紫花苜蓿抗旱機制研究進展

權文利產祝龍

（1. 湖北工程學院生命科學技術學院，孝感 432000；2. 中國科學院武漢植物園，武漢 430074）

紫花苜蓿抗旱機制研究進展

權文利1產祝龍2

（1. 湖北工程學院生命科學技術學院，孝感 432000；2. 中國科學院武漢植物園，武漢 430074）

紫花苜蓿是我國種植面積最大的人工牧草，具有重要的經濟價值和社會效益。干旱是影響紫花苜蓿分布及產量的主要環境因子之一。土壤水分不足可導致紫花苜蓿的形態結構發生一定改變，從而使植株能夠更好地適應脅迫環境。同時，苜蓿植株體內可通過一系列生理生化反應來減緩或降低干旱脅迫造成的損傷。近年來，人們對于紫花苜蓿轉基因植株的培育以及苜蓿自身脅迫相關基因的研究報道較多。主要對紫花苜蓿抗旱的形態、生理和分子機制等方面的研究結果進行綜述和討論，發現干旱脅迫導致紫花苜蓿植株體內激素含量的變化，影響相應轉錄因子的活性，從而激活相應的功能基因，引起體內生理生化的變化。建議今后的研究在于闡述紫花苜蓿抗逆應答網絡，挖掘更多的基因資源，通過分子育種手段培養高抗性新品種。

紫花苜蓿；干旱脅迫；形態結構；生理生化反應；分子機制

DOI：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.10.003

干旱是影響植物生長、發育、生產力和分布的主要環境因子之一。旱災發生范圍廣，歷時長，對農業生產影響最大，已成為世界上最嚴重的自然災害之一。紫花苜蓿是世界上栽培最廣的一種優良豆科牧草，具有較高的經濟價值和農業性狀。紫花苜蓿發達的根系統可有效防止水土流失，其抗旱性也優于其他農作物［1］，是我國西北干旱和半干旱地區主栽牧草，對該地區畜牧業的發展和生態環境的改善發揮重要作用。然而，隨著西北地區環境的變化，降水不足已成為限制紫花苜蓿產量的主要因素［2］。近年來，人們對于紫花苜蓿抗旱機制開展了很多的研究，研究領域也逐漸從形態水平過渡到生理生化以及分子水平，這對培育高抗性的苜蓿新品種，提高西北地區苜蓿的生產力具有重要意義。本文綜述了目前紫花苜蓿應答干旱脅迫的不同機理以及分子調控網絡方面的研究進展。

1　紫花苜蓿形態結構對干旱脅迫的響應

植物通過根系吸收水分、礦物質等養料，因此根系的生長狀況將影響到植株的地上部分。紫花苜蓿具有發達的直根系統，隨土壤水分減少其根系生長深度有時可達7-9 m或者更深；同時，根系直徑逐漸變細，以利于吸收利用土壤深層水分［3，4］。陳積山等［5］研究表明根頸的新枝高度、根的干重和根間夾角是最能反映苜蓿抗旱性的根系形態結構指標。在干旱脅迫下，紫花苜蓿主根伸長生長受到抑制、主根直徑變細、側根和根系總長度的伸長生長受到促進、根系表面積和直徑≥1 mm的側根數目明顯增多、根系生物量下降，這都是紫花苜蓿為降低水分消耗、避免和忍耐水分虧缺而采取的適應策略。紫花苜蓿根系形態性狀（總根長、根系生物量與根冠比）與植株水分利用效率間具有顯著相關性，其中根重對水分利用效率的影響最大［6］。

苜蓿根系體積越大，所接觸的土壤面積就越大，越有利于苜蓿大范圍地吸收土壤中的水分。苜蓿根系越發達、伸展的越深，受到的水分脅迫的影響就越小［7］。干旱脅迫條件下，苜蓿的根系生長和莖稈生長均會減慢，但是相對莖稈來說根系受到的影響較小［8］。紫花苜蓿在不同水分處理下根系的生長規律保持基本一致，在其生長季節內都呈現增加的趨勢；但是適度干旱可以促進根系的伸長生長［6］。

