苜蓿種子萌發(fā)特性及幼苗耐旱性研究

吳長(zhǎng)寧 徐勤 錢春賢

摘要：水資源的短缺對(duì)于干旱和半干旱地區(qū)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此，如何合理配置有限的水資源，以提升當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物產(chǎn)量，已經(jīng)變得越來越重要。經(jīng)過深入的研究，苜蓿在干旱環(huán)境中的水分代謝和生物學(xué)特性的變化規(guī)律已經(jīng)得到了明確的揭示。本研究旨在深入探究苜蓿的抗旱性能，以期為選擇抗旱性更強(qiáng)的品種提供科學(xué)依據(jù)。期望本文可以給有關(guān)人士帶來有益的借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：苜蓿；種子的發(fā)芽特征；幼苗耐旱性

種子萌發(fā)是受基因和環(huán)境控制的，水是影響種子萌發(fā)的重要因素，干旱抑制種子萌發(fā)，制約農(nóng)業(yè)發(fā)展。苜蓿作為一種具有極高生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的牧草，已被普遍應(yīng)用于中國西北黃土高原的農(nóng)業(yè)發(fā)展中。苜蓿的生長(zhǎng)速度快，適合大面積種植，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的首選作物。陜西省延安市安塞區(qū)高橋鎮(zhèn)農(nóng)民一直在嘗試種植苜蓿，但是未達(dá)到預(yù)期的效果。經(jīng)研究表明，由于干旱和多風(fēng)的氣候，當(dāng)?shù)赝寥乐械乃执罅空舭l(fā)，破壞了土壤的生態(tài)平衡，不利于苜蓿種子的萌發(fā)。在晉東南地區(qū)，春播苜蓿由于受干旱的影響，很難萌發(fā)；夏播苜蓿，即便萌發(fā)，高溫的照射仍可能造成幼苗的燒傷和死亡，降低播種的成功率。由于水分的缺乏，苜蓿的生長(zhǎng)受到了嚴(yán)重的阻礙。學(xué)者們正在研究苜蓿種子的萌發(fā)機(jī)制，并采用多種方法來評(píng)估它們的適應(yīng)性，以期獲得更好的發(fā)展前景，然而目前尚無確切的結(jié)論來解釋苜蓿種子的萌發(fā)障礙。除了水分生理生態(tài)學(xué)，苜蓿萌發(fā)還需要更多的研究，以確保它們能夠獲得足夠的水分來滿足其生長(zhǎng)所需[1]。

1 研究背景

苜蓿是世界上除大豆之外種植量最大的豆科植物，多年生草本，苜蓿生長(zhǎng)期為5～12年，對(duì)于年降水量在500～800 mm的地區(qū)都具有極高的適應(yīng)性，遍及中國的西北、東北和華北的干旱與半干旱地帶。苜蓿富含營養(yǎng)、適口性好、易于消化，有“牧草之王”之稱，初花到盛花期鮮草含水分76%左右、粗蛋白質(zhì)4.5%～5.9%、粗脂肪0.8%、粗纖維6.8%～7.8%、無氮浸出物9.3%～9.6%、灰分2.2%～2.3%，苜蓿干草總可消化養(yǎng)分的60%、粗蛋白質(zhì)的70%、維生素的90%都存在于葉片中。因此，高含葉率苜蓿干草中的礦物質(zhì)、維生素、能量和粗蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)含量較高。研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿喂奶牛，不但可提高產(chǎn)奶量，還可提高奶牛的健康水平，減少生殖系統(tǒng)和消化系統(tǒng)疾病的發(fā)生，延長(zhǎng)奶牛的利用年限；在肥育豬飼糧中適量添加苜蓿草，可以提高日增重。因此，苜蓿的飼料價(jià)值非常高。苜蓿還能夠提升土壤的肥力，維持水土的平衡，可以帶來巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著全球氣候變暖，苜蓿的生長(zhǎng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，由于水分短缺，傳統(tǒng)的灌溉方式越來越不能滿足苜蓿生長(zhǎng)所需，嚴(yán)重阻礙了苜蓿的正常生長(zhǎng)和發(fā)育。西北地區(qū)的水資源僅占全國的1/12，因此，研究苜蓿的水分生理生態(tài)特性及篩選耐旱性好的推廣品種，不僅能夠有效地改善當(dāng)?shù)氐乃Y源利用率，減少水資源的浪費(fèi)，也有助于更好地掌握苜蓿植物的抗旱能力，對(duì)于全球畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、解決食物供應(yīng)不足、維護(hù)生態(tài)平衡、合理利用水資源都具有重要意義?；谲俎５乃稚砩鷳B(tài)特性和植物的水分狀況，深入研究其耐旱性特征將為我們提供一個(gè)全新的視角。

