扁蓿豆的抗性研究进展

韩海波,师文贵,李志勇,李鸿雁,李兴酉,刘磊,王晓娜

（1.中国农业科学院草原研究所,内蒙古 呼和浩特 010010；2.中国农业科学院研究生院,北京 100081）

扁蓿豆（Medicago ruthenica）是豆科苜蓿属植物,又名花苜蓿、野苜蓿、扁豆子、扁豆草、扁蓄豆、网果葫芦巴等[1],广泛分布于我国北方的高山草原、典型草原和荒漠化草原。扁蓿豆具有抗旱、耐寒、耐贫瘠、耐践踏等优点,有较多的生态型,是一种营养价值和产量较高的优良牧草。与苜蓿相比,它在适应性、抗旱性和耐寒性等方面优于紫花苜蓿（M.sativa）,可与黄花苜蓿（M.falcata）相媲美。可与羊草（Leymuschinensis）等禾本科牧草建立混播栽培草地,从而提高草地的产量和品质。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义,尤其是寒冷半干旱、土壤贫瘠区引种具有特殊意义[2]。它与紫花苜蓿亲缘关系相近,与紫花苜蓿相比,扁蓿豆抗蓟马,不含皂素,且抗寒性强,能在-40℃的低温下安全越冬。因此,扁蓿豆可以在紫花苜蓿不能越冬的寒冷地区和干旱地区良好的生长[3-5],是我国北方地区不可或缺的优质蛋白质饲料之一。

1 扁蓿豆概述

1.1 植物学特性扁蓿豆株高20～70（或100）cm,株型主要有3种:平卧型、斜生型、直立型。根呈轴根型,主侧根粗细相差悬殊,主根深达100 cm。羽状三出复叶,托叶披针形,基部具齿或裂片,有伏毛；小叶长圆状倒披针形、楔形或线形,有时为倒卵状楔形或倒卵形（多为茎下部的小叶）,基部楔形,先端圆形或截形,有时微凹,叶缘中上部有锯齿,约占边缘上部1/3～3/4,叶上表面近无毛,背面生伏毛,叶脉明显。总状花序伞形,具蝶形花冠,花冠黄褐色,中央深红色至紫色条纹。旗瓣长圆状倒卵形,中部稍收缩,顶端微缺,翼瓣近长圆形,顶端圆而稍宽,基部具长爪和耳,龙骨瓣较短。荚果长圆形或卵状长圆形,扁平,成熟后变黑,顶部具弯曲的短而尖的椽,两面有网状脉纹,内含种子 2～6粒,浅黄色,种皮光滑,椭圆状卵形,千粒重1.85 kg。扁蓿豆花期为7-8月,果期为 8-10月[2]。

1.2 种子特性和物候期及根、茎、叶的生长发育扁蓿豆种子硬实率高达70%以上,发芽率较低,自然发芽率只有20%,因此播种前可用人工方法进行预处理,以提高发芽率和出苗的整齐度。扁蓿豆的返青期较一般豆科牧草晚,一般5月初返青,6月下旬孕蕾,7月开花,8月以后种子陆续成熟,整个生育期120～140 d。

扁蓿豆是一种轴根牧草,植株分枝较多,每株可达15～20个,叶量较丰富。茎叶大小以及繁茂程度常随水分条件及土壤肥力不同而呈现很大的差异,在水肥条件好的地境,茎叶肥大,旱薄地则茎细叶小[6]。

1.3 利用价值及分布扁蓿豆是蛋白质含量很高的豆科植物,营养期的蛋白质含量甚至在18%以上,因此扁蓿豆维持着草原放牧家畜的营养平衡,是重要的蛋白质饲料之一,但其含量从开花期至结实期则下降较多,因此在扁蓿豆的开花期及时刈割具有重要意义；由于扁蓿豆适口性好,各种家畜喜食,采食15～20 d后即可上膘,泌乳母畜采食后可提高乳品质量,孕畜所产仔畜较肥壮,因此扁蓿豆被认为是优等饲用植物；同时由于扁蓿豆叶量丰富,被认为是很好的水土保持植物,因此适合于低输入系统和土壤贫瘠、环境恶化的条件[7-8]。

对于资源丰富的扁蓿豆,因其可溶性碳水化合物含量低、缓冲能值高等特性,添加纤维素酶能改善扁蓿豆青贮饲料的发酵品质,提高其体外消失率。王莹等[9]研究表明,虽然扁蓿豆可溶性碳水化合物含量较低,且具有较高的缓冲能值,但青贮过程中丁酸含量几乎为零,V-Score评分等级为良好,说明直接青贮结实期的扁蓿豆可以得到优良的青贮饲料。