植物的功能葉對干旱脅迫最敏感，因此可作為植物對干旱感知的檢測部位，其表皮蠟質是覆蓋于植物表皮角質層上的一層可見的蠟狀突起，在調控植物表皮滲透性、限制非氣孔性水分散失以及抵御水分脅迫等不利環境影響方面起著重要作用［9］。紫花苜蓿表皮蠟質分別由41.7%-54.2%的伯醇，13.2%-26.9%的烷類，17.5%-28.9%的萜類，1.4%-3.4%的少量醇類和4.5%-18.4%的其他組分構成［10］。有研究表明逆境脅迫下，紫花苜蓿可通過葉表皮蠟質的含量、成分或結構的改變而提高抗逆性［11］。蠟質含量與紫花苜蓿品種的抗旱性無直接關系；與總蠟質含量相比，蠟質成分對干旱脅迫處理更敏感。干旱導致伯醇含量的下降，烷類的增加。烷類含量的增加對于提高紫花苜蓿的抗旱性發揮重要作用，可以作為篩選和培育高抗性品種的指標［10］。周玲艷等［12］用質量分數為20%的PEG-6000進行模擬干旱處理，研究結果發現苜蓿王的葉片表面蠟質分布較密集，含量較高，而WL525葉片表面蠟質分布較稀疏，含量較少。模擬干旱處理發現苜蓿王對干旱敏感性最低，表明苜蓿品種葉片表面蠟質覆蓋量與其抗旱能力呈正相關。另外，干旱可通過降低葉面積比和比葉面積來調整植株的形態結構，使植株葉片保持較高的蛋白含量，從而維持較高的光合作用能力。Erice等［13］研究發現4種抗旱性和生長氣候不同的紫花苜蓿的葉面積比、比葉面積和葉干重比存在不同；Tafilalet品種在干旱脅迫下葉干重比和比葉面積較小，表現出較高的抗旱性。

隨著干旱脅迫時間的延長，苜蓿幼苗株高、根長、分枝、根頸直徑和葉面積等都不同程度地呈減小趨勢。根長減小幅度較小，且抗旱性不同的植株減小的幅度也不同，抗旱性強的品種減小的幅度較小，因此也可以作為一個抗旱的測定指標。

2　紫花苜蓿應答干旱脅迫的生理生化變化

2.1滲透調節

干旱脅迫導致植物細胞失水，產生滲透脅迫。滲透調節作為植物抵抗干旱脅迫的有效生理機制之一，在細胞內產生大量的滲透調節物質，降低滲透勢［14］，維持細胞膨壓，穩定蛋白和細胞結構，保護和調節植物正常的生理過程［15］。滲透調節物質分為兩大類，一是小分子有機化合物，如脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等；另一類是蛋白質，如晚期胚胎豐富蛋白、水通道蛋白、熱激蛋白等。

對于紫花苜蓿在干旱脅迫下滲透調節物質的積累研究主要集中于脯氨酸，其在苜蓿的根、葉、根瘤和韌皮汁液中都有積累［16，17］。另外，受干旱脅迫的紫花苜蓿植株中可溶性糖含量也呈現增加趨勢［16］。隨著土壤脅迫強度的增加，脯氨酸和可溶性糖含量增加，且脅迫愈嚴重，脯氨酸和可溶性糖積累愈多，在中度和重度脅迫下脯氨酸積累量較多，重度脅迫下其積累量達到最大值。同時，研究發現脯氨酸和可溶性糖積累與植株細胞膜透性密切相關，脯氨酸和可溶性糖積累愈多膜透性增加愈小，這說明脯氨酸和可溶性糖除作為滲透調節物質外，可保護細胞膜結構的完整性［18］。Slama等［19］研究了8種起源于地中海盆地的紫花苜蓿對水分脅迫的反應，結果表明大多數品種在水分脅迫下，植株體內脯氨酸和可溶性糖濃度顯著增加，其中，起源于阿爾及利亞的Tamantit品種有更好的積累脯氨酸和可溶性糖的能力，表現出較強的抗旱性。在離體脫水處理下，帶有活性根瘤的紫花苜蓿根和葉片中積累的自由脯氨酸和可溶性糖的含量明顯低于不帶有根瘤的植株，這表明脯氨酸和可溶性糖在這些植株的滲透調節中發揮著有限的作用，活性根瘤在紫花苜蓿響應干旱脅迫中可能同樣起一定積極作用［14］。另有研究發現，根瘤菌共生紫花苜蓿根、莖、葉中脯氨酸和可溶性糖含量在空氣干旱后期明顯高于不接種根瘤菌紫花苜蓿，根瘤菌共生紫花苜蓿具有更強的滲透調節能力［20］。干旱脅迫導致兩個抗旱性不同的紫花苜蓿品種Wisfal和Chilean中脯氨酸的大量積累，但兩品種間差別不明顯，說明脯氨酸并不是造成兩者抗性存在差異的主要原因；然而，棉籽糖和甜菜苷的含量在抗性強的品種Wisfal中兩倍高于抗性弱的品種Chilean，這表明棉籽糖和甜菜苷對Wisfal具有較強的抗旱性發揮一定的功能作用［2］。

2.2活性氧及氧化調節

正常生長條件下，植物體內活性氧（ROS）的產生與清除保持動態平衡［21］。但在脅迫下，不斷產生的ROS作為有氧代謝的產物，大量積累，損傷細胞內大分子的結構及其功能，導致膜質過氧化，生物酶失活，抑制細胞周期等［22，23］。植物為應對這一脅迫損傷，啟動體內一套復雜的抗氧化防御系統，包括抗氧化劑，如抗壞血酸和谷胱甘肽，以及抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）和谷胱甘肽還原酶（GR）等［24］，來維持細胞在不同代謝途徑中的正常生理功能。

