外源一氧化氮调控紫花苜蓿抗旱性的信号转导机制研究

This project is based on our previous work and focusing on the study of drought resistance mechanism of Medicago Sativa treated with exteral Nitric Oxide (NO). With the method of physiology biochemistry experiment, bioinformatic technique, especially transcriptome was utilized to investigete the different aspects of the drought resistance of Medicago Sativa, in order to select drought resistance genes and identify the resistance mechanism, and understand the expression of gene. At the same time, combine with the gene research of relevance between physiological-regulating and different expression, also make clear the relationship between NO and the genes of alfalfa drought resistance regulatory network and path. Thus generally disclose the expression mechanism of drought resistance in alfalfa and their signal transduction mechanism induced by Nitric Oxide. The results would provide useful techniques to improve germinate rate of seeds and survival rate of seeding in the alfalfa field of northwest dry areas of China.

针对我国西北地区紫花苜蓿生产过程中始终处于干旱胁迫的特点，结合我们的前期紫花苜蓿和NO的研究基础，采用转录组测序及生物信息分析技术，结合生理生化实验手段,从生理及分子调控机制不同层次，研究干旱胁迫下外源NO对苜蓿抗旱基因表达机制和生理调控功能作用，以期筛选出差异表达基因，明晰其功能；同时，结合生理调控与差异表达基因的关联性，揭示NO与苜蓿抗旱相关基因的表达机制与网络调控功能及信号转导途径。从而为应用NO信号物质在提高干旱区大田苜蓿种子萌发和幼苗生长提供理论和技术支撑。

干旱是制约生态环境建设、植物分布和生产力的世界性问题。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是世界上分布广泛且享有盛誉的优良豆科牧草，在改善生态环境、水土保持方面具有天然优势。然而，日益加剧的干旱对紫花苜蓿的种植面积和产量构成了严重威胁。一氧化氮（NO）作为重要的内源信号分子在植物生长发育以及抵抗非生物胁迫过程中发挥了重要的作用。本研究中我们采用外源NO供体硝普钠（SNP）和内源NO清除剂（cPTIO）对干旱胁迫下的紫花苜蓿种子及幼苗进行处理，研究NO在紫花苜蓿种子萌发、幼苗生长、及抗性的影响。其次我们从转录组学对比分析了外源NO及内源NO在调控紫花苜蓿芽苗及幼苗叶片响应干旱胁迫的分子机制。最后从形态、生理生化及分子水平上阐明NO在调控紫花苜蓿抗旱的机制。研究发现：（1）外源NO促进了干旱胁迫下苜蓿种子的萌发，幼苗的分枝数及干生物量。（2）外源NO提高了紫花苜蓿抗氧化酶活性、抗氧化物质的含量、渗透调节物质含量，缓解了干旱胁迫引起的氧化损伤，保护了细胞和膜结构完整。（3）外源NO提高了紫花苜蓿幼苗的光合能力，卡尔文循环途径中关键酶活性增加，蔗糖、果糖和葡萄糖等碳同化物质含量增加，柠檬酸循环中关键酶活性增加。（4）外源NO提高了苯丙氨酸解氨酶和多酚氧化酶的活性，使苜蓿中总酚、类黄酮和木质素的含量增加。（5）转录组测序分析发现干旱下施加外源NO引起的差异表达基因主要参与淀粉与蔗糖代谢、氮代谢、类黄酮、苯丙烷、类胡萝卜素等次级物质合成等通路。干旱胁迫下缺失内源NO引起的差异表达基因主要富集在氨酰基-tRNA生物合成、光合作用、光合天线蛋白、类胡萝卜素合成、光合器官碳固定、柠檬酸循环、乙醛酸代谢等碳固定和碳代谢进程。研究外源NO诱导苜蓿响应干旱胁迫的形态、生理生化和分子机制，发掘参与苜蓿干旱胁迫响应的调控/功能基因并明确其作用机理，其成果应用于提高大田种子萌发、幼苗成活率及提高植物抗旱性，为干旱区苜蓿抗旱高产提供理论指导。