紫花苜蓿(Medicago sativa L.)耐盐碱研究进展

刘 铎, 白 爽, 杨庆山, 齐学斌, 梁志杰, 郭 魏, 李 平

(1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，新乡453002；2.中国农业科学院 农业水资源高效安全利用重点开放实验室，新乡 453002；3.北京市八大处公园管理处，北京100041；4.山东省林业科学研究院，济南 250014)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是豆科苜蓿属多年生草本植物，由于蛋白含量丰富，故有“牧草之王”之称，可作为优质牧草。其在世界范围内广泛分布，在我国主要分布在东北、西北及华北等地[1]。盐碱胁迫是重要的植物非生物胁迫限制因子，土地盐碱化是世界范围内备受关注的环境问题。目前全世界约有10亿hm2的盐碱地，约占世界陆地总面积的6.7%。中国盐碱地主要分布在东北、华北、西北及沿海地区，面积约为1亿hm2[2]。土地盐碱化严重限制农作物正常生长[3]，影响农业可持续发展[4]。随着国家经济发展和人民生活水平的提高，对于优质肉蛋奶的需求不断增强，但是我国耕地资源紧缺，有限的耕地资源必须首先用来保证口粮供给[5]，不可能利用有限耕地大规模种植紫花苜蓿，因此我国每年会从国外进口大量苜蓿草来支撑畜牧业发展[6]。与此同时我国盐碱地面积广阔，紫花苜蓿具有一定的耐盐碱能力，因此盐碱地可以作为重要的后备土地资源发展紫花苜蓿人工草地，这对支撑我国畜牧业发展具有重要意义。本文对近年来有关学者研究紫花苜蓿耐盐碱性的成果进行总结，旨在为紫花苜蓿抗性资源发掘与利用及盐碱土壤改良提供参考。

1 盐碱胁迫对紫花苜蓿生长发育的影响

1.1 盐碱胁迫对紫花苜蓿种子萌发的影响

种子萌发期是植物生长的关键时期，盐碱胁迫会严重抑制植物种子的正常萌发。王晓春等[7]对在盐胁迫下15个品种紫花苜蓿种子萌发状况进行研究，结果表明：当NaCl体积分数低于0.6%时，其中的13个品种紫花苜蓿种子能保持较高的发芽能力，盐胁迫对其萌发影响不大，且当NaCl体积分数为0.2%时对多数紫花苜蓿萌发具有一定的促进作用，有10个品种的发芽势反而比对照还高；当NaCl体积分数达到0.8%时，紫花苜蓿各个品种的发芽能力则会下降，主要表现为开始出现畸形苗，且不同品种发芽能力具有较大差别。因此建议今后开展紫花苜蓿耐盐NaCl鉴定时，可设定NaCl体积分数0.8%为起始浓度进行鉴定。程贝等[8]通过对盐胁迫下5个品种紫花苜蓿种子萌发特性进行研究，结果表明低盐环境对紫花苜蓿种子萌发影响不大，当盐浓度低于60 mmol/L时紫花苜蓿种子发芽良好，甚至优于蒸馏水培养环境条件下，幼苗生长也良好，证明紫花苜蓿种子具有一定的耐盐性。但高盐环境则会抑制紫花苜蓿种子的正常萌发，尤其当盐浓度为120 mmol/L时，紫花苜蓿种子的萌发受到明显抑制，生长也受到严重阻碍。

盐碱地中盐与碱是相伴而生的，相比于盐胁迫，碱胁迫对植物的危害更大[9]。蔺吉祥等[10]以公农1号紫花苜蓿为材料，通过模拟不同盐碱生境研究了紫花苜蓿种子对于盐碱胁迫的响应机制，结果发现，随着盐碱浓度和pH值的增大，紫花苜蓿种子的活力指数、发芽率以及发芽指数都会下降，胚根和胚芽的生长也会受到抑制，且碱性盐的比例越大，紫花苜蓿种子萌发和胚根与胚芽生长所受到抑制越强。且不同于单独的盐胁迫或碱胁迫，当盐碱浓度较高时，盐与碱二者存在明显的协同作用，盐碱交互胁迫作用更明显，进而加剧了对紫花苜蓿种子萌发的抑制。贾秀峰[11]研究了苏打碱胁迫对龙牧807和WL343HQ 2个品种紫花苜蓿种子萌发的影响，结果发现，随着苏打碱浓度的升高，两个品种紫花苜蓿种子的发芽率、发芽指数、发芽势、活力指数、胚根长、胚芽长及生物量均呈下降趋势。其中，龙牧807和WL343HQ的半致死浓度分别为36.61和42.41 mmol/L。