利用PEG模擬干旱處理兩種抗旱性不同的紫花苜蓿品種，抗旱性強的品種Yazdi中SOD、APX、CAT和POD的活性明顯高于抗旱性弱的品種Gharayonje，表現出較低的電導率（EL）和丙二醛（MDA）含量，說明Yazdi有更好的抵御氧化脅迫損傷的能力。研究結果表明抗氧化系統在清除活性氧方面發揮重要作用，其中抗旱性強的品種中抗氧化系統功能更強［25］。霍學敏等［26］采用改良空氣干旱法對紫花苜蓿金皇后進行0-6 h的干旱處理，發現輕度干旱脅迫下，隨著干旱時間的延長，紫花苜蓿地上部分和地下部分的MDA含量，抗壞血酸（AsA）含量均在短時間內增加，地下部分的POD活性也在短時間內增強，地上部分則無明顯變化，研究表明紫花苜蓿地下部分比地上部分對干旱脅迫反應更為敏感。我們的研究表明，干旱脅迫導致紫花苜蓿細胞膜受損，體內H2O2大量積累，抗氧化酶活性明顯增強，其中，SOD活性隨干旱時間的延長而增強，POD活性隨干旱時間的延長而降低，CAT活性隨干旱時間的延長變化不明顯，但是隴東品種所受的細胞膜損傷較小，活性氧積累量較低，抗氧化酶活性較高，表現出比阿爾岡金品種較強的抗旱性［27］。2.3 紫花苜蓿內源激素對干旱脅迫的響應

植物內源激素在植物生長及發育過程中發揮重要的調節作用。在正常環境條件下，各種激素間保持一種動態平衡；但當植物受到逆境環境脅迫時，這種平衡會受到破壞，導致植物生長規律的紊亂和正常代謝功能的失調［28］。研究發現在干旱脅迫下，紫花苜蓿品種隴東和BL-02-329的葉片中IAA、ABA含量均呈不同程度的上升，GA3和ZR的含量均呈下降趨勢；4種內源激素之間的協調總趨勢是向著氣孔關閉、促進根系發展的方向進行［29］。Xu等［30］將轉農桿菌ipt基因的中華根瘤菌接種到紫花苜蓿中，干旱脅迫下，植株葉片中玉米素含量增加，抗氧化酶基因表達量提高，活性氧含量下降；然而，根瘤中細胞分裂素的含量和對照相比，相差較小。該研究表明中華根瘤菌工程菌可合成更多的細胞分裂素，提高了紫花苜蓿對干旱脅迫的耐受性，但并不影響紫花苜蓿結瘤或固氮作用。

ABA是植物響應環境脅迫的重要激素。當植物面臨水分脅迫時，植株體內ABA含量增加，一方面通過抑制氣孔的開放，另一方面通過促進氣孔的關閉，有效地控制植株水分平衡；同時，ABA通過信號轉導途徑，誘導調控相關基因的表達，產生滲透調節物質、功能蛋白和調節蛋白等，保護植株免受干旱脅迫的不利影響［31，32］。正常供水條件下，紫花苜蓿根部ABA含量低于葉片；干旱脅迫3 h后，葉片ABA含量顯著高于對照，之后呈下降趨勢，而根部ABA含量呈增加趨勢，干旱6 h時根部ABA含量增加至最高，為對照ABA含量的3倍多［33］。在植株不同生長階段，非充分灌溉處理顯著影響根部ABA含量。隨著非充分灌溉程度的增加，紫花苜蓿根中ABA含量顯著增加；且不同紫花苜蓿品種中ABA含量不同［31］。

3　紫花苜蓿抗旱相關基因的研究

隨著對干旱誘導基因和基因組學的深入研究，人們已成功克隆到紫花苜蓿中多種與干旱脅迫相關的基因，并對其功能進行了研究。

目前，一些轉錄因子已被發現參與了苜蓿應答干旱脅迫的研究。Wang等［34］根據抑制差減雜交方法（SSH）構建紫花苜蓿cDNA文庫以用來鑒定在脅迫條件下差異表達的基因；再根據特定長度的表達序列標簽（ESTs）利用cDNA末端快速擴增（RACE）的方法從SSH cDNA文庫中克隆特定基因。其中，NAC是植物特殊的轉錄因子大家族之一，在植物發育和響應環境脅迫方面發揮重要作用。從紫花苜蓿SSH cDNA文庫中根據503 bp EST片段克隆到一個新的NAC基因，大小為1 115 bp，其中包括816 bp ORF，編碼271個氨基酸。根據亞細胞定位可知這一NAC蛋白定位于細胞核，為一轉錄因子。根據熒光定量RT-PCR結果發現，該基因可被干旱誘導表達，轉NAC基因擬南芥植株的抗旱性高于野生型植株。

