RFS）、海藻糖-6-磷酸合酶（TPS）等基因表达，显著积累棉子糖、葡萄糖、海藻糖-6-磷酸和蔗糖。同时，α-淀粉酶（AMY）和β-淀粉酶（BAM）基因表达增强，促进淀粉降解为可溶性糖，维持细胞渗透平衡和低温保护。

谷胱甘肽代谢

ZD在10月高表达6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（PGD）和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD），促进NADPH生成；12月上调谷胱甘肽合成酶（GS）和谷胱甘肽还原酶（GR），有效维持GSH/GSSG redox平衡。代谢物检测显示ZD中 glutamate、葡萄糖-6-P和核酮糖-5-P含量显著高于BM，氧化压力更低。

黄酮类生物合成

10月ZD通过激活查尔酮合酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、肉桂酸-4-羟化酶（CA4H）等基因，积累柚皮素、圣草酚等20种黄酮前体。12月虽然合成基因表达下调，但伪赝靛素、染料木素、异甘草素等16种黄酮仍持续积累，发挥抗氧化功能。

水杨酸信号通路

ZD在10月高表达苯丙氨酸解氨酶（PAL），12月积累苯丙氨酸、反式肉桂酸和水杨酸（SA）。SA信号通路中NPR1、TGA家族转录因子（TGA1、TGA3、TGA9、TGA10）和病程相关蛋白（PR）基因在ZD中持续上调，激活抗逆防御反应。

MsBAM1基因功能验证

构建MsBAM1-RNAi转基因株系发现，干扰株系在复合胁迫下β-淀粉酶活性和可溶性糖含量显著降低，淀粉积累增多，MDA、超氧阴离子（O₂^?）和电解质泄漏率上升。叶绿素荧光参数（F_v/F_m、ETR、φ_PSII）显著下降，表明MsBAM1通过调控糖代谢增强紫花苜蓿复合胁迫抗性。

讨论与展望

本研究揭示了紫花苜蓿通过"代谢-转录"协同调控应对盐碱低温复合胁迫的机制：ZD通过提前启动黄酮积累、增强碳水化合物转化与GSH抗氧化系统，激活SA信号通路和枢纽转录因子网络，维持根系活力和氧化平衡。MsBAM1作为关键基因调控糖代谢稳态，其功能缺失显著降低抗逆性。该研究为耐逆牧草品种选育及盐碱地生态农业提供了分子靶标与理论依据。