扁蓿豆多生于草原、丘陵坡地、沙质地、河岸沙地、路旁草地[10],并且在黑钙土、粟钙土和中度盐碱土上均能良好生长。扁蓿豆为广幅旱生植物,多为典型草原、沙质草原及沙生植物的伴生种。扁蓿豆生活在各种复杂多变的气候条件下,因此形成较多生态型,是野生豆科牧草种质资源中表现较突出的种质[11]。在世界上,扁蓿豆植物约有70余种,多数为多年生,少数为一年生,主要分布于温带,从古地中海的亚速尔群岛到欧洲、北部非洲、亚洲西南、印度西部、西伯利亚和中国北部都有分布。我国扁蓿豆有6种,主要分布在东北、华北、西北和西南（四川、西藏）地区,集中分布的省份有内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、北京、陕西、甘肃、青海、宁夏、四川等地[12-13],多生于草原与草甸。扁蓿豆正种主要分布在内蒙古东部地区,辽宁扁蓿豆主要分布在大兴安岭的宝格达山、阿尔山及其南部的一些地区,细叶扁蓿豆主要分布在小藤格里沙地及其科尔沁沙地,阴山扁蓿豆主要集中分布在阴山山脉中部的大青山。扁蓿豆在蒙古、朝鲜、俄罗斯等地区也有分布。经过几代从事牧草种质资源研究人员的努力,保存在国家牧草种质资源库中的扁蓿豆153份,细叶扁蓿豆2份,并对其抗逆性、农艺性状和遗传多样性的鉴定、评价和利用进行广泛的研究。

2 扁蓿豆抗性研究进展

2.1 抗旱性研究有文献报道[14],植物的抗旱性是一个有多种因素相互作用构成的较为复杂的综合性状,不同物种对某一具体指标的抗旱性反应不一定相同,单一的指标难以全面而准确地反应抗旱性的强弱,因此,抗旱性确定应采用多个指标进行综合评价[15-16]。萎蔫率和死亡率被认为是最直接和适用的抗旱性指标[17-19]。株高胁迫指数和干物质胁迫指数关系到牧草的产量,而相对含水量和相对电导率是干旱胁迫对牧草体内水分含量和细胞膜伤害的直接反应,游离脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性糖含量[20]等渗透物质也是植物抵御干旱的一种重要方式,均为重要抗旱性指标。

乌日娅等[21]对扁蓿豆叶片的解剖结构进行了研究,指出扁蓿豆叶片具有一定的旱生解剖结构,侧脉维管束外有多层厚壁组织构成的维管束鞘。石凤翎等[22]对6个不同来源扁蓿豆的根、茎、叶形态结构进行了观察研究,结果表明,可初步将叶片小、叶色淡绿、气孔密度大、细胞小、叶片栅栏组织排列紧密、具表皮毛作为扁蓿豆抗旱的形态解剖指标；并指出扁蓿豆在根、茎解剖结构上无明显差异。石凤翎等[23]采用聚乙二醇（PEG 6000）溶液模拟干旱胁迫对种子萌发期和幼苗期的抗旱性进行分析指出,相对发芽势及相对活力指数可作为扁蓿豆种子萌发期抗旱性鉴定指标,水势在-11.67 bar时,以幼苗萎蔫率作为扁蓿豆牧草幼苗期抗旱性鉴定指标较为适宜。

植物的抗逆性往往随生育期而异,植物在逆境中的定植决定于萌发条件和幼苗的抗逆性[24-25]。牧草在种子萌发和幼苗生长阶段,对土壤水分和温度的变化较敏感,随着牧草生长,其抗寒、耐旱能力逐渐增强。牧草种子萌发和幼苗阶段的抗逆性强弱是影响草地建植成败的关键。种子萌发期和苗期是植物对逆境最敏感的时期,扁蓿豆材料在这两个时期的抗旱性鉴定的结果对生产实践有很好的指导意义。

郝建辉[26]通过测定叶夹角、叶面积、保水力、光合强度、水分利用效率和电导率等指标,对不同来源的6份扁蓿豆材料种子萌发期和苗期的抗旱生理方面进行了研究,指出保水力、光合强度、水分利用效率为扁蓿豆抗旱性研究的适宜指标,干物质胁迫指数、相对种子活力指数、千粒重和株高胁迫指数比较适合于扁蓿豆的抗寒性鉴定。赵丽丽等[27]采用5个PEG渗透势梯度模拟干旱胁迫,以黄花苜蓿作对照,通过对种子相对发芽率、相对活力指数和半致死渗透胁迫强度3项指标的综合分析,探讨了4份扁蓿豆种质材料种子萌发期的抗旱性；扁蓿豆种质材料在种子萌发期的抗旱性高于黄花苜蓿,初步提出扁蓿豆的抗旱性强于黄花苜蓿。

