Regulation of endogenous isoflavones on alfalfa nodulation and nitrogen fixation and nitrogen use efficiency

doi:10.11686/cyxb2021011

Abstract

Abstract:

This research compared alfalfa varieties “LW6010” with high nitrogen absorption and utilization efficiency and “Longdong” with low nitrogen absorption and utilization efficiency， in order to investigate the relationship between isoflavone concentrations and nodulation， nitrogen fixation and nitrogen use efficiency in alfalfa. The isoflavone concentrations and nitrogen fixation characteristics， together with the expression of isoflavone synthase （IFS） and nodulation signaling pathway （nod） genes of the two alfalfa varieties with contrasting nitrogen use efficiencies were studied at five different nitrogen levels. It was found that the isoflavone content of alfalfa was significantly correlated with the number of nodules， the total nodule weight per plant， the whole plant nitrogen-fixing potential. At lower nitrogen levels， the isoflavone content and nodule number， total nodule weight per plant and nitrogen fixation potential of alfalfa all showed a significant increase. Under nitrogen deficit or over-supply stress， the number of upregulated IFS genes and magnitude of up-regulation in the stems， leaves and roots of the nitrogen-efficient LW6010 variety were greater than those of the nitrogen-inefficient Longdong alfalfa variety， thus promoting high expression of the nod genes and， ultimately， improved nitrogen use efficiency. Therefore， 1） The nodulation and nitrogen fixation of alfalfa is significantly positively correlated with the isoflavone content. When the concentration of exogenous nitrogen decreases， alfalfa is able to increase the isoflavone content in the plant tissues through the expression of different IFS genes in the stems， leaves and roots， thereby stimulating the expression of nod genes to promote nodulation and increase the plant nitrogen fixation potential； 2） The difference in isoflavone content in alfalfa is an important physiological determinant of its nitrogen efficiency. Nitrogen-efficient alfalfa promotes isoflavone synthesis through the high expression of multiple IFS genes under nitrogen stress， thereby stimulating nodulation and nitrogen fixation， thus achieving high nitrogen absorption and nitrogen use efficiency.

Key words: isoflavones, alfalfa, nodulation and nitrogen fixation, nitrogen efficiency, regulation

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Figures/Tables 11

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基因名称Gene name	登录号Accession No.	引物序列Primers sequences （5′-3′）
IFS-1	MTR_5g020760	F： 5′-CACGAGGCAGTTGAGCCAGTTAG-3′
IFS-1	MTR_5g020760	R： 5′-ACGTCGAGTTGAGCCAAGTTACG-3′
IFS-2	MTR_5g020800	F： 5′-CACGAGGCAGTTGAGCCAGTTAG-3′
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IFS-3	MTR_8g071130	F： 5′-ATGGTTGTTCACGAGACCTCAGTG-3′
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IFS-4	MTR_4g070340	F： 5′-TCGATGTTTCAGTGTCCGTGT-3′
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nod-1	MTR_8g020840	F： 5′-TGTCTGTGCTCAGTTCAGGTTGC-3′
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nod-2	MTR_3g072710	R： 5′-TGTGGACCGTTGTTGTTGGAAGC-3′
18S	KJ 507198.1	F： 5′- AAAGGAATTGACGGAAGGGC-3′
18S	KJ 507198.1	R： 5′- CGCTCCACCAACTAAGAACG-3′

基因名称Gene name	登录号Accession No.	引物序列Primers sequences （5′-3′）
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部位 Position	品种 Varieties	处理 Treatments	木犀草素 Luteolin	染料木素 Genistein	大豆苷元 Daidzein	刺芒柄花素 Formononetin	总含量 Total content
茎叶 Stem and leaf	LW6010	N₂₁	2.56±0.28a	26.37±1.07a	29.73±1.52a	2.72±0.38a	61.37±2.48a
		N₁₀₅	2.48±0.05a	22.17±0.68b	23.61±0.72b	2.67±0.08a	50.93±0.08b
		N₂₁₀	1.01±0.04d	18.90±0.56c	18.67±1.21c	1.66±0.12cd	40.24±1.05d
		N₃₁₅	1.08±0.06d	21.00±0.42b	22.26±1.21b	2.12±0.08bc	46.45±1.56c
		N₄₂₀	2.91±0.20a	27.58±0.63a	25.03±1.29b	2.92±0.10a	58.43±1.16a
	陇东苜蓿 Longdong	N₂₁	1.60±0.08bc	16.80±0.40d	12.13±0.84de	1.62±0.07d	32.15±1.18e
		N₁₀₅	1.14±0.06cd	14.70±0.81e	10.97±0.84de	1.69±0.04cd	28.50±1.04ef
		N₂₁₀	1.02±0.21d	16.93±0.46d	9.10±0.91e	2.19±0.08b	29.24±1.59ef
		N₃₁₅	1.47±0.12bcd	12.60±0.84f	9.10±0.62e	1.98±0.11bcd	25.15±1.54f
		N₄₂₀	1.84±0.18b	10.27±0.24g	13.18±1.04d	1.69±0.04cd	26.99±1.21f
根系 Root	LW6010	N₂₁	5.90±0.19a	41.28±0.98a	40.98±0.78a	4.28±0.10a	92.43±2.11a
		N₁₀₅	3.83±0.16c	28.82±1.04c	24.15±0.61c	3.29±0.09b	60.09±1.40c
		N₂₁₀	1.93±0.12e	26.09±1.21d	19.97±0.75d	2.45±0.06d	50.45±3.24d
		N₃₁₅	2.50±0.10d	25.78±0.51d	21.48±0.64d	2.73±0.02c	52.49±2.06d
		N₄₂₀	4.43±0.23b	35.85±0.46b	28.28±0.91b	4.08±0.08a	72.65±1.19b
	陇东苜蓿 Longdong	N₂₁	1.92±0.04e	20.16±0.48e	14.56±1.01ef	1.89±0.09ef	38.53±2.59e
		N₁₀₅	1.19±0.29f	17.64±0.39f	13.16±0.48fg	1.71±0.11f	33.70±1.51f
		N₂₁₀	1.22±0.03f	21.25±1.10e	10.92±0.69g	1.67±0.03f	35.06±3.05ef
		N₃₁₅	1.76±0.09e	12.60±0.48g	10.92±0.84g	2.12±0.09e	27.41±0.96g
		N₄₂₀	2.21±0.02de	14.31±0.63g	15.82±0.29e	2.41±0.06d	34.75±1.51f

