紫花苜蓿(Medicago sativa L.)耐鹽堿研究進(jìn)展

劉 鐸, 白 爽, 楊慶山, 齊學(xué)斌, 梁志杰, 郭 魏, 李 平

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，新鄉(xiāng)453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)水資源高效安全利用重點開放實驗室，新鄉(xiāng) 453002；3.北京市八大處公園管理處，北京100041；4.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，濟南 250014)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是豆科苜蓿屬多年生草本植物，由于蛋白含量豐富，故有“牧草之王”之稱，可作為優(yōu)質(zhì)牧草。其在世界范圍內(nèi)廣泛分布，在我國主要分布在東北、西北及華北等地[1]。鹽堿脅迫是重要的植物非生物脅迫限制因子，土地鹽堿化是世界范圍內(nèi)備受關(guān)注的環(huán)境問題。目前全世界約有10億hm2的鹽堿地，約占世界陸地總面積的6.7%。中國鹽堿地主要分布在東北、華北、西北及沿海地區(qū)，面積約為1億hm2[2]。土地鹽堿化嚴(yán)重限制農(nóng)作物正常生長[3]，影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4]。隨著國家經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，對于優(yōu)質(zhì)肉蛋奶的需求不斷增強，但是我國耕地資源緊缺，有限的耕地資源必須首先用來保證口糧供給[5]，不可能利用有限耕地大規(guī)模種植紫花苜蓿，因此我國每年會從國外進(jìn)口大量苜蓿草來支撐畜牧業(yè)發(fā)展[6]。與此同時我國鹽堿地面積廣闊，紫花苜蓿具有一定的耐鹽堿能力，因此鹽堿地可以作為重要的后備土地資源發(fā)展紫花苜蓿人工草地，這對支撐我國畜牧業(yè)發(fā)展具有重要意義。本文對近年來有關(guān)學(xué)者研究紫花苜蓿耐鹽堿性的成果進(jìn)行總結(jié)，旨在為紫花苜蓿抗性資源發(fā)掘與利用及鹽堿土壤改良提供參考。

1 鹽堿脅迫對紫花苜蓿生長發(fā)育的影響

1.1 鹽堿脅迫對紫花苜蓿種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)期是植物生長的關(guān)鍵時期，鹽堿脅迫會嚴(yán)重抑制植物種子的正常萌發(fā)。王曉春等[7]對在鹽脅迫下15個品種紫花苜蓿種子萌發(fā)狀況進(jìn)行研究，結(jié)果表明：當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)低于0.6%時，其中的13個品種紫花苜蓿種子能保持較高的發(fā)芽能力，鹽脅迫對其萌發(fā)影響不大，且當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)為0.2%時對多數(shù)紫花苜蓿萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用，有10個品種的發(fā)芽勢反而比對照還高；當(dāng)NaCl體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.8%時，紫花苜蓿各個品種的發(fā)芽能力則會下降，主要表現(xiàn)為開始出現(xiàn)畸形苗，且不同品種發(fā)芽能力具有較大差別。因此建議今后開展紫花苜蓿耐鹽NaCl鑒定時，可設(shè)定NaCl體積分?jǐn)?shù)0.8%為起始濃度進(jìn)行鑒定。程貝等[8]通過對鹽脅迫下5個品種紫花苜蓿種子萌發(fā)特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明低鹽環(huán)境對紫花苜蓿種子萌發(fā)影響不大，當(dāng)鹽濃度低于60 mmol/L時紫花苜蓿種子發(fā)芽良好，甚至優(yōu)于蒸餾水培養(yǎng)環(huán)境條件下，幼苗生長也良好，證明紫花苜蓿種子具有一定的耐鹽性。但高鹽環(huán)境則會抑制紫花苜蓿種子的正常萌發(fā)，尤其當(dāng)鹽濃度為120 mmol/L時，紫花苜蓿種子的萌發(fā)受到明顯抑制，生長也受到嚴(yán)重阻礙。

