扁蓿豆的抗性研究進展

韓海波,師文貴,李志勇,李鴻雁,李興酉,劉磊,王曉娜

（1.中國農業(yè)科學院草原研究所,內蒙古 呼和浩特 010010；2.中國農業(yè)科學院研究生院,北京 100081）

扁蓿豆（Medicago ruthenica）是豆科苜蓿屬植物,又名花苜蓿、野苜蓿、扁豆子、扁豆草、扁蓄豆、網果葫蘆巴等[1],廣泛分布于我國北方的高山草原、典型草原和荒漠化草原。扁蓿豆具有抗旱、耐寒、耐貧瘠、耐踐踏等優(yōu)點,有較多的生態(tài)型,是一種營養(yǎng)價值和產量較高的優(yōu)良牧草。與苜蓿相比,它在適應性、抗旱性和耐寒性等方面優(yōu)于紫花苜蓿（M.sativa）,可與黃花苜蓿（M.falcata）相媲美?？膳c羊草（Leymuschinensis）等禾本科牧草建立混播栽培草地,從而提高草地的產量和品質。在改良草地、建立栽培草地、防治水土流失等方面具有重要意義,尤其是寒冷半干旱、土壤貧瘠區(qū)引種具有特殊意義[2]。它與紫花苜蓿親緣關系相近,與紫花苜蓿相比,扁蓿豆抗薊馬,不含皂素,且抗寒性強,能在-40℃的低溫下安全越冬。因此,扁蓿豆可以在紫花苜蓿不能越冬的寒冷地區(qū)和干旱地區(qū)良好的生長[3-5],是我國北方地區(qū)不可或缺的優(yōu)質蛋白質飼料之一。

1 扁蓿豆概述

1.1 植物學特性扁蓿豆株高20～70（或100）cm,株型主要有3種:平臥型、斜生型、直立型。根呈軸根型,主側根粗細相差懸殊,主根深達100 cm。羽狀三出復葉,托葉披針形,基部具齒或裂片,有伏毛；小葉長圓狀倒披針形、楔形或線形,有時為倒卵狀楔形或倒卵形（多為莖下部的小葉）,基部楔形,先端圓形或截形,有時微凹,葉緣中上部有鋸齒,約占邊緣上部1/3～3/4,葉上表面近無毛,背面生伏毛,葉脈明顯。總狀花序傘形,具蝶形花冠,花冠黃褐色,中央深紅色至紫色條紋。旗瓣長圓狀倒卵形,中部稍收縮,頂端微缺,翼瓣近長圓形,頂端圓而稍寬,基部具長爪和耳,龍骨瓣較短。莢果長圓形或卵狀長圓形,扁平,成熟后變黑,頂部具彎曲的短而尖的椽,兩面有網狀脈紋,內含種子 2～6粒,淺黃色,種皮光滑,橢圓狀卵形,千粒重1.85 kg。扁蓿豆花期為7-8月,果期為 8-10月[2]。

1.2 種子特性和物候期及根、莖、葉的生長發(fā)育扁蓿豆種子硬實率高達70%以上,發(fā)芽率較低,自然發(fā)芽率只有20%,因此播種前可用人工方法進行預處理,以提高發(fā)芽率和出苗的整齊度。扁蓿豆的返青期較一般豆科牧草晚,一般5月初返青,6月下旬孕蕾,7月開花,8月以后種子陸續(xù)成熟,整個生育期120～140 d。

扁蓿豆是一種軸根牧草,植株分枝較多,每株可達15～20個,葉量較豐富。莖葉大小以及繁茂程度常隨水分條件及土壤肥力不同而呈現很大的差異,在水肥條件好的地境,莖葉肥大,旱薄地則莖細葉小[6]。