植物抗旱性是一种极为复杂的生理反应,不同品系对水分亏缺响应的大小不同,早晚也不同。因此,在品系（种）之间进行抗旱性差异鉴定时,不能简单用某项生理指标的高低来断定他们抗性的大小,必须结合幼苗存活率等实际情况,对所测定的生理指标数据进行科学分析[28]。

评价植物抗旱性的指标是多方面的,包括形态、解剖结构、生理、生化等指标,如根系、叶形态、气孔反应、蒸腾情况、膜系统的变化、渗透调节、水势以及植物体内各种物质含量变化等。但作物的抗旱性不仅与作物的种类、品种、基因型、形态、性状及生理生化反应等有关,还受干旱发生的时期、强度及持续时间的影响,作物抗旱性是复杂的数量性状。不同作物和品种适应干旱的方式是多种多样的,一些作物和品种具有综合的多种机制共同起作用而表现出抗旱性。到目前为止,改良作物的抗旱性是一个应用前景广阔但研究比较薄弱的环节,特别是通过认识作物的抗旱机理和改变其遗传基础来提高抗旱性方面,仍处于探索阶段。在扁蓿豆的抗旱性鉴定上,今后在田间的生产实践和不断的试验中还需要逐步探索。

2.2 耐（抗）盐性研究盐分对种子萌发的影响一般归结为渗透效应（即盐分降低了溶液渗透势）和离子效应（盐离子对种子萌发的影响）[29]。渗透效应引起溶液渗透势降低而使种子吸水受阻,从而影响种子萌发。离子效应一方面直接造成毒害而抑制种子萌发,另一方面渗入种子,降低种子渗透势,加速吸水而促进萌发[30]。

有关扁蓿豆的耐盐性研究,Guan等[31]采用10/20℃,15/25℃,和20/30℃3个变温分别与不同浓度的NaCl溶液和Na2CO3溶液进行组合,发芽7 d后,将未发芽的种子移入蒸馏水中继续发芽7 d,观测种子的恢复情况,探讨了扁蓿豆在不同温度下对不同强度的盐胁迫和不同强度的碱胁迫的适应性,结果发现在50～200 mmol NaCl溶液中和1～20 mmol Na2CO3溶液胁迫下,直立型扁蓿豆均有50%以上的种子能恢复正常生长,直立型扁蓿豆种子萌发受Na2CO3的伤害较NaCl严重。

随着盐浓度的升高,种子开始发芽的时间和发芽高峰期均推迟,发芽率、发芽势和发芽指数有所降低,发芽势和发芽指数降低的速度更快。

王晓栋[32]以沙打旺（Astragalus adsurgens）、柠条（Caragana korshinskii）、冬箭筈豌豆（Vicia villosa）（毛苕子）、红豆草（Onobrychis viciaef olia）、黄花草木樨和5份扁蓿豆为材料,首先在模拟盐环境中进行种子萌发期、幼苗期的耐盐性评价,然后在盐碱土样中进一步进行耐盐性鉴定,最后综合评价出10种植物的耐盐性强弱。对种子萌发期和幼苗期的各指标与盐碱土样中的出苗率相关研究认为,萌发期活力指数较适宜评价种子耐盐性,发芽指数次之；幼苗期丙二醛含量较适宜评价牧草耐盐性,脯氨酸含量次之。史万光等[33]在盐分胁迫下,以黄花苜蓿为对照,探讨扁蓿豆4个品系种子发芽期耐盐性差异。依据种子发芽率、相对发芽率、发芽势、活力指数和半致死浓度来看,扁蓿豆种质材料在种子发芽期的耐盐性高于黄花苜蓿。

已有研究表明,不同的植物种之间,或同一植物种的不同基因型之间耐盐性存在明显差异[29,34],而且同一植物不同生育期对盐渍的敏感性差异不同,可能会相互矛盾。因不同耐盐性遗传系统的差异,植物某阶段耐盐性不能完全代表其他阶段的耐盐性,但大多数植物幼苗阶段的耐盐性仍能在一定程度上预测成株的反应。对植物在不同盐浓度下的反应进行鉴定和分类,尤其是对早期耐盐性进行鉴定,基于植物在盐胁迫下的早期生长特点,在大量群体中鉴别出抗盐基因型,可提高引种筛选工作的效率,为抗盐育种提供基础资料,在生产上可缩短育种周期,便于实践应用。

