近日，分子细胞遗传与遗传育种黑龙江省重点实验室郭长虹教授团队在Plant Biotechnology Journal（生物学1区，IF =10.5）发表题为“MsAREB1 enhances combined cold and saline–alkali stress tolerance by promoting ascorbic acid biosynthesis in alfalfa”的研究论文。该研究揭示了MsAREB1调控紫花苜蓿抗坏血酸生物合成响应寒冷和盐碱复合胁迫的分子机制。

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是世界上栽培最广泛的多年生豆科牧草，具有蛋白含量高、适应性强、易于家畜消化等特点，被誉为“牧草之王”。寒冷和盐碱胁迫是寒区盐碱地紫花苜蓿生产面临的主要问题，二者经常同时发生。因此，挖掘和鉴定紫花苜蓿响应寒冷和盐碱复合胁迫的关键基因，对于紫花苜蓿的抗逆遗传改良和寒区盐碱地的有效利用具有重要意义。

研究发现，寒冷和盐碱复合胁迫显著诱导了紫花苜蓿中MsAREB1的表达，增加了脱落酸和抗坏血酸的含量。复合胁迫下，野生型紫花苜蓿的顶端严重弯曲、叶片萎蔫和坏死，而过表达MsAREB1紫花苜蓿没有观察到明显的损伤。此外，过表达MsAREB1紫花苜蓿的抗坏血酸含量增加，ROS含量下降。

图1 MsAREB1正向调控寒冷和盐碱复合胁迫耐受性

进一步研究发现，MsAREB1直接结合MsMIOX2启动子的G-box元件并激活其表达。复合胁迫下，过表达MsAREB1促进了紫花苜蓿MsMIOX2基因的表达，提高了MIOX酶活性。过表达MsMIOX2，提高了紫花苜蓿抗坏血酸含量，抑制了ROS的产生。以MsAREB1为诱饵，利用Y2H筛选紫花苜蓿cDNA文库，鉴定出一个bHLH型转录因子MsILR3。通过Y2H、BiFC、LCI和Pull-down试验，证明了MsAREB1和MsILR3之间相互作用。MsILR3直接结合MsMIOX2启动子并抑制其转录。同时，MsILR3和MsAREB1之间的拮抗相互作用影响了对MsMIOX2启动子的调控。

图2 MsILR3抑制并竞争MsAREB1

与MsMIOX2启动子的结合

这项研究首次证实了紫花苜蓿中MsAREB1-MsILR3转录调控模块的存在，揭示了该模块通过拮抗作用调控抗坏血酸（AsA）生物合成以响应寒冷和盐碱复合胁迫的重要功能。研究阐明正常条件下，MsILR3通过与MsAREB1互作抑制其活性，MsILR3竞争结合MsMIOX2启动子G-box，双重抑制抗坏血酸合成；寒冷和盐碱复合胁迫时，ABA信号触发MsAREB1上调而MsILR3下调，解除抑制后的MsAREB1蛋白高效激活MsMIOX2转录，显著提升抗坏血酸含量与ROS清除能力。该成果有助于深入理解植物应对多重胁迫的转录调控网络，抗坏血酸合成途径与环境适应的关联机制，为紫花苜蓿抗逆遗传改良及寒区盐碱土壤的植被恢复提供了科学依据。

图3 紫花苜蓿MsAREB1-MsILR3模块通过调控

MsMIOX2的表达响应寒冷和盐碱复合胁迫的模型

作者和基金项目

我院博士研究生郭卫冷为该论文的第一作者，硕士研究生孙源擎为论文共同第一作者。郭长虹教授为该论文的通讯作者。硕士研究生柴聚琦、博士研究生刘磊和李佳奇、青年教师任月坤也参与了该论文工作。该研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目和哈尔滨师范大学博士科研基金的资助。

论文链接:http://doi.org/10.1111/pbi.70156