鹽堿地中鹽與堿是相伴而生的，相比于鹽脅迫，堿脅迫對植物的危害更大[9]。藺吉祥等[10]以公農(nóng)1號紫花苜蓿為材料，通過模擬不同鹽堿生境研究了紫花苜蓿種子對于鹽堿脅迫的響應(yīng)機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著鹽堿濃度和pH值的增大，紫花苜蓿種子的活力指數(shù)、發(fā)芽率以及發(fā)芽指數(shù)都會下降，胚根和胚芽的生長也會受到抑制，且堿性鹽的比例越大，紫花苜蓿種子萌發(fā)和胚根與胚芽生長所受到抑制越強。且不同于單獨的鹽脅迫或堿脅迫，當(dāng)鹽堿濃度較高時，鹽與堿二者存在明顯的協(xié)同作用，鹽堿交互脅迫作用更明顯，進(jìn)而加劇了對紫花苜蓿種子萌發(fā)的抑制。賈秀峰[11]研究了蘇打堿脅迫對龍牧807和WL343HQ 2個品種紫花苜蓿種子萌發(fā)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著蘇打堿濃度的升高，兩個品種紫花苜蓿種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、活力指數(shù)、胚根長、胚芽長及生物量均呈下降趨勢。其中，龍牧807和WL343HQ的半致死濃度分別為36.61和42.41 mmol/L。

1.2 鹽堿脅迫對紫花苜蓿生長及產(chǎn)量的影響

鹽堿脅迫對植物影響最直觀的體現(xiàn)就是抑制其生長導(dǎo)致其產(chǎn)量下降，對于紫花苜蓿同樣如此。陳小芳等[12]以中苜3號和WL-SALT 2個紫花苜蓿品種為研究對象，用不同濃度NaCl進(jìn)行脅迫處理，結(jié)果表明低濃度鹽脅迫對其生長的影響并不顯著，隨著鹽濃度的升高，生長會受到顯著抑制，中苜3號和WL-SALT，在300 mmol/L脅迫時生長速度比對照分別下降10%和19%，400 mmol/L脅迫時生長速度僅為對照的4.5%和9%，生長幾乎停滯。其中高鹽濃度下中苜3號生物量較高，耐鹽性表現(xiàn)更好。王運濤等[13]通過研究Na2CO3脅迫對紫花苜蓿地下生長的影響發(fā)現(xiàn)隨著堿脅迫濃度的升高，各個品種紫花苜蓿的根頸直徑和主根直徑逐漸減小，而根頸入土深度和側(cè)根位置則逐漸增大，但是堿脅迫對側(cè)根直徑的影響并不大。于浩然等[14]通過研究比較在不同程度鹽堿地種植紫花苜蓿產(chǎn)量變化發(fā)現(xiàn)，在中度和重度鹽堿地種植紫花苜蓿產(chǎn)量則較低，但輕度鹽堿土壤種植紫花苜蓿產(chǎn)量最高，甚至高于非鹽堿土壤種植苜蓿產(chǎn)量。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，土壤pH值和鹽分能夠影響紫花苜蓿對于水分和養(yǎng)分吸收。適度高pH值和鹽分含量，會促進(jìn)紫花苜蓿根系對于水分和養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而促進(jìn)紫花苜蓿的生長。