1.2 盐碱胁迫对紫花苜蓿生长及产量的影响

盐碱胁迫对植物影响最直观的体现就是抑制其生长导致其产量下降，对于紫花苜蓿同样如此。陈小芳等[12]以中苜3号和WL-SALT 2个紫花苜蓿品种为研究对象，用不同浓度NaCl进行胁迫处理，结果表明低浓度盐胁迫对其生长的影响并不显著，随着盐浓度的升高，生长会受到显著抑制，中苜3号和WL-SALT，在300 mmol/L胁迫时生长速度比对照分别下降10%和19%，400 mmol/L胁迫时生长速度仅为对照的4.5%和9%，生长几乎停滞。其中高盐浓度下中苜3号生物量较高，耐盐性表现更好。王运涛等[13]通过研究Na2CO3胁迫对紫花苜蓿地下生长的影响发现随着碱胁迫浓度的升高，各个品种紫花苜蓿的根颈直径和主根直径逐渐减小，而根颈入土深度和侧根位置则逐渐增大，但是碱胁迫对侧根直径的影响并不大。于浩然等[14]通过研究比较在不同程度盐碱地种植紫花苜蓿产量变化发现，在中度和重度盐碱地种植紫花苜蓿产量则较低，但轻度盐碱土壤种植紫花苜蓿产量最高，甚至高于非盐碱土壤种植苜蓿产量。造成这种现象的原因可能是，土壤pH值和盐分能够影响紫花苜蓿对于水分和养分吸收。适度高pH值和盐分含量，会促进紫花苜蓿根系对于水分和养分的吸收，进而促进紫花苜蓿的生长。

2 盐碱胁迫对紫花苜蓿生理生化的影响

2.1 盐碱胁迫对紫花苜蓿光合作用的影响

植物光合作用对于植物生长发育至关重要，盐碱胁迫会严重抑制植物光合作用[15-17]，进而影响植物正常生长。赵霞等[18]通过研究不同浓度盐碱胁迫对紫花苜蓿光合作用影响，发现在盐碱胁迫下，随着盐浓度的升高，紫花苜蓿叶片的总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量总体呈下降趋势，盐碱胁迫显著减少了紫花苜蓿幼苗，同时其净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)及胞间CO2浓度(Ci)则均呈现先升高后下降的变化趋势；最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率ΦPSII及光化学淬灭系数(qp)呈先上升后下降变化趋势，非光化学荧光淬灭系数(NPQ)则一直降低。范方等[19]以公农1号为研究对象进行盐胁迫实验发现在低浓度盐胁迫下公农1号紫花苜蓿的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)在胁迫初期会小幅度上升，但是随着胁迫时间延长开始下降，而进一步随着胁迫时间的持续则下降趋于平缓，但是在高浓度盐分胁迫情况下净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)则一直持续下降，而各个浓度处理胞间CO2基本都呈先升高后下降的趋势，蒸腾速率(Tr)基本都呈下降趋势。郭鹏等[20]通过研究盐碱胁迫对中苜1号紫花苜蓿的影响，结果表明在盐碱胁迫下随着盐碱浓度的升高，紫花苜蓿净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)以及叶片叶绿素含量都会降低，并且相比于盐胁迫，同等浓度在碱胁迫下叶绿素含量会更低。陈托兄[21]研究了盐胁迫对于不同秋眠级紫花苜蓿光合作用的影响，结果表明盐浓度的升高会抑制紫花苜蓿苜蓿光合作用，在较低盐浓度下，部分品种存在着预警阶段-抗性活恢复阶段，而在较高浓度盐胁迫下则直接进入耗尽阶段。