1.3 利用價值及分布扁蓿豆是蛋白質含量很高的豆科植物,營養(yǎng)期的蛋白質含量甚至在18%以上,因此扁蓿豆維持著草原放牧家畜的營養(yǎng)平衡,是重要的蛋白質飼料之一,但其含量從開花期至結實期則下降較多,因此在扁蓿豆的開花期及時刈割具有重要意義；由于扁蓿豆適口性好,各種家畜喜食,采食15～20 d后即可上膘,泌乳母畜采食后可提高乳品質量,孕畜所產仔畜較肥壯,因此扁蓿豆被認為是優(yōu)等飼用植物；同時由于扁蓿豆葉量豐富,被認為是很好的水土保持植物,因此適合于低輸入系統(tǒng)和土壤貧瘠、環(huán)境惡化的條件[7-8]。

對于資源豐富的扁蓿豆,因其可溶性碳水化合物含量低、緩沖能值高等特性,添加纖維素酶能改善扁蓿豆青貯飼料的發(fā)酵品質,提高其體外消失率。王瑩等[9]研究表明,雖然扁蓿豆可溶性碳水化合物含量較低,且具有較高的緩沖能值,但青貯過程中丁酸含量幾乎為零,V-Score評分等級為良好,說明直接青貯結實期的扁蓿豆可以得到優(yōu)良的青貯飼料。

扁蓿豆多生于草原、丘陵坡地、沙質地、河岸沙地、路旁草地[10],并且在黑鈣土、粟鈣土和中度鹽堿土上均能良好生長。扁蓿豆為廣幅旱生植物,多為典型草原、沙質草原及沙生植物的伴生種。扁蓿豆生活在各種復雜多變的氣候條件下,因此形成較多生態(tài)型,是野生豆科牧草種質資源中表現較突出的種質[11]。在世界上,扁蓿豆植物約有70余種,多數為多年生,少數為一年生,主要分布于溫帶,從古地中海的亞速爾群島到歐洲、北部非洲、亞洲西南、印度西部、西伯利亞和中國北部都有分布。我國扁蓿豆有6種,主要分布在東北、華北、西北和西南（四川、西藏）地區(qū),集中分布的省份有內蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、北京、陜西、甘肅、青海、寧夏、四川等地[12-13],多生于草原與草甸。扁蓿豆正種主要分布在內蒙古東部地區(qū),遼寧扁蓿豆主要分布在大興安嶺的寶格達山、阿爾山及其南部的一些地區(qū),細葉扁蓿豆主要分布在小藤格里沙地及其科爾沁沙地,陰山扁蓿豆主要集中分布在陰山山脈中部的大青山。扁蓿豆在蒙古、朝鮮、俄羅斯等地區(qū)也有分布。經過幾代從事牧草種質資源研究人員的努力,保存在國家牧草種質資源庫中的扁蓿豆153份,細葉扁蓿豆2份,并對其抗逆性、農藝性狀和遺傳多樣性的鑒定、評價和利用進行廣泛的研究。

2 扁蓿豆抗性研究進展

2.1 抗旱性研究有文獻報道[14],植物的抗旱性是一個有多種因素相互作用構成的較為復雜的綜合性狀,不同物種對某一具體指標的抗旱性反應不一定相同,單一的指標難以全面而準確地反應抗旱性的強弱,因此,抗旱性確定應采用多個指標進行綜合評價[15-16]。萎蔫率和死亡率被認為是最直接和適用的抗旱性指標[17-19]。株高脅迫指數和干物質脅迫指數關系到牧草的產量,而相對含水量和相對電導率是干旱脅迫對牧草體內水分含量和細胞膜傷害的直接反應,游離脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性糖含量[20]等滲透物質也是植物抵御干旱的一種重要方式,均為重要抗旱性指標。

烏日婭等[21]對扁蓿豆葉片的解剖結構進行了研究,指出扁蓿豆葉片具有一定的旱生解剖結構,側脈維管束外有多層厚壁組織構成的維管束鞘。石鳳翎等[22]對6個不同來源扁蓿豆的根、莖、葉形態(tài)結構進行了觀察研究,結果表明,可初步將葉片小、葉色淡綠、氣孔密度大、細胞小、葉片柵欄組織排列緊密、具表皮毛作為扁蓿豆抗旱的形態(tài)解剖指標；并指出扁蓿豆在根、莖解剖結構上無明顯差異。石鳳翎等[23]采用聚乙二醇（PEG 6000）溶液模擬干旱脅迫對種子萌發(fā)期和幼苗期的抗旱性進行分析指出,相對發(fā)芽勢及相對活力指數可作為扁蓿豆種子萌發(fā)期抗旱性鑒定指標,水勢在-11.67 bar時,以幼苗萎蔫率作為扁蓿豆牧草幼苗期抗旱性鑒定指標較為適宜。