WRKY轉錄因子是植物特有的轉錄因子，廣泛參與植物對多種逆境脅迫的反應。紫花苜蓿中MsWRKY33基因全長1 536 bp，編碼512個氨基酸，屬于WRKY1族WRKY轉錄因子。亞細胞定位預測該基因產物定位于細胞核。鹽、干旱和冷脅迫可誘導MsWRKY33的表達，表明該基因可能參與了這些逆境脅迫的調控過程［35］。同時，根據460 bp EST片段，一段長為1 652 bp的cDNA被成功克隆，且命名為MsPBL，其編碼434個氨基酸蛋白，定位于洋蔥表皮細胞的細胞核。300 mmol/L NaCl，0.1 mmol/L ABA和20% PEG-6000處理能夠顯著提高該基因的表達，這表明MsPBL在細胞核內可能作為一種信號轉導蛋白使紫花苜蓿對環境脅迫信號作出快速響應［36］。

另外，一些與代謝及激素相關的基因也參與了紫花苜蓿對干旱脅迫應答。在高等植物抗壞血酸生物合成途徑中，GME可將GDP-D-甘露醇催化生成GDP-L-半乳糖。研究表明紫花苜蓿中MsGME的表達受鹽、PEG和酸脅迫誘導。擬南芥中MsGME的超表達可提高轉基因植株對鹽、干旱和酸的耐受性；同時，轉基因擬南芥中抗壞血酸含量增加［37］。醛糖還原酶可代謝多種由脂質過氧化產生的細胞毒素化合物。將紫花苜蓿中的MsALR基因轉入到擬南芥中，結果表明轉基因植株對乙醛底物的解毒作用比野生型高出1.5-4.3倍；且在干旱條件下，轉基因植株的單株種子產量比野生型高［38］。紫花苜蓿中MsSIK1基因在脫水條件下大量表達。26 d干旱處理后，超表達MsSIK1基因的擬南芥植株株高分別高于野生型和MsSIK1突變體植株；且不同轉基因株系間的花絮長度在192-213 mm之間，明顯長于野生型平均長度100 mm和突變體平均長度60 mm。與野生型和突變體植株相比，轉基因擬南芥具有較高的長期CO2同化率，較低的蒸騰作用，較高的水分利用效率和內源GA含量［39］。

活性氧是植物應答逆境環境的信號分子。研究發現土壤干旱脅迫處理后，耐旱的Wisfal和干旱敏感的Chilean植株根和莖中ROS基因變化趨勢上沒有質的差別，對于ROS合成酶基因中，NADPH氧化酶受干旱誘導，而乙醇酸氧化酶基因則被抑制；在ROS清除蛋白基因中，鐵蛋白、Cu/Zn SOD、大多數谷胱甘肽過氧化物酶家族成員在兩紫花苜蓿品種的根和莖中受干旱誘導表達，相反，Fe-SOD、CC-類型谷氧還蛋白和硫氧還蛋白被下調表達［40］。ZFP因參與ABA的生物合成和葉黃素循環，對植物響應不同環境脅迫信號起重要作用。紫花苜蓿中MsZEP基因包含1 992 bp核苷酸，編碼663個氨基酸多肽鏈。在干旱、冷、熱和ABA處理下，莖中MsZEP基因表達量呈下降趨勢。煙草中該基因的異位表達可通過生理途徑，ABA水平和脅迫響應基因的表達量的變化來提高轉基因植株的抗旱和耐鹽性［41］。

4　基因工程技術在提高紫花苜蓿抗旱性中的應用

在干旱條件下，植株的產量明顯下降，培育出抗性強且產量、品質較高的牧草是改良牧草抗旱性的最終目標。隨著對苜蓿研究的不斷發展，苜蓿品種改良和抗性育種已成為當下的研究重點。雖然傳統育種方法仍在為提高植株對非生物脅迫的抗性作出一定的貢獻，但其育種周期較長。隨著基因工程的發展，轉基因技術已是改良植株產量和質量的新途徑。

