苜蓿叶片类胡萝卜素对干旱-复水的响应及其调控机制

Water is one of the primary environmental factors regulating the yield and quality of alfalfa (Medicago sativa L.). Enhancing the drought tolerance of alfalfa is therefore of great significance to promote the development of alfalfa industry. Carotenoids, as essential photosynthetic pigments, plays a vital role in drought adaptivity of plants. This research plans to investigate the alfalfa cultivar Xinjiang Daye in the pot experiments; by comparing the changes of leaf carotenoids contents and its composition under drought stress and re-watering conditions at different growth periods, it aims to identify the responses of leaf carotenoids to short-term drought and rehydration, so as to detect the soil water threshold that triggers significant changes in leaf carotenoids; By analyzing the effects of leaf carotenoids content reduction on the morphology and physiological-ecological characteristics with carotenoids inhibitor treatments, this research aims to elucidate the physiological pathways of leaf carotenoids content change, and reveal the physiological role of carotenoids in helping alfalfa adapt to drought stress; With the help of transcriptomics technology, we will further investigate the potential differences in the gene expression profiles of leaves varying with the drought-induced changes of leaf carotenoids contents. Capturing the responses characteristics of carotenogenic genes to drought stress and further revealing the physiological and molecular mechanisms of alfalfa leaf carotenoids synthesis and metabolism under drought and rehydration, will jointly help to advance our current understanding of breeding high quality and drought tolerant alfalfa varieties, providing reasonable cultivation measures for regional agriculture management.

水分是影响苜蓿产量与品质最主要的环境因素。提高苜蓿耐旱性，对促进苜蓿产业发展具有重要意义。类胡萝卜素作为一种重要的光合色素，在植物生存及适应干旱胁迫中发挥着重要作用。本项目拟采用盆栽控制试验，以新疆大叶苜蓿为材料，在干旱及复水条件下，系统研究不同生育期苜蓿叶片类胡萝卜素含量及构成的变化，阐明叶片类胡萝卜素对短期干旱及复水的响应特征，明确类胡萝卜素含量发生显著变化的土壤水分阈值；采用类胡萝卜素抑制剂处理，对比研究叶片类胡萝卜素对形态及生理生态特征的影响，揭示类胡萝卜素在苜蓿适应干旱环境过程中的生理学功能，阐明叶片类胡萝卜素含量变化的生理途径；利用转录组学技术，研究干旱胁迫诱导叶片类胡萝卜素含量显著变化时叶片中的基因表达谱差异，明确类胡萝卜素代谢途径关键基因的响应特征，以全面揭示干旱-复水条件下苜蓿叶片类胡萝卜素合成与代谢的生理及分子机制，为优质耐旱品种的选育与合理栽培措施的制定提供理论依据。

水分是影响苜蓿产量与品质最主要的环境因素。提高苜蓿耐旱性，对促进苜蓿产业发展具 有重要意义。类胡萝卜素作为一种重要的光合色素，在植物生存及适应干旱胁迫中发挥着重要作用。本项目采用盆栽控制试验，基于类胡萝卜素抑制剂（NFZ）处理和转基因技术，以新疆大叶苜蓿为材料，在干旱及复水条件下，开展了叶片类胡萝卜素对干旱及复水的响应特征、叶片类胡萝卜素对光合等生理生态特征的影响及作用机制方面的研究。结果表明：1）β-胡萝卜素（59.32%）占苜蓿叶片类胡萝卜素总量的比值显著大于其它组分；苜蓿叶片类胡萝卜素总量及其各组分含量变化在干旱过程中均呈现上升趋势，而在复水后，叶片类胡萝卜素各组分响应方式不同；2）在干旱-复水条件下，NFZ施加导致了苜蓿叶片类萝卜素含量显著下降，NPQ降低表明叶片类胡萝卜素含量减少限制了光合作用中热耗散能力，从而降低了苜蓿的光合能力，导致苜蓿蒸腾速率增大，叶片持水能力、水分利用效率、净光合速率Pn与初始荧光Fo显著降低；光合响应-光响应曲线与CO2响应曲线的研究结果表明，叶片类胡萝卜素含量升高，可使植株具有较高光饱和点、CO2饱和点、最大净光合速率、羧化效率、暗呼吸速率和光呼吸速率以及相对较低的CO2补偿点，有效的改善植株的光合能力与CO2利用能力，提高了植株对高光强环境与不同CO2浓度环境的适应性。3）从新疆大叶苜蓿中，成功分离并鉴定了类胡萝卜素代谢关键基因Orange基因，其氨基酸序列与其他植物高度同源；通过烟草叶片瞬时表达试验，发现MsOr蛋白定位于叶片叶绿体中；与其他组织器官相比，成熟叶片中的转录水平最高，干旱、盐、氧化等非生物胁迫能显著诱导MsOr基因的表达；MsOr基因在植株中过表达，能显著提高叶片中类胡萝卜素积累的同时，还显著改善了植株对干旱等非生物胁迫的耐受性。本项目研究成果可为优质耐旱乡土苜蓿品种的选育提供理论依据。