紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是一种营养丰富的多年生豆科牧草，在世界范围内被广泛种植。由于干旱会显著抑制苜蓿的生长并加速开花，严重影响其产量和牧草品质。随着气候变暖导致的干旱频率和严重程度持续增加，苜蓿在全球范围内的种植受到严重威胁。因此，挖掘和利用苜蓿耐旱基因，揭示其调控机制，对培育耐旱苜蓿种质新资源具有重要意义。

NAC转录因子是植物特有的转录因子家族之一，广泛参与植物生长发育以及逆境胁迫抵御等过程。近日，青岛能源所能源作物分子育种研究组以“Overexpression of MtNAC33 enhances biomass yield and drought tolerance in alfalfa”为题在Plant Biotechnology Journal期刊上发表研究论文，揭示了MtNAC33在增强紫花苜蓿耐旱能力和提高干重生物量方面的重要作用，并创制了耐旱、高产的紫花苜蓿种质新资源。

研究团队发现在苜蓿中MtNAC33受甘露醇胁迫诱导后，基因表达量显著上调。在拟南芥和紫花苜蓿中过量表达MtNAC33显著提高了转基因植物的耐旱能力，而且过表达的紫花苜蓿植株除了表现出较强的耐旱能力外，在正常水分供应条件下，其叶片面积、光合速率也显著增加，干重相对野生型增加了31-43%。比较转录组分析发现，在干旱条件下MtNAC33过表达紫花苜蓿参与气孔关闭的关键酶基因（例如CLE25，PIP2;1，CPK3等）以及ROS调节基因（例如BCB，PER34等）显著上调；而在正常水分供应条件下，过表达植株中参与光合作用的关键酶基因（例如Phot1、GGR等）显著上调。该研究揭示了MtNAC33在调控紫花苜蓿抗旱能力和生长发育过程中“一因多效”的功能，为今后培育耐旱高产紫花苜蓿新品种提供了重要的基因与种质资源。

图1 MtNAC33提高紫花苜蓿耐旱能力和生物量

青岛能源所助理研究员杨瑞娟、扬州大学与青岛能源所联培博士生孙滢、内蒙古农业大学教授赵彦为该论文的共同第一作者，青岛能源所研究员付春祥和副研究员刘文文为该论文的共同通讯作者。国家草业技术创新中心（筹）正高级工程师王召明、刘亚玲、苑峰，扬州大学副教授王小山等科研人员也参与了该研究。该工作获得了呼和浩特市“揭榜挂帅”重大科技专项（2023-JBGS-S-1）、国家草业技术创新中心（筹）重大创新平台建设专项（CCPTZX2024GJ06）、国家自然科学基金委饲草专项（No. 32441003）等项目的支持。

能源作物分子育种团队致力于苜蓿分子育种研究，开发了苜蓿高效遗传转化与基因编辑技术（ZL202310900048.7），获得“紫花苜蓿高效遗传转化和基因编辑”技术秘密保护1件（（2023）鲁青岛市北证民字第3690号），并完成技术秘密使用权非独家转化2次。利用该技术并创制了高产、优质、抗旱的苜蓿种质新资源，获批农业农村部转基因中试基地批复件2个。（文/图 刘文文）

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14597

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Zhao H, Zhao S, Cao Y, et al. Development of a single transcript CRISPR/Cas9 toolkit for efficient genome editing in autotetraploid alfalfa. Crop J. 2024;12(3):2214-5141.

相关专利：

[1] Chunxiang Fu; Ruijuan Yang; Wenwen Liu; Zhaoming Wang; Feng Yuan; Ying Sun; Shiqie Bai; Chuan’en Zhou; Jiajun Yan; Yaling Liu; Xiaowei Zhang; Shanshan Jiang; USE OF MTNAC33 GENE AND AN ENCODED PROTEIN THEREBY IN IMPROVING THE BIOMASS AND DROUGHT TOLERANCE OF MEDICAGO SATIVA L. 2025-02-18, 美国, US18/783/6274.

[2] 付春祥；赵思怡；刘文文；赵海霞；刘敏；曹英萍；姜希萍；PSK3基因在促进紫花苜蓿遗传转化效率上的应用，2024-01-16，中国，ZL202310900048.7.