植物的抗逆性往往隨生育期而異,植物在逆境中的定植決定于萌發(fā)條件和幼苗的抗逆性[24-25]。牧草在種子萌發(fā)和幼苗生長階段,對土壤水分和溫度的變化較敏感,隨著牧草生長,其抗寒、耐旱能力逐漸增強。牧草種子萌發(fā)和幼苗階段的抗逆性強弱是影響草地建植成敗的關鍵。種子萌發(fā)期和苗期是植物對逆境最敏感的時期,扁蓿豆材料在這兩個時期的抗旱性鑒定的結果對生產實踐有很好的指導意義。

郝建輝[26]通過測定葉夾角、葉面積、保水力、光合強度、水分利用效率和電導率等指標,對不同來源的6份扁蓿豆材料種子萌發(fā)期和苗期的抗旱生理方面進行了研究,指出保水力、光合強度、水分利用效率為扁蓿豆抗旱性研究的適宜指標,干物質脅迫指數、相對種子活力指數、千粒重和株高脅迫指數比較適合于扁蓿豆的抗寒性鑒定。趙麗麗等[27]采用5個PEG滲透勢梯度模擬干旱脅迫,以黃花苜蓿作對照,通過對種子相對發(fā)芽率、相對活力指數和半致死滲透脅迫強度3項指標的綜合分析,探討了4份扁蓿豆種質材料種子萌發(fā)期的抗旱性；扁蓿豆種質材料在種子萌發(fā)期的抗旱性高于黃花苜蓿,初步提出扁蓿豆的抗旱性強于黃花苜蓿。

植物抗旱性是一種極為復雜的生理反應,不同品系對水分虧缺響應的大小不同,早晚也不同。因此,在品系（種）之間進行抗旱性差異鑒定時,不能簡單用某項生理指標的高低來斷定他們抗性的大小,必須結合幼苗存活率等實際情況,對所測定的生理指標數據進行科學分析[28]。

評價植物抗旱性的指標是多方面的,包括形態(tài)、解剖結構、生理、生化等指標,如根系、葉形態(tài)、氣孔反應、蒸騰情況、膜系統(tǒng)的變化、滲透調節(jié)、水勢以及植物體內各種物質含量變化等。但作物的抗旱性不僅與作物的種類、品種、基因型、形態(tài)、性狀及生理生化反應等有關,還受干旱發(fā)生的時期、強度及持續(xù)時間的影響,作物抗旱性是復雜的數量性狀。不同作物和品種適應干旱的方式是多種多樣的,一些作物和品種具有綜合的多種機制共同起作用而表現出抗旱性。到目前為止,改良作物的抗旱性是一個應用前景廣闊但研究比較薄弱的環(huán)節(jié),特別是通過認識作物的抗旱機理和改變其遺傳基礎來提高抗旱性方面,仍處于探索階段。在扁蓿豆的抗旱性鑒定上,今后在田間的生產實踐和不斷的試驗中還需要逐步探索。

2.2 耐（抗）鹽性研究鹽分對種子萌發(fā)的影響一般歸結為滲透效應（即鹽分降低了溶液滲透勢）和離子效應（鹽離子對種子萌發(fā)的影響）[29]。滲透效應引起溶液滲透勢降低而使種子吸水受阻,從而影響種子萌發(fā)。離子效應一方面直接造成毒害而抑制種子萌發(fā),另一方面滲入種子,降低種子滲透勢,加速吸水而促進萌發(fā)[30]。

