霸王适应逆境的分子基础及其在紫花苜蓿遗传改良中的利用

The xerophytes living in desert steppes have evolved specialized strategies to survive in harsh environments. Understanding the molecular mechanisms, including identifying key stress-resistance genes from xerophytes, is important for our fundamental knowledge of plant stress adaptation. It also allows for genetic improvement of fine forages, which have been cultivated under favourable farming regimes for a long period and thus possess very limited natural stress resistance. Our previous investigation has demonstrated that high accumulation of K+, Na+, Cl- ions and well-developed leaf cuticles allow the succulent xerophyte Zygophyllum xanthoxylum to successfully adapt to drought, saline, and high temperature conditions. In addition, we have identified a series of stress-responsive genes encoding functional proteins and transcription factors involved in above adaptation processes of Z. xanthoxylum. In this proposal, the functional mechanisms of these genes will be analyzed by combining molecular biological techniques, including transcriptome sequencing, RNA in situ hybridization, heterologous expression, and CRISPR-Cas9-mediated genome editing. The key stress-resistance genes from Z. xanthoxylum will then be chosen and transformed into important forage alfalfa (Medicago sativa L.) to generate a batch of novel breeding materials with enhanced stress resistance, high yield and good quality. This project will contribute to breaking the bottleneck of stress-resistance gene scarcity in genetic improvement of cultivated forages, and open a new avenue for significantly enhancing the stress resistance of fine forages, such as alfalfa.

荒漠草原上的旱生植物在漫长的适应严酷环境过程中，形成了独特的抗逆机制，揭示其分子基础并发掘所蕴含的丰富抗逆基因资源，对因长期在较优裕条件下栽培种植、抗逆性遗传潜力十分有限的优良牧草的遗传改良具有重要的理论及应用价值。我们前期研究表明，大量吸收积累K+、Na+、Cl-和发达的叶表皮角质层在多浆旱生植物霸王适应干旱、盐渍、高温等生境过程中发挥着重要作用，并筛选到一系列相关的逆境响应功能基因及转录因子。在此基础上，本项目拟采用转录组测序、RNA原位杂交、异源表达、CRISPR-Cas9等技术，进一步系统阐明霸王上述逆境适应过程中的重要功能基因及转录因子的作用机制；并将若干具有潜在应用价值的霸王关键抗逆基因转入重要牧草紫花苜蓿，创制一批抗逆、高产、优质的育种新材料。项目的实施，将有助于突破栽培牧草遗传改良中抗逆基因资源匮乏的瓶颈，为大幅度提高紫花苜蓿等优良牧草的抗逆性开辟新途径。

分布于荒漠区的旱生植物在长期适应干旱、盐碱和高温等严酷生境过程中形成了复杂而独特的抗逆机制，揭示其分子基础并发掘所蕴含的优异抗逆基因资源，可为优良牧草和农作物抗逆性的遗传改良奠定基础。本项目系统揭示了旱生植物霸王适应荒漠生境的分子基础，阐明了相关重要基因的作用机制，并将关键抗逆基因应用于紫花苜蓿抗逆性的遗传改良。主要取得了如下重要成果：(1)利用基因组和转录组学分析发现，霸王通过相关基因家族的扩张及协同表达，以积累大量Na+和K+作为“廉价”的渗透调节剂，并形成了发达的角质层，以有效增强植株保水能力。(2)发现40°C处理可显著促进霸王生长，基于转录组分析筛选了一批与霸王抗热性相关的转录因子、热激蛋白等编码基因。(3)系统分析了霸王Na+、K+转运关键基因的功能，发现高亲和性转运蛋白ZxHKT1;1介导根系木质部汁液中的Na+向薄壁细胞的卸载；K+转运蛋白ZxKUP6和ZxKUP7参与调控盐和干旱胁迫下植株K+、Na+稳态平衡，进而影响植株的耐盐和抗旱能力；液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白ZxNHX1具有比盐敏感植物中同源蛋白更强的Na+选择性；环核苷酸门控离子通道ZxCNGC1;1和ZxCNGC1;2介导Na+的吸收。(4)发现霸王是研究角质层蜡质在调控非气孔性水分散失中作用的理想材料，且角质层蜡质在其逆境适应中发挥重要的生理功能；并分析了霸王蜡质形成相关重要基因的表达模式。(5)明确了霸王ZxWRKY48、ZxWRKY70、ZxNAC72、ZxNAC2等转录因子基因的表达模式及组织与亚细胞定位，发现转录因子WRKY29在植株抗旱性中发挥重要作用。(6)利用霸王液泡Na+区域化功能基因ZxNHX1和ZxVP1创制出耐盐、耐贫瘠的紫花苜蓿新种质，并通过导入霸王脂质转运蛋白基因ZxABCG11获得了生物量增加、抗旱和耐热性增强的紫花苜蓿育种新材料。上述研究结果系统揭示了霸王的抗逆机制，且率先将荒漠植物抗逆关键基因用于牧草抗逆性的遗传改良，突破了传统育种中的物种界限，创制了一批性状优异的新种质，为培育能够在我国北方干旱缺水、盐渍化和贫瘠的撂荒地生长的高产、抗逆、优质紫花苜蓿新品种奠定了坚实的理论与实践基础。