紫花苜蓿耐铝有机酸作用系统及其分子调控机理研究

我国南方红、黄壤区土壤普遍呈现强酸富铝特性，严重的铝胁迫抑制紫花苜蓿生长，限制紫花苜蓿在南方种植。本课题选择对紫花苜蓿耐铝毒有明显促进作用的内源有机酸系统作为研究对象，采用铝胁迫处理、外源有机酸处理和酶活抑制剂处理三个途径，从有机酸合成代谢过程的主要产物、主要有机酸合成酶的活性、蛋白表达和基因表达四个层面，系统研究缓解紫花苜蓿铝毒的主要有机酸系统（包括组成和含量）及其主要合成酶系统（包括酶活性、蛋白表达和基因表达）。主要研究内容：铝胁迫下紫花苜蓿有机酸系统的动态变化；铝胁迫对紫花苜蓿主要有机酸合成酶系统的影响；外源有机酸对紫花苜蓿有机酸系统及其合成酶系统的影响；抑制主要有机酸合成酶活性对紫花苜蓿有机酸系统和主要合成酶系统的影响，以期揭示苜蓿耐铝胁迫的有机酸作用系统及其分子调控机理，发现铝胁迫下制约苜蓿有机酸合成的关键环节，确定关键限速酶，为进一步开展耐铝紫花苜蓿基因克隆和分子育种奠定基础。

课题围绕铝胁迫紫花苜蓿有机酸、激素及其主要合成酶的动态变化开展研究，主要研究结果如下：.1）发现了有机酸以系统方式，而非有机酸个体方式作用于紫花苜蓿的耐铝毒功能，其中，琥珀酸是苜蓿耐铝毒有机酸系统形成的关键底物，琥珀酸硫激酶（SCS）是关键限速酶，并且，首次发现Al离子结合在核仁上。喷施柠檬酸、苹果酸或草酸分别只提高铝胁迫苜蓿根系的苹果酸或草酸含量，与此相比，喷施琥珀酸大幅提高了铝胁迫苜蓿根系中柠檬酸、苹果酸、草酸和琥珀酸的含量及总量，大幅提高苜蓿耐铝胁迫能力；喷施琥珀酸明显上调了铝胁迫苜蓿根系参与TCA循环的苹果酸脱氢酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、SCS和琥珀酸脱氢酶四个基因的表达，以及PEPC, 柠檬酸合成酶，异柠檬酸脱氢酶和ALFA-酮戊二酸脱氢酶的活性，反映出琥珀酸对苜蓿耐铝毒的作用机理。.2）发现了铝胁迫引起紫花苜蓿根尖IAA积累量下降是因苜蓿顶芽IAA合成及向根尖转运量双双下降，以及IAA从根尖向上运输能力增加共同造成，结果导致根系生长受到抑制。铝胁迫下紫花苜蓿顶芽和根尖的IAA含量明显降低，而根颈下部IAA积累量明显上升，这个结果与IAA极性运输调控基因PIN2表达上调的结果相吻合，解释了文献报道的铝胁迫引起根系IAA积累增加，但根系生长却受抑制的相互矛盾的结果，以及铝胁迫植物根长抑制，但根粗增加的现象。.3）不同铝浓度处理的紫花苜蓿基因芯片研究发现，苯丙烷素与黄酮代谢，以及淀粉蔗糖代谢二大代谢通路的基因显著受到铝胁迫的影响，已筛选出24个耐铝毒候选基因。. 本课题预期研究成果：1）弄清紫花苜蓿耐铝毒的有机酸作用系统，揭示铝毒制约紫花苜蓿有机酸合成的关键环节和关键限速酶；2）弄清铝胁迫下，紫花苜蓿主要有机酸合成酶活性变化的分子调控机理；3）发表SCI收录论文1－2篇、国内核心期刊论文2－3篇；4）培养博士1名、硕士2名。对照预期研究成果，课题从有机酸、激素、基因芯片等方面揭示了有机酸调控紫花苜蓿耐铝毒的功能和作用机制；2篇SCI论文接收，1篇已投稿，1篇收录在22nd International Grasslands Congress论文集，1篇英文文章初稿完成；3篇论文发表在国内核心期刊;申请和受权国家发明专利各2个；课题培养博士生2名，硕士生3名（毕业2名），达到预期研究成果。