MfERF053通过调控ABA信号、抗氧化防御和光合保护增强紫花苜蓿抗旱性的多通路协同机制研究

《Plant Physiology and Biochemistry》：Heterologous expression of MfERF053 enhances alfalfa drought resistance by regulating ABA signaling, antioxidant defense, and photosynthetic protection

本研究针对紫花苜蓿(Medicago sativa)抗旱性差的生产难题，通过异源表达镰形苜蓿来源的MfERF053基因，系统解析其通过激活ABA信号通路（PYR/PYL-SnRK2-ABF）促进气孔关闭、上调抗氧化酶（CAT/APX）活性清除ROS、维持光合系统（PSII）稳定性等多通路协同机制，显著提高转基因苜蓿存活率（68.05% vs 12.96%）和水分利用效率，为牧草抗旱育种提供了新靶点和理论支撑。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，干旱胁迫已成为制约农业生产的主要非生物胁迫之一。作为重要的多年生豆科牧草，紫花苜蓿（Medicago sativa）因其高蛋白含量和营养价值被广泛种植，但干旱会导致其生长受阻、生物量下降和品质劣变。解析紫花苜蓿抗旱分子机制并挖掘关键调控基因，对培育抗旱品种具有重要意义。AP2/ERF转录因子家族作为植物特有的调控因子，在逆境响应中发挥核心作用，但其在非模式作物紫花苜蓿中的多通路协同调控机制尚不清晰。近期发表于《Plant Physiology and Biochemistry》的研究通过异源表达镰形苜蓿（Medicago falcata）来源的MfERF053基因，系统揭示了该基因通过ABA信号传导、抗氧化防御和光合保护的三级调控网络增强紫花苜蓿抗旱性的新机制。

本研究主要采用以下关键技术方法：以紫花苜蓿“中牧1号”为材料，通过农杆菌介导的叶盘法构建MfERF053过表达（OE）和RNA干扰（RNAi）转基因株系；采用自然干旱处理模拟田间干旱条件，通过生理表型分析（相对含水量、相对电导率、抗氧化酶活性、光合参数等）和转录组测序（RNA-seq）解析基因功能；利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）挖掘核心调控模块。

研究结果如下：

3.1. MfERF053过表达增强紫花苜蓿抗旱性

干旱胁迫13天后，OE株系存活率（68.05%）显著高于RNAi株系（12.96%）。OE株系叶片相对含水量（29.45%）更高，相对电导率（7.33%）和丙二醛（MDA）含量（103.20 nmol·g^-1）更低，表明其具有更强的水分保持能力和膜脂过氧化抗性。根系表型显示OE株系侧根更发达，根生物量（0.51 g）和根相对含水量（11.62%）均显著优于RNAi株系。

3.2. MfERF053过表达通过调控气孔运动降低叶片失水

离体叶片干燥实验表明OE株系8小时水分保留率（54.15%）最高。气孔观测显示干旱条件下OE株系气孔开度（宽长比0.20）最小，完全关闭气孔比例（35.80%）最高，说明MfERF053通过促进气孔关闭减少水分蒸腾。

3.3. MfERF053过表达增强抗氧化酶活性

干旱胁迫下OE株系超氧阴离子（O₂^-）和过氧化氢（H₂O₂）积累量最低，而过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性分别提高105.61%和376.49%，表明MfERF053通过激活抗氧化系统有效清除活性氧（ROS）。

3.4. MfERF053过表达增强光合作用

OE株系在干旱下光合系统II最大光化学效率（F_v/F_m）仅下降3.18%，非光化学淬灭（NPQ）增幅最小（23.63%）。叶绿素a/b降解程度（11.28%/19.47%）显著低于RNAi株系，净光合速率（Pn）下降幅度（9.69%）最小且水分利用效率（WUE）显著提升，说明其能协同维持光系统稳定性和碳同化能力。

3.5. MfERF053抗旱机制的多组学解析

转录组分析发现OE株系差异表达基因富集于ABA信号转导、氧化还原酶活性和光合途径。MfERF053通过上调ABA受体基因PYR/PYL、激酶基因SnRK2和转录因子基因ABF，同时抑制负调控因子PP2C，激活ABA信号通路；显著上调CAT1、APX等抗氧化基因表达；通过抑制叶绿素降解酶基因PPH/PAO、上调光保护蛋白基因ELIP和光系统修复蛋白酶基因FTSH6，多维度维护光合机构功能。WGCNA进一步揭示叶片“紫色模块”（含脂肪酸代谢基因ACX5）和根系“黄绿模块”（含蔗糖合成酶基因SUS4）的协同调控网络。

研究结论与讨论部分强调，MfERF053通过“信号激活-防御增强-能量保障”三级调控网络提升抗旱性：上游激活ABA信号实现气孔-根系水分协同平衡；中游多靶点调控抗氧化基因清除ROS；下游通过抑制叶绿素降解和修复PSII维持光合效率。该研究首次在紫花苜蓿中揭示ERF转录因子通过多通路协同调控抗旱性的模式，不仅为牧草抗旱育种提供优异基因资源，也为理解非模式作物逆境应答机制提供了新视角。未来需通过EMSA、ChIP-qPCR等技术验证MfERF053与下游基因的直接互作关系，并探索其在不同生育期和田间条件下的调控网络。