自1986年首次成功獲得苜蓿轉基因技術后［42］，近年來，人們已培育出多種高抗性的不同轉基因紫花苜蓿植株［1，43-45］。2005年，將從蒺藜苜蓿中克隆得到的WXP1基因轉到紫花苜蓿中，轉基因植株葉片表皮蠟質覆蓋度顯著增加。掃描電子顯微鏡觀察發現在新葉的下表皮可較早地積累蠟質晶體；在成熟葉的上下表皮具有較高密度的蠟質晶體結構。超表達WXP1基因的紫花苜蓿植株表現出較低的葉片失水率，干旱后葉片萎蔫延遲，復水后能夠較快較好的恢復［46］。轉細菌codA基因的紫花苜蓿在整個植株水平上表現出較高的抗旱性。干旱脅迫下，與非轉基因植株相比，轉基因植株具有較高的相對含水量，較高的甜菜堿和脯氨酸含量；在正常生長條件下，轉基因植株體內生長素相關的IAA基因表達量比野生型高，表現出較好的生長表型［47］。GsWRKY20基因的異位表達使轉基因紫花苜蓿與野生型相比，在水分缺失條件下表現出較低的相對膜透性，較少的MDA含量，較多的自由脯氨酸和可溶性糖積累量；同時，轉基因紫花苜蓿具有較厚的角質層，能夠降低植株在干旱條件下的水分散失，顯著提高了轉基因植株的抗旱性［48］。將旱生植物霸王中的ZxNHX和ZxVP1-1基因共同轉入到紫花苜蓿中，無論在正常生長條件還是干旱脅迫條件下，轉基因植株都具有較高的株高和干重；而且，在大田條件下，共表達ZxNHX和ZxVP1-1基因的紫花苜蓿植株比野生型生長速度快，光合作用能力強，具有較高的凈光合速率，氣孔導度和水分利用效率［49］。地瓜橙色基因IbOr參與類胡蘿卜素積累過程，能夠提高植株對多種非生物脅迫的抗性。將該基因轉入到紫花苜蓿中，轉基因植株具有較高的類胡蘿卜素，抗旱性得到提高［50］。EsMcsu1基因編碼鉬輔因子硫化酶，受非生物脅迫或ABA處理后其表達量明顯上調。干旱脅迫條件下，超表達EsMcsu1基因的紫花苜蓿植株體內ABA含量明顯高于野生型植株；ROS水平，離子滲透和MDA含量則低于野生型植株，這表明轉基因植株受到較輕的活性氧損傷［51］。

5　結論與展望

隨著人口增加和全球氣候變暖，干旱已成為影響植物生長和產量的重要因素［52］。為減緩或減輕干旱脅迫造成的損傷，植物自身已進化出多種復雜的響應策略，包括一系列形態、生理和生化反應等［53］。在干旱脅迫條件下，植物能夠快速積累一些重要的代謝物，如ABA、抗壞血酸和滲透調節物質等［54］。對紫花苜蓿抗旱性的研究一直以來都是牧草學研究的熱點之一。近年來，國內外學者對紫花苜蓿在干旱條件下的形態結構變化，滲透調節物質積累，抗氧化酶活性以及內源激素含量等做了大量研究報道，初步了解了紫花苜蓿響應干旱脅迫的生理機制，為篩選抗性強的優良種質資源奠定了一定的理論基礎。

綜上所述，在紫花苜蓿中，干旱脅迫誘導相關激素的代謝，調控下游WRKY、ZEP、NAC以及ERF等轉錄因子，從而激活下游功能基因，影響植株體內的生理生化代謝以及生長（圖1）。然而，相對其他栽培作物而言，紫花苜蓿抗旱的深層機制及其調控網絡的研究還較為薄弱［55］。雖然傳統育種仍在繼續，但隨著基因工程的發展，通過構建轉基因紫花苜蓿植株可大大提高轉基因植株的抗旱性，成為培育高產高抗性苜蓿品種的新途徑；但是轉基因植株的抗性仍需在大田中進一步驗證。另外，紫花苜蓿干旱脅迫相關基因的不斷挖掘，尤其是與逆境脅迫相關的苜蓿轉錄因子的研究已是植物分子生物學家們關注的焦點。

目前，人們對于苜蓿轉錄因子的研究取得了較大的進展，但是由于轉錄因子的多功能性和調控網絡的復雜性，使得苜蓿轉錄因子的研究中仍存在很多待解決的問題；同時，相當大部分新的轉錄因子仍有待發現及對其功能進行鑒定［56］。另外，植物激素在逆境應答中扮演著重要的作用。不同的激素如何協同或拮抗地參與紫花苜蓿抗逆性，相關機理目前仍不清楚。更好地了解苜蓿應答逆境脅迫相關基因的表達模式，闡述植物激素及轉錄因子對苜蓿基因表達、轉錄調控的機制，將會為苜蓿的抗旱育種提供廣闊的基因資源，通過CRISP-Cas9等新的生物技術，提高苜蓿的抗旱性。

圖1　紫花苜蓿抗旱機制

［1］ Tang L， Cai H， Ji W， et al. Overexpression of GsZFP1 enhances salt and drought tolerance in transgenic alfalfa（Medicago sativa L. ）［J］. Plant Physiology and Biochemistry， 2013， 71：22-30.