2 苜?？购涤N研究

選育抗旱苜蓿品種是提高苜蓿干旱忍耐能力、緩解干旱環(huán)境危機(jī)的基本途徑之一。19世紀(jì)末，苜蓿的育種工作受到國外的重視，但當(dāng)時(shí)的研究重點(diǎn)偏重提高產(chǎn)量，直到20世紀(jì)70—80年代，苜蓿的育種重心轉(zhuǎn)移，不再局限于產(chǎn)量，而是將其與多種抗性結(jié)合起來，以提高其綜合效益。自新中國成立以來，我國苜蓿育種工作穩(wěn)步推進(jìn)，取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，但如何選擇出具有較高產(chǎn)量和抗旱性的苜蓿品種仍然是一大挑戰(zhàn)。吉林省農(nóng)科院畜牧分院培育的公農(nóng)3號(hào)苜蓿，具備卓越的抗逆性和耐牧性，是一種典型的根蘗型苜蓿；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)培育的甘農(nóng)2號(hào)雜花苜蓿是一種具有極高抗逆性的植物，它能夠在黃土高原地區(qū)的水土保持、防風(fēng)固沙、護(hù)坡固土等工程中發(fā)揮重要作用，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持[2]。傳統(tǒng)的育種技術(shù)，如引進(jìn)馴化、人工選擇、雜交、誘變和鑒定篩選，已成為當(dāng)今育種領(lǐng)域最重要的手段。但由于稀缺的育種資源，導(dǎo)致培育品種的遺傳多樣性受到了極大的限制，從而阻礙了它們?cè)诟牧挤矫嫒〉弥卮笸黄?。近年來，分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展使得生物技術(shù)在育種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，不僅可以將傳統(tǒng)的育種技術(shù)、細(xì)胞和組織培養(yǎng)、細(xì)胞融合、基因工程等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，還可以利用這些技術(shù)來改良品種，以獲得更加優(yōu)質(zhì)的新品種。傳統(tǒng)的育種方法與現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合，已成為今后植物育種科學(xué)發(fā)展的重要方向。利用基因組特異性分子標(biāo)記技術(shù)，我們可以大幅度地改變野生植物的抗旱性，并將其轉(zhuǎn)移至苜蓿植物體內(nèi)，進(jìn)一步增強(qiáng)其對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)性。通過胚胎細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)可將抗病性和耐寒性基因轉(zhuǎn)移到需要更高抗逆性的農(nóng)作物品種上。

3 苜蓿幼苗耐旱性研究

作物的水分利用規(guī)律可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有效的指導(dǎo)，方便種植者進(jìn)行合理灌溉和產(chǎn)量預(yù)測(cè)，同時(shí)，也為輪作、間作和套作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在旱地農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，提高水分利用效率一直都是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題，這主要取決于作物的蒸騰作用，蒸騰作用也是衡量作物在極端干旱條件下的適應(yīng)能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