2.2 盐碱胁迫对紫花苜蓿渗透调节机制的影响

土壤中积累过多盐分会引起土壤水势降低，使得植物吸水困难，造成植物生理干旱，引起渗透胁迫[22]。植物为了应对盐碱胁迫引起的渗透胁迫在体内合成相应的渗透调节物质[23]。李源等[24]对不同品种紫花苜蓿耐盐性分析，结果表明在盐胁迫下，随着盐浓度升高，紫花苜蓿叶片水势会下降，可溶性糖与脯氨酸含量会上升，并且不同品种变化量不同，很好地反映了不同品种耐盐性。张永锋等[25]以公农1号为材料，研究盐碱胁迫对紫花苜蓿的影响，结果表明在盐碱胁迫下，随着胁迫浓度的增大，其体内束缚水和自由水的比率会增大，且可溶性糖和脯氨酸含量均会上升。王保平等[26]通过研究盐碱胁迫对中苜1号紫花苜蓿的影响，同样发现在盐碱胁迫下随着浓度的升高，紫花苜蓿体内的脯氨酸与可溶性糖含量均升高，并且在同等浓度情况下，相比中性盐，碱性盐胁迫紫花苜蓿体内会积累更多的渗透调节物质。以上可以看出，盐碱胁迫会对紫花苜蓿造成渗透胁迫引起失水，紫花苜蓿会在体内合成脯氨酸等渗透调节物质以应对渗透胁迫，同时在盐碱胁迫下，不同品种紫花苜蓿渗透调节物质积累量具有差异性，其可以作为很好的紫花苜蓿耐盐碱性评价指标。

2.3 盐碱胁迫对紫花苜蓿抗氧化系统的影响

植物在正常生长条件下，体内活性氧的产生与消除之间保持动态平衡，但当遭遇盐碱胁迫时，这种动态平衡就会被打破，进而引起氧化胁迫[27]。

Wang等[28]研究了盐胁迫对Defi和中苜1号这两种紫花苜蓿的影响，结果表明在盐胁迫下两种紫花苜蓿的SOD、POD、CAT以及APX活性都会随着盐浓度的增大而升高，且MDA含量也会增加，但是相比于Defi中苜1号的MDA含量较少。王文斌等[29]研究NaCl胁迫对紫花苜蓿抗氧系统影响，结果表明200 mmol/L NaCl胁迫下，紫花苜蓿体内MDA、H2O2含量及质膜透性增高，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)及过氧化氢酶(CAT)活性都会升高，并且不同植物器官具有一定差异性，紫花苜蓿芽中CAT活性较强，POD活性则相反。黄婷等[30]通过对阿迪娜和秘鲁两个品种紫花苜蓿进行150 mmol/L NaCl胁迫处理，发现两个品种紫花苜蓿的CAT和POD活性及MDA含量总体上呈上升趋势。由此可以看出，在盐碱胁迫下紫花苜蓿会通过增强体内各种抗氧化酶活性来抵御由盐碱胁迫引起的氧化胁迫。

2.4 盐碱胁迫对紫花苜蓿矿质元素平衡调控的影响

盐碱胁迫会使植物体内积累过多毒害离子，进而引起植物离子毒害，抑制其生长[31]。景艳霞等[32]通过研究NaCl胁迫对紫花苜蓿各器官矿质元素分布影响，发现在NaCl胁迫下紫花苜蓿各个器官中的Na+含量会增大，且随着浓度的升高，Na+含量会积累越多。但是NaCl胁迫下其各个器官的K+含量则会降低，随着浓度的升高根、茎和叶中的K+/Na+会降低。同时在NaCl胁迫下其根、茎和叶中Mg2+和根中的Ca2+会随浓度升高而降低，但是茎、叶中的Ca2+含量随浓度升高变化规律并不明显。Wang等[31]通过研究盐碱胁迫对中苜1号和阿尔冈金两种紫花苜蓿的影响，发现盐碱胁迫增加了紫花苜蓿根系中Na+、Ca2+和Mg2+积累，改变了其整个植株的Ca2+和Mg2+平衡，盐碱胁迫使其根系中K+、Fe3+和Mn2+的含量减少，同时叶片中K+和Fe3+以及茎中Zn2+含量也减少。但是茎中Fe3+和Cu2+和叶片中的Zn2+和Cu2+含量则增大。以上可以看出，盐碱胁迫会引起紫花苜蓿体内离子含量及平衡发生变化，但是目前对其规律的研究还不明晰，机理不太清晰，还有待进一步通过离子组学并结合非损伤微测技术深入分析。