有關扁蓿豆的耐鹽性研究,Guan等[31]采用10/20℃,15/25℃,和20/30℃3個變溫分別與不同濃度的NaCl溶液和Na2CO3溶液進行組合,發(fā)芽7 d后,將未發(fā)芽的種子移入蒸餾水中繼續(xù)發(fā)芽7 d,觀測種子的恢復情況,探討了扁蓿豆在不同溫度下對不同強度的鹽脅迫和不同強度的堿脅迫的適應性,結果發(fā)現在50～200 mmol NaCl溶液中和1～20 mmol Na2CO3溶液脅迫下,直立型扁蓿豆均有50%以上的種子能恢復正常生長,直立型扁蓿豆種子萌發(fā)受Na2CO3的傷害較NaCl嚴重。

隨著鹽濃度的升高,種子開始發(fā)芽的時間和發(fā)芽高峰期均推遲,發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數有所降低,發(fā)芽勢和發(fā)芽指數降低的速度更快。

王曉棟[32]以沙打旺（Astragalus adsurgens）、檸條（Caragana korshinskii）、冬箭筈豌豆（Vicia villosa）（毛苕子）、紅豆草（Onobrychis viciaef olia）、黃花草木樨和5份扁蓿豆為材料,首先在模擬鹽環(huán)境中進行種子萌發(fā)期、幼苗期的耐鹽性評價,然后在鹽堿土樣中進一步進行耐鹽性鑒定,最后綜合評價出10種植物的耐鹽性強弱。對種子萌發(fā)期和幼苗期的各指標與鹽堿土樣中的出苗率相關研究認為,萌發(fā)期活力指數較適宜評價種子耐鹽性,發(fā)芽指數次之；幼苗期丙二醛含量較適宜評價牧草耐鹽性,脯氨酸含量次之。史萬光等[33]在鹽分脅迫下,以黃花苜蓿為對照,探討扁蓿豆4個品系種子發(fā)芽期耐鹽性差異。依據種子發(fā)芽率、相對發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數和半致死濃度來看,扁蓿豆種質材料在種子發(fā)芽期的耐鹽性高于黃花苜蓿。

已有研究表明,不同的植物種之間,或同一植物種的不同基因型之間耐鹽性存在明顯差異[29,34],而且同一植物不同生育期對鹽漬的敏感性差異不同,可能會相互矛盾。因不同耐鹽性遺傳系統(tǒng)的差異,植物某階段耐鹽性不能完全代表其他階段的耐鹽性,但大多數植物幼苗階段的耐鹽性仍能在一定程度上預測成株的反應。對植物在不同鹽濃度下的反應進行鑒定和分類,尤其是對早期耐鹽性進行鑒定,基于植物在鹽脅迫下的早期生長特點,在大量群體中鑒別出抗鹽基因型,可提高引種篩選工作的效率,為抗鹽育種提供基礎資料,在生產上可縮短育種周期,便于實踐應用。

2.3 抗寒性研究扁蓿豆是一種抗寒的牧草,最低發(fā)芽溫度5～6℃,幼苗可耐-3～ -4℃低溫,在冬季最低溫度達-45℃的地方也能安全越冬,解凍后,0～20 cm 土溫穩(wěn)定,在 7～8℃發(fā)芽,返青,幼苗遇-3～4℃不受霜害；但不耐夏季酷熱,夏季25～27℃時生長最快,超過30℃生長緩慢,到 33℃停止生長[35]。同時表現為喜濕耐旱,在年降水量300～600 mm的地方均能良好生長,莖葉大小和分枝繁茂程度常隨水肥條件好壞而相差很大,因根系入土1.0～1.5 m,故遇極端干旱也不會死亡。對土壤要求不嚴,較耐貧瘠,可在各種土壤上生長,在pH值為8.5～9.0的土壤上也能生長。

杜寶紅[36]做了扁蓿豆材料抗寒性的比較試驗,分別測定了3份扁蓿豆材料在芽期、苗期和成株期與抗寒性相關的形態(tài)和生理指標等,結果表明,芽期發(fā)芽率、發(fā)芽指數和活力指數及相對活力指數是衡量芽期抗寒性較好的指標,其中相對活力指數更能反映芽期抗寒性強弱。