2 鹽堿脅迫對紫花苜蓿生理生化的影響

2.1 鹽堿脅迫對紫花苜蓿光合作用的影響

植物光合作用對于植物生長發(fā)育至關(guān)重要，鹽堿脅迫會嚴(yán)重抑制植物光合作用[15-17]，進(jìn)而影響植物正常生長。趙霞等[18]通過研究不同濃度鹽堿脅迫對紫花苜蓿光合作用影響，發(fā)現(xiàn)在鹽堿脅迫下，隨著鹽濃度的升高，紫花苜蓿葉片的總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素含量總體呈下降趨勢，鹽堿脅迫顯著減少了紫花苜蓿幼苗，同時其凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)及胞間CO2濃度(Ci)則均呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢；最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實際光化學(xué)效率ΦPSII及光化學(xué)淬滅系數(shù)(qp)呈先上升后下降變化趨勢，非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)(NPQ)則一直降低。范方等[19]以公農(nóng)1號為研究對象進(jìn)行鹽脅迫實驗發(fā)現(xiàn)在低濃度鹽脅迫下公農(nóng)1號紫花苜蓿的凈光合速率(Pn)和氣孔導(dǎo)度(Gs)在脅迫初期會小幅度上升，但是隨著脅迫時間延長開始下降，而進(jìn)一步隨著脅迫時間的持續(xù)則下降趨于平緩，但是在高濃度鹽分脅迫情況下凈光合速率(Pn)和氣孔導(dǎo)度(Gs)則一直持續(xù)下降，而各個濃度處理胞間CO2基本都呈先升高后下降的趨勢，蒸騰速率(Tr)基本都呈下降趨勢。郭鵬等[20]通過研究鹽堿脅迫對中苜1號紫花苜蓿的影響，結(jié)果表明在鹽堿脅迫下隨著鹽堿濃度的升高，紫花苜蓿凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)以及葉片葉綠素含量都會降低，并且相比于鹽脅迫，同等濃度在堿脅迫下葉綠素含量會更低。陳托兄[21]研究了鹽脅迫對于不同秋眠級紫花苜蓿光合作用的影響，結(jié)果表明鹽濃度的升高會抑制紫花苜蓿苜蓿光合作用，在較低鹽濃度下，部分品種存在著預(yù)警階段-抗性活恢復(fù)階段，而在較高濃度鹽脅迫下則直接進(jìn)入耗盡階段。

2.2 鹽堿脅迫對紫花苜蓿滲透調(diào)節(jié)機制的影響

土壤中積累過多鹽分會引起土壤水勢降低，使得植物吸水困難，造成植物生理干旱，引起滲透脅迫[22]。植物為了應(yīng)對鹽堿脅迫引起的滲透脅迫在體內(nèi)合成相應(yīng)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[23]。李源等[24]對不同品種紫花苜蓿耐鹽性分析，結(jié)果表明在鹽脅迫下，隨著鹽濃度升高，紫花苜蓿葉片水勢會下降，可溶性糖與脯氨酸含量會上升，并且不同品種變化量不同，很好地反映了不同品種耐鹽性。張永鋒等[25]以公農(nóng)1號為材料，研究鹽堿脅迫對紫花苜蓿的影響，結(jié)果表明在鹽堿脅迫下，隨著脅迫濃度的增大，其體內(nèi)束縛水和自由水的比率會增大，且可溶性糖和脯氨酸含量均會上升。王保平等[26]通過研究鹽堿脅迫對中苜1號紫花苜蓿的影響，同樣發(fā)現(xiàn)在鹽堿脅迫下隨著濃度的升高，紫花苜蓿體內(nèi)的脯氨酸與可溶性糖含量均升高，并且在同等濃度情況下，相比中性鹽，堿性鹽脅迫紫花苜蓿體內(nèi)會積累更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。以上可以看出，鹽堿脅迫會對紫花苜蓿造成滲透脅迫引起失水，紫花苜蓿會在體內(nèi)合成脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以應(yīng)對滲透脅迫，同時在鹽堿脅迫下，不同品種紫花苜蓿滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累量具有差異性，其可以作為很好的紫花苜蓿耐鹽堿性評價指標(biāo)。

2.3 鹽堿脅迫對紫花苜?？寡趸到y(tǒng)的影響

植物在正常生長條件下，體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與消除之間保持動態(tài)平衡，但當(dāng)遭遇鹽堿脅迫時，這種動態(tài)平衡就會被打破，進(jìn)而引起氧化脅迫[27]。

Wang等[28]研究了鹽脅迫對Defi和中苜1號這兩種紫花苜蓿的影響，結(jié)果表明在鹽脅迫下兩種紫花苜蓿的SOD、POD、CAT以及APX活性都會隨著鹽濃度的增大而升高，且MDA含量也會增加，但是相比于Defi中苜1號的MDA含量較少。王文斌等[29]研究NaCl脅迫對紫花苜蓿抗氧系統(tǒng)影響，結(jié)果表明200 mmol/L NaCl脅迫下，紫花苜蓿體內(nèi)MDA、H2O2含量及質(zhì)膜透性增高，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)及過氧化氫酶(CAT)活性都會升高，并且不同植物器官具有一定差異性，紫花苜蓿芽中CAT活性較強，POD活性則相反。黃婷等[30]通過對阿迪娜和秘魯兩個品種紫花苜蓿進(jìn)行150 mmol/L NaCl脅迫處理，發(fā)現(xiàn)兩個品種紫花苜蓿的CAT和POD活性及MDA含量總體上呈上升趨勢。由此可以看出，在鹽堿脅迫下紫花苜蓿會通過增強體內(nèi)各種抗氧化酶活性來抵御由鹽堿脅迫引起的氧化脅迫。

