杨培志教授团队揭示工程根瘤菌调控细胞分裂素合成增强紫花苜蓿耐热性的分子机制

近日，学院杨培志教授团队在牧草抗逆领域取得重要研究进展，相关研究成果以“Mechanism of engineered rhizobia overexpressing cytokinin improve heat stress response in Alfalfa”为题发表在《Plant, cell & environment》，系统解析了过表达细胞分裂素的工程根瘤菌通过多途径调控紫花苜蓿响应热胁迫的分子机制，为培育耐热苜蓿新品种提供了全新的技术策略和理论支撑。已毕业硕士研究生祁翔宇、副教授申小霞老师、上海大学教授罗利老师为论文共同第一作者，杨培志教授为通讯作者。

紫花苜蓿作为优质豆科牧草，其耐热性改良对畜牧业可持续发展至关重要。细胞分裂素作为关键植物激素，在调控植物抗热反应中发挥核心作用，而根瘤菌与苜蓿的共生关系为通过微生物工程改良牧草抗逆性提供了试验基本。本研究首先构建了两种工程根瘤菌菌株Plac-ipt（组成型启动子）和PkatG-ipt（ROS响应型启动子），并以野生型根瘤菌Sm1021和空载体菌株pK19为对照，对紫花苜蓿（新疆大叶）进行接种处理并开展热胁迫（38℃/35℃）试验。表型分析发现，热胁迫下接种工程根瘤菌的苜蓿植株倒伏、叶片脱水萎蔫和黄化现象显著减轻，株高较对照分别提升12.3%和17.6%，鲜重、干重更是达到对照的4倍以上，生长优势显著。工程根瘤菌接种能有效缓解热胁迫对苜蓿光合系统的损伤，其叶片叶绿素含量、净光合速率、气孔导度等光合参数相较对照组显著提升。同时，工程根瘤菌显著增强了苜蓿的ROS清除能力，热胁迫下其叶片H₂O₂和超氧阴离子（O₂⁻）积累量较对照分别降低50.7%和14.9%，有效减轻了氧化损伤。激素检测发现，工程根瘤菌能持续向苜蓿叶片输送反式玉米素（tZ），使其叶片tZ含量在热胁迫全过程均显著高于对照。

转录组分析发现，工程根瘤菌诱导苜蓿叶片中3420个基因出现差异表达，其中大量热胁迫响应基因（如MsGHSP90、MsGHSfA2）、光合作用相关基因、ROS清除相关基因及类黄酮合成关键基因显著上调，这些基因从蛋白稳态维持、信号转导、抗氧化防御、能量代谢等多层面协同提升苜蓿抗热性。代谢组结果显示，热胁迫下接种工程根瘤菌的苜蓿叶片中没食子酸、阿魏酸、芹菜素等黄酮类、酚酸类物质显著积累，这些物质通过参与ROS清除过程增强耐热性；综上，该研究结果表明，工程根瘤菌通过合成并向紫花苜蓿叶片输送反式玉米素，改变叶片激素平衡，进而激活热休克蛋白、抗氧化酶、类黄酮合成等多通路基因的表达，提升光合效率、增强ROS清除能力、调控次生代谢，从而提升紫花苜蓿的耐热性。

该研究得到了国家科技创新2030重大项目（2022ZD04011）、国家自然科学基金重点项目（32430073）、国家现代农业产业技术体系（CARS-34）等项目的资助。作物抗逆与高效生产全国重点实验室、园艺学院园艺科学研究中心为该研究提供了重要的技术支撑。