持續(xù)干旱脅迫下，苜蓿葉片的氣孔開度減小，水分蒸騰減弱，繼而帶來了苜蓿蒸騰耗水量的顯著下降。在相同脅迫處理下，苜蓿的蒸騰耗水量降低幅度為生長(zhǎng)第一年＞生長(zhǎng)第二年，第三茬＞第二茬＞第一茬。經(jīng)過分析，第二年的苜蓿第一茬的生長(zhǎng)期明顯更長(zhǎng)（>200 d），這使得它的蒸騰耗水量大大增加，而且減少的幅度也更加明顯；第二茬植物的生長(zhǎng)周期很短（<50 d），但在這段時(shí)間里，由于遭受了持續(xù)的高溫干旱，它們的蒸發(fā)量和降低幅度都很大；盡管第三茬的生長(zhǎng)周期比第二茬長(zhǎng)（約70 d），而且在生長(zhǎng)過程中還遭受了持續(xù)的高溫，但它的生長(zhǎng)狀況仍然顯著減弱，這是導(dǎo)致它蒸發(fā)和排泄量減少的主要原因。相比之下，在一年內(nèi)，苜蓿的蒸騰消耗量明顯減少，而在二年內(nèi)，減少的幅度要小得多，這可能是由于苜蓿在不同的生長(zhǎng)年限中對(duì)干旱的反應(yīng)不同所致。

有研究者利用PEG溶液（水勢(shì)梯度：-0.1～-0.5 MPa）

模擬水分脅迫，研究了紫花苜蓿（品種：阿爾岡金和隴東）種子的萌發(fā)能力的變化及對(duì)萌發(fā)環(huán)境的最低水分需求，并進(jìn)行種間差異比較，結(jié)果顯示，PEG水分脅迫通過限制種子有效水分的吸收而抑制了其萌發(fā)，且隨著脅迫強(qiáng)度的增加，萌發(fā)能力減弱，主要表現(xiàn)在：萌發(fā)率、吸水速率、萌發(fā)活力、萌發(fā)脅迫指數(shù)等隨脅迫強(qiáng)度的增加而下降，根芽比則隨之增加[3]。另一方面，種子群體萌動(dòng)、萌發(fā)和出苗達(dá) 50％ 概率時(shí)間隨脅迫強(qiáng)度的增加而越發(fā)延遲，且各階段對(duì)環(huán)境臨界水勢(shì)的需求不同，出苗階段最為嚴(yán)格，說明種子出苗過程對(duì)環(huán)境水分脅迫最為敏感，耐旱能力最弱。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿在一年內(nèi)的水分利用效率表現(xiàn)出了顯著的差異：在土壤含水量較低的畦灌處理中，水分利用效率值最高，而在土壤含水量較高的常規(guī)漫灌和溝灌中，水分利用效率值最低[4]。研究表明，生物量與水分利用效率之間存在著密切的聯(lián)系，其中，根干重和地上部干物重的變化是導(dǎo)致生物量水分利用效率變化的主要原因。研究表明，適度干旱處理可以提升植物水分利用效率，但會(huì)帶來一定程度的產(chǎn)量損失。另一方面，苜蓿水分利用效率會(huì)受到根系的影響，由于土壤水分的缺乏，苜蓿的營養(yǎng)物質(zhì)分配路徑發(fā)生了變化，導(dǎo)致了減產(chǎn)和水分消耗的減少，但促進(jìn)了根系的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，加強(qiáng)了對(duì)深層土壤水分的利用，使苜蓿的根冠關(guān)系更加協(xié)調(diào)，從而提高了水分利用效率。

總而言之，水分對(duì)于植物的健康成長(zhǎng)至關(guān)重要。隨著水資源的日益緊缺，如何有效地提高植物水分利用效率，已經(jīng)成為當(dāng)今節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。研究水分利用效率在干旱環(huán)境中的作用，以及它們與植物抗旱能力之間的關(guān)聯(lián)，是尋找有效的灌溉方式的重要理論依據(jù)。經(jīng)過干旱的考驗(yàn)，苜蓿能夠有效地抑制氣孔的開放，從而降低蒸發(fā)量，而水分利用效率水平也有了明顯的改善。當(dāng)植物的生長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng)，它們的蒸騰耗水量會(huì)逐漸下降，水分利用效率也會(huì)不斷提高，這表明它們?cè)絹碓侥軌虺惺芨珊档膲毫?；第二年，每一個(gè)季節(jié)的蒸發(fā)消耗的水分都會(huì)逐漸減少，而且下降的程度也會(huì)越來越大；水分利用效率的數(shù)值呈現(xiàn)出一種遞減的趨勢(shì)，其中，第二茬的數(shù)值最高，這表明，第一茬的水分利用率和抗旱性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第三茬。研究苜蓿的水分利用特性和耐旱性，可以為選擇抗旱品種、提升水分利用效率、促進(jìn)干旱半干旱地區(qū)苜蓿農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