［2］ Kang Y， Han Y， Torres-Jerez I， et al. System responses to long-term drought and re-watering of two contrasting alfalfa varieties ［J］. The Plant Journal， 2011， 68（5）：871-889.

［3］ Wan S， Hu J， Hu S， et al. The study on water use efficiency of alfalfa cultivars in Weibei High Plateau ［J］. Acta Agriculturae Borealioccidentalis Sinica， 2003， 13（2）：133-137.

［4］ Hund A， Ruta N， Liedgens M. Rooting depth and water use efficiency of tropical maize inbred lines， differing in drought tolerance ［J］. Plant and Soil， 2009， 318（1-2）：311-325.

［5］ 陳積山， 李錦華， 常根柱， 等. 不同苜蓿品種根系形態結構的抗旱性分析［J］. 內蒙古草業， 2008， 20（2）：41-44.

［6］ 白文明， 左強， 黃元仿， 等. 烏蘭布和沙區紫花苜蓿根系生長及吸水規律的研究［J］. 植物生態學報， 2001， 25（1）：35-41.

［7］ 王富貴. 18 份苜蓿材料根系形態特征及與地上生物量關系的研究［D］. 呼和浩特：內蒙古農業大學， 2011.

［8］ Liu F， Stützel H. Biomass partitioning， specific leaf area， and water use efficiency of vegetable amaranth（Amaranthus spp.）in response to drought stress ［J］. Scientia Horticulturae， 2004， 102（1）：15-27.

［9］ Riederer M， Schreiber L. Protecting against water loss：analysis of the barrier properties of plant cuticles ［J］. Journal of Experimental Botany， 2001， 52（363）：2023-2032.

［10］ Ni Y， Guo YJ， Han L， et al. Leaf cuticular waxes and physiological parameters in alfalfa leaves as influenced by drought ［J］. Photosynthetica， 2012， 50（3）：458-466.

［11］ 郭彥軍， 倪郁， 郭蕓江， 等. 水熱脅迫對紫花苜蓿葉表皮蠟質組分及生理指標的影響［J］. 作物學報， 2011， 37（5）：911-917.

［12］ 周玲艷， 劉勝洪， 秦華明， 等. 5 個苜蓿品種葉片表面蠟質覆蓋與抗旱性的關系［J］. 草業科學， 2013， 30（4）：596-601.

［13］ Erice G， Louahlia S， Irigoyen JJ， et al. Biomass partitioning，morphology and water status of four alfalfa genotypes submitted to progressive drought and subsequent recovery ［J］. Journal of Plant Physiology， 2010， 167（2）：114-120.

［14］ Yang P， Zhang P， Li B， et al. Effect of nodules on dehydration response in alfalfa（Medicago sativa L. ）［J］. Environmental and Experimental Botany， 2013， 86：29-34.

［15］ Szabados L， Savour? A. Proline：a multifunctional amino acid ［J］. Trends in Plant Science， 2010， 15（2）：89-97.

［16］ Aranjuelo I， Molero G， Erice G， et al. Plant physiology and proteomics reveals the leaf response to drought in alfalfa（Medicago sativa L. ）［J］. Journal of Experimental Botany， 2011， 62（1）：111-123.

［17］ Antolín MC， Muro I， Sánchez-Díaz M. Application of sewage sludge improves growth， photosynthesis and antioxidant activities of nodulated alfalfa plants under drought conditions ［J］. Environmental and Experimental Botany， 2010， 68（1）：75-82.

［18］ 羅永忠. 新疆大葉苜蓿對土壤水分脅迫的生理響應及生態適應性研究［D］. 蘭州：甘肅農業大學， 2011.

［19］ Slama I， Tayachi S， Jdey A， et al. Differential response to water deficit stress in alfalfa（Medicago sativa）cultivars：Growth，water relations， osmolyte accumulation and lipid peroxidation ［J］. African Journal of Biotechnology， 2011， 10（72）：16250-16259.

［20］ 張攀， 楊培志， 王衛棟， 等. 干旱脅迫下根瘤菌共生紫花苜蓿抗旱生理變化研究［J］. 草地學報， 2013， 21（5）：938-944.

［21］ Gill SS， Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants ［J］. Plant Physiology and Biochemistry， 2010， 48（12）：909-930.

［22］ Chakrabarty A， Aditya M， Dey N， et al. Antioxidant signaling and redox regulation in drought-and salinity-stressed plants ［M］// Hossain MA， Wani SH， Bhattacharjee S， et al. Drought stress tolerance in plants， volume 1. Springer International Publishing，2016：465-498.

［23］ Zang Q， Ma C， Xue X， et al. Overexpression of a cytosolic ascorbate peroxidase gene， OsAPX2， increases salt tolerance in transgenic alfalfa［J］. Journal of Integrative Agriculture， 2014， 13（11）：2500-2507.