2.3 抗寒性研究扁蓿豆是一种抗寒的牧草,最低发芽温度5～6℃,幼苗可耐-3～ -4℃低温,在冬季最低温度达-45℃的地方也能安全越冬,解冻后,0～20 cm 土温稳定,在 7～8℃发芽,返青,幼苗遇-3～4℃不受霜害；但不耐夏季酷热,夏季25～27℃时生长最快,超过30℃生长缓慢,到 33℃停止生长[35]。同时表现为喜湿耐旱,在年降水量300～600 mm的地方均能良好生长,茎叶大小和分枝繁茂程度常随水肥条件好坏而相差很大,因根系入土1.0～1.5 m,故遇极端干旱也不会死亡。对土壤要求不严,较耐贫瘠,可在各种土壤上生长,在pH值为8.5～9.0的土壤上也能生长。

杜宝红[36]做了扁蓿豆材料抗寒性的比较试验,分别测定了3份扁蓿豆材料在芽期、苗期和成株期与抗寒性相关的形态和生理指标等,结果表明,芽期发芽率、发芽指数和活力指数及相对活力指数是衡量芽期抗寒性较好的指标,其中相对活力指数更能反映芽期抗寒性强弱。

根据不同温度下几种材料发芽率、发芽指数和活力指数可知,5℃下野生扁蓿豆种子的活力指数最高,抗寒性最强。由幼苗接受自然低温胁迫后的冻伤率、死亡率和缓苗率可知,刚刚生长出第1片子叶的幼苗比生长时间更长的幼苗抗寒能力强。

不同品种对寒冷的抵抗能力不同,在低温条件下,植物会发生生理和生化等方面的变化。在寒冷胁迫下所有组织的可溶性糖含量都会升高,这是一个普遍现象[37]。可溶性糖能够提高细胞液的浓度,增加细胞持水组织中的非结冰水,从而降低细胞质的冰点,还可缓冲细胞质的过度脱水,保护细胞质胶体不至于遇冷凝固[20]。

2.4 抗病虫害研究据有关报道[38],扁蓿豆有6种真菌病害,分别是霜霉病（Peronospora aestivalis）、锈病（Uromyces striatus）、茎点霉叶斑和茎斑病（Phoma medicaginis）、丝核菌腐烂病（Rhizoctonia solani）、镰孢萎蔫病（Fusarium oxysporum）和炭疽病（Dollerotrichum lindemuthianum）。至于不同生态型的病虫害抗性差异,未见相关报道。

3 展望

尽管扁蓿豆研究取得了一定得进展,但与苜蓿、三叶草（Tri folium repens）等重要豆科牧草相比,整体研究水平只处于起步阶段,资源的开发和利用还十分薄弱,有待于进一步深入研究。扁蓿豆蛋白质含量高,具有极强的抗逆性,有希望成为北方大面积推广种植的优良豆科牧草,尤其在紫花苜蓿不能立足的寒冷和干旱地区的旱作条件下,扁蓿豆的的优势更加明显。

3.1 开展扁蓿豆杂交育种研究扁蓿豆与苜蓿遗传关系相对较近,在适应性、抗旱性和耐盐性方面优于紫花苜蓿,如果将扁蓿豆与苜蓿杂交,有希望培育出在产量性状、品质性状方面比扁蓿豆高,而且抗逆性比紫花苜蓿强的新种质、育种新材料和抗逆新品种。另外,由此可以试图解决由于扁蓿豆开花期长,种子成熟期不一致,种子成熟后,荚果开裂、落粒性强等原因导致其种子产量低,进而限制了扁蓿豆的大面积推广利用等问题。

3.2 扁蓿豆资源优异基因发掘利用现代生物技术等手段,发掘抗逆关键基因,阐明相应功能基因的遗传和生理生化特性,以及在育种和生产中的利用价值,从中发掘新基因。对其抗逆性基因进行克隆并导入苜蓿等其他高产牧草,则可以实现扁蓿豆与其他牧草优良基因的聚合,为培育更具育种潜力的牧草新种质奠定重要的研究基础。通过二倍体扁蓿豆与四倍体肇东苜蓿的诱变突变体作杂交亲本,杂交育种成功了6个品系,它们具有稳定的产草量,抗逆性较强,适宜在环境指数较低的条件下种植的特点[39-40]。但是,目前对扁蓿豆种质资源抗逆性能力的定量评价还很少,对其抗逆性机理和抗逆基因克隆还没有研究。

3.3 开展扁蓿豆牧草种质资源创新研究以我国优异野生牧草种质为研究对象,利用物理诱变（Go60[41],γ射线）,对苜蓿属扁蓿豆资源种质创新研究,依据产量性状、品质性状与抗逆性状进行筛选,从而创制高产、优质、高抗的牧草新种质。

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