内蒙古大学生命科学学院牛一丁教授课题组解析豆科牧草抗冷新机制

生物体生长发育过程中不断面临各种胁迫。冷胁迫严重影响植物生长发育，常造成重大经济损失；植物固定生长，无法移动以躲避恶劣环境，必须通过调整其生理生化机制来及时应对外部威胁，因而进化出感知和抵抗外界低温胁迫的能力。扁蓿豆为苜蓿属多年生草本植物，具有抗寒、抗旱、耐贫瘠等特点，多为典型草原和荒漠化草原的伴生种，是内蒙古草原生态补播的优质豆科牧草，也是高产优质高抗豆科牧草育种的重要基因库。乙烯应答因子家族（AP2/ERF）是广泛存在于植物中的一个超大转录因子家族，在植物的生长发育、逆境胁迫、器官构建及激素信号应答中发挥重要调控作用。

近日，我校牧草与特色作物生物学教育部重点实验室牛一丁教授团队利用建立的扁蓿豆毛根转化技术体系，结合转录组、EMSA和酵母单杂交等技术手段，解析了MrERF039在提高扁蓿豆抗寒中的作用机制。研究发现MrERF039可以调控MrCAS15A等基因协同响应植物对低温胁迫的早期应答。进一步研究发现MrERF039可以增强β-淀粉酶基因、UDP糖基转移酶基因等多个糖合成相关基因的表达，使得过表达外源MrERF039的植株中葡萄糖、果糖和麦芽糖的含量显著高于对照，从而增强植株低温胁迫抗性。该研究阐明了豆科牧草应答低温胁迫的新机制，为进一步深入研究AP2/ERF转录因子在调控植物抗寒性中的作用提供了新进展，也为豆科牧草抗寒分子设计育种提供了新的理论依据和候选基因。

相关研究成果“MrDREB1 transcription factor plays an active role in the cold response of Medicago ruthenica as a sugar molecular switch”近日发表在国际植物学研究领军期刊Plant, Cell & Environment（中科院一区Top期刊）。 

图1. MrERF039调控扁蓿豆中冷胁迫应答和糖合成相关基因

图2. MrERF039转录因子的低温响应调控机制模型

该成果得到了国家科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金、内蒙古自治区科技重大专项、内蒙古自治区种业科技创新重大示范工程“揭榜挂帅”项目和内蒙古自治区自然科学基金重点项目的支持。我校生命科学学院2019级博士生付佳宾为该论文第一作者，2022级博士生赵艳云为共同一作，牛一丁教授和郝金凤副研究员为通讯作者。