［24］ Apel K， Hirt H. Reactive oxygen species：metabolism， oxidative stress， and signal transduction ［J］. Annual of Review of Plant Biology， 2004， 55：373-399.

［25］ Boldaji SAH， Khavari-Nejad RA， Sajedi RH， et al. Water availability effects on antioxidant enzyme activities， lipid peroxidation， and reducing sugar contents of alfalfa（Medicago sativa L. ）［J］. Acta Physiologiae Plantarum， 2012， 34（3）：1177-1186.

［26］ 霍學敏， 呼天明， 楊培志， 等. 干旱脅迫對苗期紫花苜蓿 3 種生理指標的影響［J］. 草業科學， 2010， 27（4）：89-92.

［27］ Quan WL， Liu X， Wang HQ， et al. Comparative physiological and transcriptional analyses of two contrasting drought tolerant alfalfa varieties ［J］. Frontiers in Plant Science， 2015， 6：1256.

［28］ Davies WJ， Metcalfe J， Lodge TA， et al. Plant growth substances and the regulation of growth under drought ［J］. Functional Plant Biology， 1986， 13（1）：105-125.

［29］ 韓瑞宏， 張亞光， 田華， 等. 干旱脅迫下紫花苜蓿葉片幾種內源激素的變化［J］. 華北農學報， 2008， 23（3）：81-84.

［30］ Xu J， Li XL， Luo L. Effects of engineered Sinorhizobium meliloti on cytokinin synthesis and tolerance of alfalfa to extreme drought stress ［J］. Applied and Environmental Microbiology， 2012， 78（22）：8056-8061.

［31］ Fadul GMA， Wan L， He F， et al. Abscisic acid content in roots and root characteristics of alfalfa under deficit irrigation ［J］. African Journal of Agricultural Research， 2016， 11（11）：935-940.

［32］ 李躍， 萬里強， 李向林. 內源脫落酸生理作用機制及其與苜蓿耐旱性關系研究進展［J］. 草業學報， 2015， 24（11）：195-205.

［33］ 任敏， 何金環. 自然干旱脅迫下紫花苜蓿葉片和根部 ABA 的代謝變化 ［J］. 安徽農業科學， 2010， 38（4）：1771-1772.

［34］ Wang YX. Characterization of a novel Medicago sativa NAC transcription factor gene involved in response to drought stress ［J］. Molecular Biology Reports， 2013， 40（11）：6451-6458.

［35］ 馮光燕， 王學敏， 付媛媛， 等. 紫花苜蓿 MsWRKY33 轉錄因子的分離及遺傳轉化研究［J］. 草業學報， 2015， 24（11）：48-57.

［36］ Zhang JY， Broeckling CD， Blancaflor EB， et al. Overexpression of WXP1， a putative Medicago truncatula AP2 domain-containing transcription factor gene， increases cuticular wax accumulation and enhances drought tolerance in transgenic alfalfa（Medicago sativa）［J］. The Plant Journal， 2005， 42（5）：689-707.

［37］ Li H， Wang Z， Ke Q， et al. Overexpression of codA gene confers enhanced tolerance to abiotic stresses in alfalfa ［J］. Plant Physiology and Biochemistry， 2014， 85：31-40.

［38］ Tang L， Cai H， Zhai H， et al. Overexpression of Glycine soja WRKY20 enhances both drought and salt tolerance in transgenic alfalfa（Medicago sativa L. ）［J］. Plant Cell， Tissue and Organ Culture， 2014， 118（1）：77-86.

［39］ Guo P， Wei H， Zhang W， et al. The dehydration-induced ERECTA gene， MsSIK1， from alfalfa improved water use efficiency in transgenic Arabidopsis ［J］. Acta Physiologiae Plantarum， 2016，38（2）：1-12.

［40］ Kang Y， Udvardi M. Global regulation of reactive oxygen species scavenging genes in alfalfa root and shoot under gradual drought stress and recovery ［J］. Plant Signaling & Behavior， 2012， 7（5）：539-543.

［41］ Zhang Z， Wang Y， Chang L， et al. MsZEP， a novel zeaxanthin epoxidase gene from alfalfa（Medicago sativa）， confers drought and salt tolerance in transgenic tobacco ［J］. Plant Cell Reports，2016， 35（2）：439-453.

［42］ Webb KJ. Transformation of forage legumes using Agrobacterium tumefaciens ［J］. Theoretical and Applied Genetics， 1986， 72（1）：53-58.

［43］ Zhang J， Duan Z， Zhang D， et al. Co-transforming bar and CsLEA enhanced tolerance to drought and salt stress in transgenic alfalfa（Medicago sativa L. ）［J］. Biochemical and Biophysical Research Communications， 2016， 472（1）：75-82.