2.5 紫花苜蓿耐盐碱分子机制

盐碱胁迫同样会对紫花苜蓿相关功能基因和转录因子表达产生影响，袁玉莹等[33]对紫花苜蓿龙牧801进行干旱、低温及盐碱胁迫处理，发现其根中苜蓿GLKG34转录因子在盐碱胁迫下表达量会上调，呈先上升后下降的变化趋势，而在干旱和低温胁迫下相对表达量均下调，这表明根中MsGLKG34 对盐碱胁迫响应明显，但对干旱和低温胁迫响应不明显，其功能还有待进一步挖掘。除了检测在盐碱胁迫下相关基因的表达情况，还有研究人员通过反向遗传学，对紫花苜蓿体内抗逆基因的功能进行验证。贾会丽等[34]以前期获得的转紫花苜蓿MsLEA4-4基因的拟南芥为研究对象，研究MsLEA4-4基因在拟南芥体内的耐盐性，通过研究发现，在盐胁迫下转基因株系的发芽率比对照植株高81%，存活率提高75%～81.3%，鲜重和叶绿素含量更高，侧根数更多。在盐胁迫下转基因株系可溶性糖含量、SOD、CAT、POD活性更高，MDA含量更低。通过研究得出，紫花苜蓿MsLEA4-4基因参与了拟南芥体内耐盐性的调控，提高了拟南芥耐盐能力。研究结果将为耐盐碱紫花苜蓿培育提供重要理论依据。

图1 盐碱胁迫对紫花苜蓿的危害及其耐盐碱主要生理机制

3 提高紫花苜蓿耐盐碱生理途径

3.1 外源物质提高紫花苜蓿耐盐碱能力

由于植物育种周期较长，短期内通过外源物质如激素[35]、糖类物质[36]、有机酸[37]及微量元素[38]等是一种切实有效提高植物耐盐碱性的手段。杨跃霞等[39]通过研究外源ABA对盐胁迫下紫花苜蓿影响表明，在盐胁迫下外源ABA能够提高紫花苜蓿脯氨酸含量，降低Na+积累，减少K+流失，进而提高紫花苜蓿耐盐性。李红等[40]进一步研究了外源ABA对在碱胁迫下紫花苜蓿激素变化的影响，结果表明喷施不同浓度ABA能够影响在碱胁迫下紫花苜蓿体内吲哚乙酸(IAA)和赤霉素(GA3)含量，ABA含量上升，ABA主要对在碱胁迫下紫花苜蓿体内各种激素含量的变化发挥着重要作用。Liu等[41]外源硅诱抗能够提高碱胁迫下紫花苜蓿的耐碱性，硅诱抗之所以能够在提高紫花苜蓿耐碱性，主要是因为提高了在碱胁迫下紫花苜蓿抗氧化、渗透调节以及离子平衡调控能力。

3.2 菌根提高紫花苜蓿耐盐碱能力

土壤中的菌根真菌能够与大部分陆地植物形成互惠共生的关系，菌根一方面可以扩大植物吸收营养成分的面积，另外也可以提高宿主植物抵御各种逆境胁迫的能力[42-43]。Moradi[44]通过研究表明菌根能够提高在盐胁迫下紫花苜蓿硝酸还原酶活性和对氮磷的吸收，同时减少Na+的过多积累和K+和Ca2+的流失，进而促进其生长。张永志等[45]通过研究接种根瘤菌对盐胁迫下紫花苜蓿影响，发现在盐胁迫下中苜1号紫花苜蓿接种菌根能够提高其可溶性蛋白、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，同时也降低了其Ci值。刘倩等[46]同样通过研究发现盐碱胁迫会抑制紫花苜蓿的正常生长发育，接种AMF或者根瘤菌可以提高其耐受盐碱胁迫的能力，并且相比单独接种AMF或者根瘤菌，同时接种AMF和根瘤菌的效果更好。可以看出，在盐胁迫下菌根浸染紫花苜蓿可以提高其离子平衡能力、渗透调节能力和抗氧化能力，进而提高其耐盐碱性。

4 结论与展望

紫花苜蓿是一种优良的多年生豆科牧草，具有一定耐盐碱性，我国盐碱地面积巨大，盐碱胁迫会严重抑制植物正常生长，影响农业可持续发展[47]，充分利用盐碱地后备土地资源，发展紫花苜蓿人工草地，对改良生态环境，支撑畜牧业发展具有重要意义。

紫花苜蓿耐盐碱机制是一个非常复杂的过程，有很多机制还不是很清楚。目前已经从种子萌发、生长发育、生理生化及分子生物学各个角度对紫花苜蓿耐盐碱机制进行了解析。但是较多的还是从种子萌发、幼苗生长和生理生化角度进行紫花苜蓿耐盐碱性研究，关于紫花苜蓿耐盐碱机理更深层的基础研究还不多，建议以后应该利用代谢组学，离子组学等多组学手段深入研究紫花苜蓿耐盐碱机理，进一步研究发掘紫花苜蓿抗逆功能基因，对基因功能进行深入解析，支撑紫花苜蓿分子育种。