4 基因工程技術(shù)在提高苜?？购敌灾械膽?yīng)用

氣候干燥時(shí)，植物的產(chǎn)量會(huì)顯著下降。因此，培育出抗旱能力強(qiáng)、產(chǎn)量和品質(zhì)優(yōu)秀的牧草變得尤為重要。近年來，苜蓿的抗旱育種研究和幼苗耐旱性研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。盡管傳統(tǒng)的育種技術(shù)可以有效地增強(qiáng)植物對(duì)外界環(huán)境的抵抗力，但它們的繁殖周期往往比較長(zhǎng)?；蚬こ碳夹g(shù)的發(fā)展為苜蓿轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支撐，從1986年首次獲得轉(zhuǎn)基因苜蓿植株以來，科學(xué)家們不斷努力，研發(fā)出多種具有抗逆性強(qiáng)的轉(zhuǎn)基因苜蓿品種，以滿足不同環(huán)境的需求。

2005年，科學(xué)家們成功地將WXP1基因從蒺藜苜蓿中克隆出來，并成功地轉(zhuǎn)移至苜蓿，使得轉(zhuǎn)基因苜蓿的葉片表皮蠟質(zhì)含量得以顯著增加。通過掃描電子顯微鏡觀察，我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因苜蓿的下表皮會(huì)更快地形成蠟狀晶體，成熟的葉子表面上下都覆蓋著密集的蠟狀晶體結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)基因苜蓿中超表達(dá)WXP1基因的葉片可以有效地減少其失水量，特別是在干旱環(huán)境中，其萎蔫現(xiàn)象會(huì)更為突出，而一旦植株被適當(dāng)澆水，其恢復(fù)能力就會(huì)大幅提升。在干旱條件下，轉(zhuǎn)基因苜蓿的相對(duì)含水量明顯優(yōu)于非轉(zhuǎn)基因苜蓿，同時(shí)，其中的甜菜堿和脯氨酸也更加豐富，轉(zhuǎn)基因苜蓿的IAA基因表達(dá)量顯著增加，這種表達(dá)水平明顯優(yōu)于野生型，表明它們具有良好的生長(zhǎng)潛力。

GsWRKY20基因的異位表達(dá)的轉(zhuǎn)基因苜蓿，它的丙二醛含量大幅度減少，丙二醛是衡量氧化脅迫程度的常用指標(biāo)之一，能反映植物膜脂過氧化的程度，所以轉(zhuǎn)基因苜蓿的相對(duì)膜透性明顯降低，有利于減少水分流失，提高抗旱性[5]。轉(zhuǎn)基因苜蓿的自由脯氨酸和可溶性糖的含量有了明顯的提升，角質(zhì)層厚度顯著增加，使得它們更加耐旱，并且能夠有效地抵御干旱環(huán)境下的水分損耗，進(jìn)一步增強(qiáng)了它們的抗旱性。

IbOr基因在地瓜中扮演著重要的角色，它可以促進(jìn)類胡蘿卜素的積累，增強(qiáng)植物對(duì)各種非生物脅迫的抵抗力。通過將這種基因引入苜蓿，我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因苜蓿的類胡蘿卜素含量顯著增加，并且對(duì)干旱的抵御能力也大幅提升。

5 討論

苜蓿種子的萌發(fā)需要大量的水分，苜蓿的萌發(fā)能力隨著干旱脅迫的加劇而減弱。苜蓿在出苗期對(duì)環(huán)境水分的變化最為敏感，此時(shí)的耐旱性最低。通過抗旱育種、合理的灌溉策略以及基因工程技術(shù)，不斷提高苜蓿的耐旱能力，提高水資源利用效率，為畜牧業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展提供良好的牧草供應(yīng)。

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