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干旱是制约植物正常生长的主要限制因子,尤其是在干旱半干旱地区,水分不足严重降低了牧草产量。紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是优质牧草,在我国种植历史悠久,是草地种植的主要豆科牧草之一,也是涵养水源和保持水土的基础保障。通过比较不同紫花苜蓿品种对水分变化根系构型可塑性、生理响应和分子机制的差异,为进一步研究紫花苜蓿的抗旱机制提供参考。本研究以紫花苜蓿敖汉(Medicago sativa L.cv.Aohan)、肇东(cv.Zhaodong)和金皇后(cv.Golden Empress)三个品种为供试材料,首先比较了不同干旱胁迫和干旱复水处理下紫花苜蓿根系形态变化及生理响应差异;随后采用PEG模拟干旱胁迫,从转录组学水平上分析了紫花苜蓿幼苗根系响应干旱胁迫的分子机制,鉴定出参与响应干旱胁迫的关键候选基因。主要结果如下:1.土壤含水量保持在60%–65%和75%-80%的田间持水量时,留茬高度为5 cm时地上生物积累量达到最大。当土壤含水量保持在60%-65%的田间持水量时,地上生物积累量最大,为6.7g/盆。表明了合理的刈割有利于缓解干旱胁迫引起的植物损伤。2.在土壤水分亏缺状态下,紫花苜蓿根系构型趋向于“叉状”分支;相反,在适宜的土壤水分条件下,苜蓿根系趋向于“人字型”分支,根系生物量较小,而地上生物量显著增加。揭示了不同水分状况下苜蓿根系与地上部之间干物质分配与消长规律。3.通过结构方程模型分析可以得出,根系脱落酸(ABA)直接调控紫花苜蓿根系形态变化,间接影响根系空间构型,最终影响地下和地上生物量。探明了根源ABA作用下苜蓿根系形态构型及其与地上部生物量之间的变化特征。4.在重度缺水后复水的条件下,紫花苜蓿根系的分形维数(1.47)、分形丰度(3.84)和根系分支率(0.39)达到最大。当土壤水分为60%-65%的田间持水量后复水时,植物根系趋近于“人字型”分支。土壤含水量保持在30%-35%的田间持水量后逐渐复水至75%-80%田间持水量时,根系活性氧的含量呈下降趋势;表明重度干旱后复水能缓解活性氧对植物造成的伤害。5.PEG-6000模拟干旱胁迫下,随着PEG胁迫时间的延长,不同渗透势处理下MDA、碳水化合物和含氮化合物含量呈上升的趋势。整个胁迫过程中,随着PEG浓度和处理时间的增加,根系ABA含量呈先增加后减少的趋势。6.PEG-6000模拟干旱胁迫下,通过转录组测序(RNA-Seq)分析,在干旱处理的第7天,FC(0 MPa)与FO(-1.2MPa)相比,共有6854个基因差异表达(上调2616个,下调4238个。在干旱处理的第14天,SC(0 MPa)与SO(-1.2MPa)相比,共有3959个差异表达基因(上调2323个,下调1636个)。在干旱处理的第21天,TC(0 MPa)与TO(-1.2MPa)相比,共有2780个差异表达基因(上调1587个,下调1193个)。同时,随着干旱胁迫时间的增加,调控根系ABA内胡萝卜素的生物合成和ABA信号转导路径中的差异表达基因个数逐渐减少,最终发现有7个候选的差异表达基因与转录组测序的结果相同。本研究探明了水分波动下紫花苜蓿根系形态特征变化和生理响应之间的关系,进一步了解了干旱胁迫下根系ABA对紫花苜蓿根系形态分布变化和植物生物量的影响,初步鉴定调控根系ABA生物合成和信号转导过程中响应干旱胁迫相关基因,为苜蓿的抗旱性研究提供了新的理论支撑。