兰州大学刘志鹏团队揭示MsMYB71“激活-回落”分子模块调控紫花苜蓿耐旱机制

       近日，兰州大学刘志鹏课题组在Journal of Integrative Plant Biology（JIPB）发表了题为“An alfalfa MYB71-centered activation–attenuation module fine-tunes redox homeostasis and drought tolerance in Medicago sativa”的研究成果。该研究发现，紫花苜蓿转录因子MsMYB71通过直接激活过氧化物还原蛋白基因MsPrxQ，增强活性氧清除能力和耐旱性；进一步研究发现，MsPRL1和MsCUL4分别与MsMYB71在蛋白水平互作，并限制MsMYB71蛋白积累，进而维持紫花苜蓿体内活性氧稳态。研究提出MsMYB71蛋白“激活-回落”动态调控机制，为紫花苜蓿耐旱分子育种提供新的分子模块。

研究背景

       紫花苜蓿（Medicago sativa L.）被誉为“牧草之王”，其具有异花授粉、自交不亲和、遗传转化周期长等特点，此外耐旱性状为多基因控制的复杂数量性状，这些特点增加了紫花苜蓿耐旱基因功能鉴定和分子机制解析的难度。

       干旱胁迫影响植物生长，引起细胞内活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）大量积累。适量ROS能够参与信号转导，过量ROS会损伤细胞膜和光合系统。因此，植物需要在启动抗氧化防御与维持正常氧化还原信号之间建立动态平衡。MYB转录因子是植物逆境响应的重要调控因子，能够通过调控下游逆境响应基因提高胁迫耐受性。然而，在干旱胁迫过程中，植物如何在启动MYB介导的抗逆保护机制后，适时限制其持续激活，仍缺乏深入认识。此外，PrxQ、PRL1与CUL4是否参与植物耐旱未见报道。基于此，研究团队以紫花苜蓿干旱诱导表达转录因子MsMYB71为切入点，系统解析其下游抗氧化调控网络及蛋白水平的负向调节机制。

研究内容

1. MsMYB71正向调控紫花苜蓿耐旱性

       通过团队前期构建的紫花苜蓿多组学MODMS数据库（https://modms.lzu.edu.cn/）筛选到显著受到干旱诱导的转录因子MsMYB71，发现该蛋白定位于细胞核。干旱胁迫下，紫花苜蓿MsMYB71过表达材料干重比RNAi材料提高18.14%。通过活性氧荧光染色、CeCl₃细胞化学染色透射电镜观察等试验，表明过表达MsMYB71能够减少干旱胁迫下过量ROS积累从而提高紫花苜蓿耐旱性（图1）。

图1 MsMYB71通过清除ROS正向调控紫花苜蓿耐旱性

2. DAP-seq与RNA-seq联合分析鉴定MsMYB71下游靶基因MsPrxQ

       通过DAP-seq鉴定到6,841个启动子关联候选基因，与RNA-seq鉴定到的4,654个差异表达基因进行交集分析，最终筛选出494个候选直接靶基因。其中，编码过氧化物还原蛋白Q的MsPrxQ因其潜在的活性氧清除功能受到重点关注。进一步通过EMSA等实验发现，MsMYB71可直接结合MsPrxQ启动子中的特定MYB识别元件“TACCTAACTTT”并激活其转录（图2）。进一步遗传学实验发现，过表达MsPrxQ能够减少干旱条件下ROS积累和氧化损伤，并增强紫花苜蓿耐旱性（图3）。

图2 RNA-seq与DAP-seq联合分析鉴定MsMYB71直接靶基因MsPrxQ

图3 MsPrxQ通过活性氧清除正向调控紫花苜蓿耐旱性

3. MsPRL1和MsCUL4共同负向调节MsMYB71蛋白稳定性

       研究通过酵母双杂交筛库鉴定到MsMYB71的互作蛋白MsPRL1与MsCUL4。研究表明，MsPRL1和MsCUL4同时存在时，可减弱MsMYB71与MsPrxQ启动子的结合及其转录激活作用。蛋白降解实验进一步发现，在MsPRL1和MsCUL4过表达材料的混合蛋白提取物中，MsMYB71蛋白积累随时间减少，而蛋白酶体抑制剂MG132能够缓解这一过程。过表达MsPRL1或MsCUL4，紫花苜蓿的耐旱能力减弱，RNA干扰MsPRL1或MsCUL4后紫花苜蓿耐旱能力得到提高。这些结果表明，MsPRL1和MsCUL4参与MsMYB71蛋白稳定性及下游转录活性的负向调节（图4）。

图4 MsPRL1和MsCUL4参与MsMYB71蛋白互作及活性回落调控

4. MsMYB71介导的“激活-回落”双层调控模型

       结合实验结果，研究团队提出了紫花苜蓿干旱响应中的MsMYB71“激活-回落”调控模型：（1）在正常水分条件下，MsMYB71相关调控维持基础的MsPrxQ表达和细胞氧化还原稳态；（2）在干旱胁迫下，蛋白激活阶段MsMYB71响应逆境信号，其转录激活作用促进MsPrxQ表达，增强植物的抗氧化防御能力；（3）回落阶段，MsPRL1/MsCUL4相关的负向调节机制减少MsMYB71的蛋白积累，有助于避免逆境响应的过度激活（图5）。

       模型强调氧化还原稳态的动态调节，植物的干旱适应不仅需要及时启动保护性反应，也可能需要通过适当的回落机制限制响应的强度和持续时间。该研究将转录因子介导的抗氧化基因激活与蛋白稳定性调控联系起来，提出了紫花苜蓿协调干旱响应和氧化还原稳态的一种双层调控机制。

图5 MsPRL1/MsCUL4–MsMYB71–MsPrxQ调控模型

研究意义

       本研究从转录激活和蛋白水平负向调控两个层面，提出了紫花苜蓿协调干旱响应与氧化还原稳态的一种重要调控机制。研究不仅解析了耐旱相关转录因子如何结合下游基因清除活性氧，也进一步阐明限制蛋白积累和转录输出的调控方式，为理解紫花苜蓿逆境适应过程中的动态调控网络提供了新视角。同时，本研究率先发现CUL4、PRL1、PrxQ响应干旱胁迫，并在紫花苜蓿中解析了分子模块MsPRL1/MsCUL4–MsMYB71–MsPrxQ，丰富了对植物耐旱的认识。

研究团队

       兰州大学草地农业科技学院刘志鹏教授为通讯作者，韩秉成和董学明为论文共同第一作者。中国科学院青岛生物能源与过程研究所付春祥、美国俄克拉荷马州立大学文江祁，及兰州大学草地农业科技学院石聪聪、张议戈、周强、方龙发、刘文献，河南科技大学毛培均参与了相关工作。此外，感谢南志标院士与尹红菊教授提供的重要指导。本研究得到国家重点研发计划（2022YFF1003200）、国家自然科学基金（32441019、32201444）及甘肃省科技计划项目（26RCKA009、23ZDNA009）的资助。

文章引用

Han, B., Dong, X., Shi, C., Mao, P., Zhang, Y., Zhou, Q., Fang, L., Liu, W., Fu, C., Wen, J., and Liu, Z. (2026). An alfalfa MYB71-centered activation–attenuation module fine-tunes redox homeostasis and drought tolerance in Medicago sativa. Journal of Integrative Plant Biology. http://doi.org/10.1111/jipb.70436