2.4 鹽堿脅迫對紫花苜蓿礦質(zhì)元素平衡調(diào)控的影響

鹽堿脅迫會使植物體內(nèi)積累過多毒害離子，進(jìn)而引起植物離子毒害，抑制其生長[31]。景艷霞等[32]通過研究NaCl脅迫對紫花苜蓿各器官礦質(zhì)元素分布影響，發(fā)現(xiàn)在NaCl脅迫下紫花苜蓿各個器官中的Na+含量會增大，且隨著濃度的升高，Na+含量會積累越多。但是NaCl脅迫下其各個器官的K+含量則會降低，隨著濃度的升高根、莖和葉中的K+/Na+會降低。同時在NaCl脅迫下其根、莖和葉中Mg2+和根中的Ca2+會隨濃度升高而降低，但是莖、葉中的Ca2+含量隨濃度升高變化規(guī)律并不明顯。Wang等[31]通過研究鹽堿脅迫對中苜1號和阿爾岡金兩種紫花苜蓿的影響，發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫增加了紫花苜蓿根系中Na+、Ca2+和Mg2+積累，改變了其整個植株的Ca2+和Mg2+平衡，鹽堿脅迫使其根系中K+、Fe3+和Mn2+的含量減少，同時葉片中K+和Fe3+以及莖中Zn2+含量也減少。但是莖中Fe3+和Cu2+和葉片中的Zn2+和Cu2+含量則增大。以上可以看出，鹽堿脅迫會引起紫花苜蓿體內(nèi)離子含量及平衡發(fā)生變化，但是目前對其規(guī)律的研究還不明晰，機理不太清晰，還有待進(jìn)一步通過離子組學(xué)并結(jié)合非損傷微測技術(shù)深入分析。

2.5 紫花苜蓿耐鹽堿分子機制

鹽堿脅迫同樣會對紫花苜蓿相關(guān)功能基因和轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)產(chǎn)生影響，袁玉瑩等[33]對紫花苜蓿龍牧801進(jìn)行干旱、低溫及鹽堿脅迫處理，發(fā)現(xiàn)其根中苜蓿GLKG34轉(zhuǎn)錄因子在鹽堿脅迫下表達(dá)量會上調(diào)，呈先上升后下降的變化趨勢，而在干旱和低溫脅迫下相對表達(dá)量均下調(diào)，這表明根中MsGLKG34 對鹽堿脅迫響應(yīng)明顯，但對干旱和低溫脅迫響應(yīng)不明顯，其功能還有待進(jìn)一步挖掘。除了檢測在鹽堿脅迫下相關(guān)基因的表達(dá)情況，還有研究人員通過反向遺傳學(xué)，對紫花苜蓿體內(nèi)抗逆基因的功能進(jìn)行驗證。賈會麗等[34]以前期獲得的轉(zhuǎn)紫花苜蓿MsLEA4-4基因的擬南芥為研究對象，研究MsLEA4-4基因在擬南芥體內(nèi)的耐鹽性，通過研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下轉(zhuǎn)基因株系的發(fā)芽率比對照植株高81%，存活率提高75%～81.3%，鮮重和葉綠素含量更高，側(cè)根數(shù)更多。在鹽脅迫下轉(zhuǎn)基因株系可溶性糖含量、SOD、CAT、POD活性更高，MDA含量更低。通過研究得出，紫花苜蓿MsLEA4-4基因參與了擬南芥體內(nèi)耐鹽性的調(diào)控，提高了擬南芥耐鹽能力。研究結(jié)果將為耐鹽堿紫花苜蓿培育提供重要理論依據(jù)。