［44］ Wang Z， Li H， Ke Q， et al. Transgenic alfalfa plants expressing AtNDPK2 exhibit increased growth and tolerance to abiotic stresses［J］. Plant Physiology and Biochemistry， 2014， 84：67-77.

［45］ Duan Z， Zhang D， Zhang J， et al. Co-transforming bar and CsALDH genes enhanced resistance to herbicide and drought and salt stress in transgenic alfalfa（Medicago sativa L. ）［J］. Frontiers in Plant Science， 2015， 6：1115.

［46］ Long R， Yang Q， Kang J， et al. Molecular cloning and characterization of a novel stress responsive gene in alfalfa ［J］. Biologia Plantarum， 2012， 56（1）：43-49.

［47］ Ma L， Wang Y， Liu W， et al. Overexpression of an alfalfa GDP-mannose 3， 5-epimerase gene enhances acid， drought and salt tolerance in transgenic Arabidopsis by increasing ascorbate accumulation ［J］. Biotechnology Letters， 2014， 36（11）：2331-2341.

［48］ Fehér-Juhász E， Majer P， Sass L， et al. Phenotyping shows improved physiological traits and seed yield of transgenic wheat plants expressing the alfalfa aldose reductase under permanent drought stress ［J］. Acta Physiologiae Plantarum， 2014， 36（3）：663-673.

［49］ Bao AK， Du BQ， Touil L， et al. Co-expression of tonoplast Cation/H+antiporter and H+-pyrophosphatase from xerophyte Zygophyllum xanthoxylum improves alfalfa plant growth under salinity， drought and field conditions ［J］. Plant Biotechnology Journal， 2016， 14（3）：964-975.

［50］ Wang Z， Ke Q， Kim MD， et al. Transgenic alfalfa plants expressing the sweetpotato Orange gene exhibit enhanced abiotic stress tolerance ［J］. PLoS ONE， 2015， 10（5）：e0126050.

［51］ Zhou C， Ma ZY， Zhu L， et al. Overexpression of EsMcsu1 from the halophytic plant Eutrema salsugineum promotes abscisic acid biosynthesis and increases drought resistance in alfalfa（Medicago sativa L. ）［J］. Genetics and Molecular Research：GMR， 2015，14（4）：17204.

［52］ Bohnert HJ， Gong Q， Li P， et al. Unraveling abiotic stress tolerance mechanisms-getting genomics going ［J］. Current Opinion in Plant Biology， 2006， 9（2）：180-188.

［53］ Shinozaki K， Yamaguchi-Shinozaki K. Gene networks involved in drought stress response and tolerance ［J］. Journal of Experimental Botany， 2007， 58（2）：221-227.

［54］ Gómez-Cadenas A， Arbona V， Jacas J， et al. Abscisic acid reduces leaf abscission and increases salt tolerance in citrus plants ［J］. Journal of Plant Growth Regulation， 2002， 21（3）：234-240.

［55］ 包愛科， 杜寶強， 王鎖民. 紫花苜蓿耐鹽， 抗旱生理機制研究進展［J］. 草業科學， 2011， 28（9）：1700-1705.

［56］ 張立全， 李慧， 張鳳英， 等.苜蓿屬植物轉錄因子研究進展［J］.中國草地學報， 2014（2）：108-116.

（責任編輯 李楠）

Research Progress on Drought Resistance Mechanism of Alfalfa

QUAN Wen-li1CHAN Zhu-long2
（1. College of Life Science and Technology，Hubei Engineering University，Xiaogan 432000；2. Wuhan Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430074）

Alfalfa（Medicago sativa）is a forage grass with the largest cultivation area in China and has important economic value and social benefits. Drought is one of the major environmental factors influencing the production and distribution of alfalfa. Soil water deficiency could lead to alfalfa’s morphological structure changes，which makes plant better adapt to the stress environment. Meanwhile，a series of physiological and biochemical responses in alfalfa plants are activated to alleviate or reduce the damage caused by drought stress. In recent years，scientists have identified drought-related genes in alfalfa and created drought tolerant transgenic plants. In this paper，alfalfa morphological，physiological and molecular mechanism in response to drought stress are reviewed and discussed. Drought stress affects phytohormone metabolism，resulting in regulation of transcription factors，which in turn modulates expression of metabolism related and stress responsive genes in alfalfa，leading to physiological and biochemical changes. Future researches should pay more attention to the regulation network in response to stresses and the excavation of new gene resources，which are beneficial to breeding programs of novel alfalfa varieties with enhanced resistance.

alfalfa；drought stress；morphological structure；physiological and biochemical response；molecular mechanism

2016-07-12

國家自然科學基金項目（31370302）

權文利，女，博士研究生，研究方向：植物水分脅迫生物學；E-mail：quanwenli0426@163.com

產祝龍，男，研究員，博士生導師，研究方向：植物水分脅迫生物學；E-mail：zhulongch@wbgcas.cn