交替氧化酶（AOX）呼吸途径影响返青期苜蓿叶片抗寒性的机制研究

Late spring chilly always happens in North China, such as Northeast China, East Inner Mongolia, and Xinjiang etc., and has serious influence on the alfalfa returning green and growth. Mitochondrial Alternative Oxidase (AOX) respiration pathway, an unique non-phosphorylation respiration pathway in plants, can effectively improve plant resistance. We recently found that, the activities of AOX pathway were significantly higher in high cold-resistant alfalfa varieties than that in high cold-resistant alfalfa varieties under low temperature, and AOX protein expression were induced by low temperature, moreover, AOX respiration affected the rate of returning green obviously, based on which, it is speculated that AOX pathway may contribute to the cold-resistance of alfalfa. This project focuses on the problem of grass returning to green under limited temperature in the process of grassland establishment in North China. The effect of AOX respiration after low temperature stress on alfalfa leaf cell membrane integrity, redox balance and photosynthetic activity, will be studied from the aspects of structure, physiology and biochemistry, metabolomics and molecular level, to reveal the mechanism of AOX respiration pathway to improve leaf cold resistance in alfalfa greening process. It is of great importance in the alfalfa smooth rejuvenation, and provides new ideas for genetic improvement and breed breeding of cold-resistant varieties in the future. On this base, hoping to release the limitation of spring cold frost and other low temperature stress to the rejuvenation process of forage, this study will provide theoretical support for the success of pasture planting and sustainable use of grassland in northern China.

倒春寒在我国北方如东北、内蒙古东部、新疆等地时有发生，严重影响苜蓿的顺利返青和生长发育。线粒体交替氧化酶（AOX）呼吸途径是植物体内特有的非磷酸化呼吸途径，能够有效提高植物的抗逆性。我们前期发现，低温下苜蓿高抗寒品种其AOX呼吸显著高于低抗寒品种，且低温诱导AOX蛋白表达；AOX呼吸显著影响苜蓿的返青率，由此推测，AOX呼吸与苜蓿叶片抗寒性有关。本项目围绕我国北方草地建植过程中低温限制牧草返青的问题，从结构、生理生化、代谢组学以及基因表达调控多角度研究低温胁迫后AOX呼吸对苜蓿返青期叶片细胞膜完整度、氧化还原平衡状态以及光合活性等方面的影响，揭示AOX呼吸途径对于苜蓿返青过程中叶片抗寒性的影响及作用机理，对苜蓿的顺利返青有重要的意义，为今后抗寒品种的遗传改良和品种选育提供新思路，以此解决春季霜冻寒潮等低温胁迫对牧草返青过程的影响，将对我国北方地区牧草成功建植和草地可持续利用提供理论支持。

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）在我国尤其是新疆广泛种植，但新疆地区地理气候条件特殊，春季倒春寒引起的低温寒潮常常发生，严重影响紫花苜蓿的生长发育及其产量，限制着新疆草牧业的发展。交替氧化酶（Alternative oxidase，AOX）呼吸途径是植物特有的一种呼吸途径，有助于提高植物的抗逆性。本研究以不同秋眠级的新牧4号和甘农5号作为研究材料，分别从光合活性、活性氧的产生和清除等方面研究AOX呼吸途径对越冬前后紫花苜蓿光合作用以及生长发育的影响。主要研究结果如下：.（1）限制AOX呼吸途径后，两品种紫花苜蓿叶长、叶宽、茎粗、株高等显著下降，第一茬草产量也随之下降，这表明AOX呼吸途径对于维持紫花苜蓿的生长发育以及草产量的形成有重要的贡献。.（2）限制AOX呼吸途径后，两品种紫花苜蓿叶片的叶绿素含量、光合速率、气孔导度、光饱和点、表观量子效率都出现明显的下降，苜蓿叶片的气孔长度、宽度均呈显著下降趋势。这表明，AOX呼吸途径通过影响紫花苜蓿叶片的光能利用效率以及光合机构活性进而限制了紫花苜蓿叶片的光合速率。此外，AOX呼吸途径影响苜蓿叶片气孔发育及气孔形态，限制了CO2进入叶肉细胞进行光合作用。.（3）限制AOX呼吸途径后，两品种间的Fv/Fm显著下降，PSII电子传递链电子从供体侧放氧复合体到PSⅡ电子供体侧QA向QB、QB向PQ的传递无显著变化，PSⅡ的有效量子产率QY、非光化学叶绿素荧光淬灭NPQ以及光化学淬灭系数Qp均无显著变化。这表明AOX呼吸途径会影响紫花苜蓿叶片的PSII最大光化学效率，但对PSⅡ的电子传递以及能量分配均无显著影响。.（4）AOX呼吸途径受到限制后，紫花苜蓿叶片内的活性氧含量显著增加，类囊体膜的过氧化程度加重，叶片活性氧清除酶的活性下降，这表明，AOX呼吸途径通过减少活性氧的产生以及影响活性氧清除酶的活性进而减轻苜蓿叶片的氧化伤害。.（5）AOX呼吸途径被抑制后，两品种紫花苜蓿在越冬后的对比研究表明，抗寒性更强的新牧4号光合速率以及光能利用率等相关指标下降程度更大，且活性氧积累更重，这表明，AOX呼吸途径在抗寒性较强的紫花苜蓿叶片内作用更大，且苜蓿叶片AOX呼吸途径在越冬后返青过程中，通过影响叶片的光能利用效率、光合机构活性和气孔的发育，以及维持叶片内的氧化还原平衡来提高苜蓿的的抗寒性。