根據不同溫度下幾種材料發(fā)芽率、發(fā)芽指數和活力指數可知,5℃下野生扁蓿豆種子的活力指數最高,抗寒性最強。由幼苗接受自然低溫脅迫后的凍傷率、死亡率和緩苗率可知,剛剛生長出第1片子葉的幼苗比生長時間更長的幼苗抗寒能力強。

不同品種對寒冷的抵抗能力不同,在低溫條件下,植物會發(fā)生生理和生化等方面的變化。在寒冷脅迫下所有組織的可溶性糖含量都會升高,這是一個普遍現象[37]。可溶性糖能夠提高細胞液的濃度,增加細胞持水組織中的非結冰水,從而降低細胞質的冰點,還可緩沖細胞質的過度脫水,保護細胞質膠體不至于遇冷凝固[20]。

2.4 抗病蟲害研究據有關報道[38],扁蓿豆有6種真菌病害,分別是霜霉?。≒eronospora aestivalis）、銹病（Uromyces striatus）、莖點霉葉斑和莖斑病（Phoma medicaginis）、絲核菌腐爛病（Rhizoctonia solani）、鐮孢萎蔫?。‵usarium oxysporum）和炭疽病（Dollerotrichum lindemuthianum）。至于不同生態(tài)型的病蟲害抗性差異,未見相關報道。

3 展望

盡管扁蓿豆研究取得了一定得進展,但與苜蓿、三葉草（Tri folium repens）等重要豆科牧草相比,整體研究水平只處于起步階段,資源的開發(fā)和利用還十分薄弱,有待于進一步深入研究。扁蓿豆蛋白質含量高,具有極強的抗逆性,有希望成為北方大面積推廣種植的優(yōu)良豆科牧草,尤其在紫花苜蓿不能立足的寒冷和干旱地區(qū)的旱作條件下,扁蓿豆的的優(yōu)勢更加明顯。

3.1 開展扁蓿豆雜交育種研究扁蓿豆與苜蓿遺傳關系相對較近,在適應性、抗旱性和耐鹽性方面優(yōu)于紫花苜蓿,如果將扁蓿豆與苜蓿雜交,有希望培育出在產量性狀、品質性狀方面比扁蓿豆高,而且抗逆性比紫花苜蓿強的新種質、育種新材料和抗逆新品種。另外,由此可以試圖解決由于扁蓿豆開花期長,種子成熟期不一致,種子成熟后,莢果開裂、落粒性強等原因導致其種子產量低,進而限制了扁蓿豆的大面積推廣利用等問題。

3.2 扁蓿豆資源優(yōu)異基因發(fā)掘利用現代生物技術等手段,發(fā)掘抗逆關鍵基因,闡明相應功能基因的遺傳和生理生化特性,以及在育種和生產中的利用價值,從中發(fā)掘新基因。對其抗逆性基因進行克隆并導入苜蓿等其他高產牧草,則可以實現扁蓿豆與其他牧草優(yōu)良基因的聚合,為培育更具育種潛力的牧草新種質奠定重要的研究基礎。通過二倍體扁蓿豆與四倍體肇東苜蓿的誘變突變體作雜交親本,雜交育種成功了6個品系,它們具有穩(wěn)定的產草量,抗逆性較強,適宜在環(huán)境指數較低的條件下種植的特點[39-40]。但是,目前對扁蓿豆種質資源抗逆性能力的定量評價還很少,對其抗逆性機理和抗逆基因克隆還沒有研究。

3.3 開展扁蓿豆牧草種質資源創(chuàng)新研究以我國優(yōu)異野生牧草種質為研究對象,利用物理誘變（Go60[41],γ射線）,對苜蓿屬扁蓿豆資源種質創(chuàng)新研究,依據產量性狀、品質性狀與抗逆性狀進行篩選,從而創(chuàng)制高產、優(yōu)質、高抗的牧草新種質。

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