圖1 鹽堿脅迫對紫花苜蓿的危害及其耐鹽堿主要生理機制

3 提高紫花苜蓿耐鹽堿生理途徑

3.1 外源物質(zhì)提高紫花苜蓿耐鹽堿能力

由于植物育種周期較長，短期內(nèi)通過外源物質(zhì)如激素[35]、糖類物質(zhì)[36]、有機酸[37]及微量元素[38]等是一種切實有效提高植物耐鹽堿性的手段。楊躍霞等[39]通過研究外源ABA對鹽脅迫下紫花苜蓿影響表明，在鹽脅迫下外源ABA能夠提高紫花苜蓿脯氨酸含量，降低Na+積累，減少K+流失，進(jìn)而提高紫花苜蓿耐鹽性。李紅等[40]進(jìn)一步研究了外源ABA對在堿脅迫下紫花苜蓿激素變化的影響，結(jié)果表明噴施不同濃度ABA能夠影響在堿脅迫下紫花苜蓿體內(nèi)吲哚乙酸(IAA)和赤霉素(GA3)含量，ABA含量上升，ABA主要對在堿脅迫下紫花苜蓿體內(nèi)各種激素含量的變化發(fā)揮著重要作用。Liu等[41]外源硅誘抗能夠提高堿脅迫下紫花苜蓿的耐堿性，硅誘抗之所以能夠在提高紫花苜蓿耐堿性，主要是因為提高了在堿脅迫下紫花苜?？寡趸B透調(diào)節(jié)以及離子平衡調(diào)控能力。

3.2 菌根提高紫花苜蓿耐鹽堿能力

土壤中的菌根真菌能夠與大部分陸地植物形成互惠共生的關(guān)系，菌根一方面可以擴大植物吸收營養(yǎng)成分的面積，另外也可以提高宿主植物抵御各種逆境脅迫的能力[42-43]。Moradi[44]通過研究表明菌根能夠提高在鹽脅迫下紫花苜蓿硝酸還原酶活性和對氮磷的吸收，同時減少Na+的過多積累和K+和Ca2+的流失，進(jìn)而促進(jìn)其生長。張永志等[45]通過研究接種根瘤菌對鹽脅迫下紫花苜蓿影響，發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下中苜1號紫花苜蓿接種菌根能夠提高其可溶性蛋白、可溶性糖含量，提高SOD、POD活性，提高其Pn、Gs及Tr，降低了其脯氨酸和MDA含量，同時也降低了其Ci值。劉倩等[46]同樣通過研究發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫會抑制紫花苜蓿的正常生長發(fā)育，接種AMF或者根瘤菌可以提高其耐受鹽堿脅迫的能力，并且相比單獨接種AMF或者根瘤菌，同時接種AMF和根瘤菌的效果更好?？梢钥闯?，在鹽脅迫下菌根浸染紫花苜?？梢蕴岣咂潆x子平衡能力、滲透調(diào)節(jié)能力和抗氧化能力，進(jìn)而提高其耐鹽堿性。

4 結(jié)論與展望

紫花苜蓿是一種優(yōu)良的多年生豆科牧草，具有一定耐鹽堿性，我國鹽堿地面積巨大，鹽堿脅迫會嚴(yán)重抑制植物正常生長，影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[47]，充分利用鹽堿地后備土地資源，發(fā)展紫花苜蓿人工草地，對改良生態(tài)環(huán)境，支撐畜牧業(yè)發(fā)展具有重要意義。

紫花苜蓿耐鹽堿機制是一個非常復(fù)雜的過程，有很多機制還不是很清楚。目前已經(jīng)從種子萌發(fā)、生長發(fā)育、生理生化及分子生物學(xué)各個角度對紫花苜蓿耐鹽堿機制進(jìn)行了解析。但是較多的還是從種子萌發(fā)、幼苗生長和生理生化角度進(jìn)行紫花苜蓿耐鹽堿性研究，關(guān)于紫花苜蓿耐鹽堿機理更深層的基礎(chǔ)研究還不多，建議以后應(yīng)該利用代謝組學(xué)，離子組學(xué)等多組學(xué)手段深入研究紫花苜蓿耐鹽堿機理，進(jìn)一步研究發(fā)掘紫花苜?？鼓婀δ芑?，對基因功能進(jìn)行深入解析，支撐紫花苜蓿分子育種。