干旱和高温是严重威胁农牧业生产的最主要环境因素之一。随着人类活动的增强,全球气候变暖的趋势不断加剧,致使极端干旱和高温事件的出现频次和强度日益增加。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）作为一种优良的多年生豆科牧草,在农牧业生产中起着至关重要的作用。北方地区是我国紫花苜蓿的最大生产区,但该地区粮食作物与牧草争夺有限耕地资源的矛盾日益突出。因此,培育能够在边际土地上种植的强抗旱和耐热性紫花苜蓿品种对我国北方地区紫花苜蓿生产力的可持续发展和边际土地的利用具有重要意义。然而,由于苜蓿长期在水分和养分优裕的条件下栽培种植,其适应各种不利环境的遗传潜力已经丧失。荒漠植物在对极端环境的长期适应中逐渐进化出了复杂而独特的抗逆机制,可为牧草和作物的遗传改良提供抗逆基因资源。霸王（Zygophyllum xanthoxylum）是广泛分布于我国西北及中亚干旱和半干旱区的多浆旱生植物。前期研究表明,叶表面发达的角质层是霸王适应极端荒漠生境的重要特征。蜡质作为角质层最重要的组成成分,在植物抵御干旱等环境胁迫中发挥关键作用。本课题组前期克隆了霸王角质层蜡质转运基因ZxABCG11,发现该基因的表达受到盐、渗透、高温以及渗透和高温复合胁迫的显著诱导。此外,超表达ZxABCG11显著提高了拟南芥的抗旱性。鉴于此,本研究利用模式植物拟南芥对霸王ZxABCG11在角质层蜡质转运过程中的功能进行深入分析;并在此基础上利用ZxABCG11对紫花苜蓿的抗逆性进行改良。取得如下主要结果:1.扫描电子显微镜和尼罗红染色结果显示,ZxABCG11转基因拟南芥茎表面蜡质晶体与野生型相比明显增多;利用透射电子显微镜观察发现转基因拟南芥的叶片角质层明显增厚,4个转基因株系（MA1、MA2、AA1和AA2）分别比野生型增加了49%、38%、83%和74%,表明ZxABCG11的超表达有助于拟南芥形成更发达的角质层。2.与野生型相比,转基因拟南芥表现出更低的叶片失水率和叶绿素浸出率。正常条件下,转基因拟南芥叶和茎中角质层蜡质含量分别比野生型增加30%～46%和36%～54%;在干旱条件下,分别增加了31%～54%和44%～62%。RT-q PCR分析结果显示,转基因株系叶和茎中蜡质合成和转运相关基因At CER1、At CER2、At CER3、At CER4、At KCR1和At LTPG1的转录丰度显著上调;此外,茎中参与合成次级醇和酮的At MAH1的表达水平明显增加,而叶中没有变化。以上结果表明ZxABCG11的超表达可提高拟南芥角质层蜡质的积累并降低其表皮透性,进而增强植株的抗旱性。3.利用PCR和RT-PCR对转基因紫花苜蓿进行检测,结果表明霸王ZxABCG11成功转入到“新疆大叶”紫花苜蓿中,并鉴定到2个表达量较高的株系OE2和OE9。分析转基因紫花苜蓿的生长状况,发现2个转基因株系的长势明显优于野生型,其株高、叶片厚度和茎粗均显著增加,表明超表达ZxABCG11有助于促进紫花苜蓿的生长。4.尼罗红染色观察到转基因紫花苜蓿叶表面蜡质晶体明显增多,且OE2和OE9株系的角质层厚度分别比野生型增加了3.4倍和3.3倍。气相色谱-质谱联用仪分析结果显示,OE2和OE9株系叶中角质层蜡质含量比野生型分别增加57%和62%。RT-q PCR结果显示转基因紫花苜蓿叶中Ms CER1、Ms CER2、Ms CER4和Ms LTPG1的表达显著上调,表明ZxABCG11正反馈调节角质层蜡质的生物合成和转运,从而增加了转基因紫花苜蓿的角质层蜡质含量。5.无论干旱（30%田间持水量）或高温（40°C）处理,转基因紫花苜蓿的株高、地上部干鲜重、根干鲜重和叶面积均显著高于野生型;叶片的净光合速率、叶绿素含量和水分利用效率显著增加。此外,干旱或高温处理后,2个转基因株系的蜡质含量分别比野生型增加了大约54%和48%;叶片失水率和叶绿素浸出率均明显降低。6.干旱炎热的田间条件下,OE2和OE9株系的株高、地上部干鲜重、叶面积、茎粗、叶绿素a和叶绿素b含量均显著高于野生型,其干草产量比野生型分别增加了56%和50%。以上结果表明霸王ZxABCG11在植物响应干旱胁迫中发挥着重要作用。此外,对转ZxABCG11紫花苜蓿的抗旱和耐热性及田间表现进行了系统分析,为培育抗逆和高产的紫花苜蓿新品系奠定了基础,也为利用荒漠植物优异的基因资源改良牧草和作物的抗逆性提供了一条有效的途径。