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国际植物科学领域TOP期刊Plant Biotechnology Journal（生物学1区TOP，IF = 10.5）发表了最新研究成果，论文题目为“Metabolo-transcriptomics analyses reveal alfalfa adaptation to combined saline-alkali and low-temperature stress in the field”，揭示了大田紫花苜蓿对盐碱与低温复合胁迫的适应机制。
紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是多年生豆科植物，因其蛋白质含量高、适应性广，被誉为“牧草之王”。全球土壤盐碱化问题日益加剧，极端气候事件频发，对农业生产构成严峻挑战。在盐碱地种植紫花苜蓿可缓解优质饲草与主粮作物争地的矛盾。我国东北地区集中分布着广阔的盐碱土地，并且该地区种植的植物常会遭受到低温冻害，导致植物需要同时应对盐碱和低温复合胁迫。因此，揭示大田紫花苜蓿对盐碱与低温复合胁迫的适应机制，对促进盐碱地的综合利用和保障国家粮食安全具有重要意义。
该研究测定了盐碱地种植的紫花苜蓿（Zhaodong [ZD]，Blue Moon [BM]）的生物量及生理指标，发现两品种对复合胁迫的适应策略不同。ZD相比BM积累了更多可溶性糖、脯氨酸和总黄酮，并通过地上部分早衰减少能耗，促进根系抗逆物质积累，提高越冬存活率（图1）。
图1. 复合胁迫条件下ZD和BM的田间表型、
生物量、生理指标变化情况
代谢组分析显示，相较于BM，ZD特异性积累了氨基酸、有机酸、碳水化合物、脂肪酸和类黄酮等物质，其中异亮氨酸、延胡索酸、棉子糖、2-羟基二十二烷酸和异牡荆素是ZD特异性积累的关键差异代谢物。转录组分析表明，ZD在半乳糖代谢、淀粉和蔗糖代谢及类黄酮生物合成途径中上调的差异基因更丰富。通过代谢-转录组联合分析揭示了碳水化合物、谷胱甘肽、黄酮类和水杨酸合成途径是紫花苜蓿适应复合胁迫的关键通路（图2）。
图2. 复合胁迫条件下ZD和BM在碳水化合物、
谷胱甘肽、黄酮类和水杨酸合成途径基因表达
与代谢物积累的动态差异
此外，基于WGCNA分析鉴定出10个响应复合胁迫的枢纽基因，其中MsBAM1通过调控碳水化合物合成通路发挥作用，该基因的沉默会削弱紫花苜蓿对盐碱和低温复合胁迫的耐受性（图3）。
图3. MsBAM1-RNAi紫花苜蓿降低了
对复合胁迫的耐受性
基于生物量、生理指标、转录组学和代谢组学数据，该研究构建了紫花苜蓿在盐碱和低温复合胁迫下适应机制的示意图，为紫花苜蓿的遗传改良及寒区盐碱地的开发利用提供了科学依据。
图4. 紫花苜蓿对盐碱和低温复合胁迫的
适应机制模型图
我院博士研究生郭睿、青年教师刘磊和博士研究生李佳奇为论文共同第一作者，郭长虹教授为该论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目（U21A20182，31972507）和哈尔滨师范大学博士研究生创新基金项目（HSDBSCX2024-07）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70356