部位 Position	品种 Varieties	处理 Treatments	木犀草素 Luteolin	染料木素 Genistein	大豆苷元 Daidzein	刺芒柄花素 Formononetin	总含量 Total content
茎叶 Stem and leaf	LW6010	N₂₁	2.56±0.28a	26.37±1.07a	29.73±1.52a	2.72±0.38a	61.37±2.48a
		N₁₀₅	2.48±0.05a	22.17±0.68b	23.61±0.72b	2.67±0.08a	50.93±0.08b
		N₂₁₀	1.01±0.04d	18.90±0.56c	18.67±1.21c	1.66±0.12cd	40.24±1.05d
		N₃₁₅	1.08±0.06d	21.00±0.42b	22.26±1.21b	2.12±0.08bc	46.45±1.56c
		N₄₂₀	2.91±0.20a	27.58±0.63a	25.03±1.29b	2.92±0.10a	58.43±1.16a
	陇东苜蓿 Longdong	N₂₁	1.60±0.08bc	16.80±0.40d	12.13±0.84de	1.62±0.07d	32.15±1.18e
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		N₂₁₀	1.02±0.21d	16.93±0.46d	9.10±0.91e	2.19±0.08b	29.24±1.59ef
		N₃₁₅	1.47±0.12bcd	12.60±0.84f	9.10±0.62e	1.98±0.11bcd	25.15±1.54f
		N₄₂₀	1.84±0.18b	10.27±0.24g	13.18±1.04d	1.69±0.04cd	26.99±1.21f
根系 Root	LW6010	N₂₁	5.90±0.19a	41.28±0.98a	40.98±0.78a	4.28±0.10a	92.43±2.11a
		N₁₀₅	3.83±0.16c	28.82±1.04c	24.15±0.61c	3.29±0.09b	60.09±1.40c
		N₂₁₀	1.93±0.12e	26.09±1.21d	19.97±0.75d	2.45±0.06d	50.45±3.24d
		N₃₁₅	2.50±0.10d	25.78±0.51d	21.48±0.64d	2.73±0.02c	52.49±2.06d
		N₄₂₀	4.43±0.23b	35.85±0.46b	28.28±0.91b	4.08±0.08a	72.65±1.19b
	陇东苜蓿 Longdong	N₂₁	1.92±0.04e	20.16±0.48e	14.56±1.01ef	1.89±0.09ef	38.53±2.59e
		N₁₀₅	1.19±0.29f	17.64±0.39f	13.16±0.48fg	1.71±0.11f	33.70±1.51f
		N₂₁₀	1.22±0.03f	21.25±1.10e	10.92±0.69g	1.67±0.03f	35.06±3.05ef
		N₃₁₅	1.76±0.09e	12.60±0.48g	10.92±0.84g	2.12±0.09e	27.41±0.96g
		N₄₂₀	2.21±0.02de	14.31±0.63g	15.82±0.29e	2.41±0.06d	34.75±1.51f

品种 Varieties	处理 Treatments	总根瘤数 Total nodule number	有效根瘤数 Effective nodule number	有效根瘤数/总根瘤数 Effective/total nodule number
LW6010	N₂₁	6.87±0.09a	5.53±0.09a	0.81±0.01a
	N₁₀₅	5.97±0.09b	4.53±0.03b	0.76±0.01b
	N₂₁₀	4.33±0.17d	3.43±0.12c	0.79±0.01a
	N₃₁₅	5.07±0.12c	3.63±0.07c	0.72±0.02c
	N₄₂₀	5.10±0.15c	3.70±0.12c	0.73±0.03c
陇东苜蓿 Longdong	N₂₁	3.63±0.09e	2.07±0.07d	0.57±0.01e
	N₁₀₅	2.97±0.15f	1.87±0.09d	0.63±0.00d
	N₂₁₀	2.90±0.21f	1.83±0.12d	0.63±0.01d
	N₃₁₅	3.07±0.15f	1.97±0.09d	0.64±0.01d
	N₄₂₀	3.17±0.15f	1.97±0.09d	0.62±0.00d