盐碱地紫花苜蓿的适应机制与栽培策略

赵力兴，王琳，温丽，候伟峰，毕盛楠，其格其，孙乌日娜

(1.兴安盟农牧业科学研究所，内蒙古 乌兰浩特 137400；2.甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

土壤-植被是陆地生态系统功能的基础，土壤质量和植被生长状况是陆地生态系统可持续发展的重要保证[1]。土壤中NaCl和Na2SO4含量较高的土壤被称为盐土，Na2CO3和NaHCO3含量较高的土壤称为碱土，而在自然界，盐土和碱土往往同时存在，称为盐碱土[2]。土壤盐化、碱化是两种不同的非生物胁迫，以高盐度和高pH值为主要特点[3]，对植物危害的程度大小为盐碱胁迫>碱胁迫>盐胁迫[4-5]。研究表明土壤中盐分的积累会破坏植物体内的离子平衡和正常的新陈代谢，引起可溶性盐离子在体内的积累，产生离子毒害，增加能耗和抑制植物对养分的获取能力，导致植物代谢受阻以及抑制植物生长发育，使植物进一步萎蔫甚至死亡[6-7]。在碱胁迫下，随着植物根系土壤pH值的升高，无机阴离子减少，Fe2+、Mg2+、Ca2+离子的沉积导致植物矿质营养吸收受阻[8-9]。土地盐碱化是非常重要的非生物胁迫，严重影响作物的生产和农业生产力[10]。土壤盐碱化已经成为一个世界性的资源问题和生态问题，逐渐威胁人类的生存需求。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是一种重要的多年生优质豆科牧草，有着“牧草之王”的美誉[11]。紫花苜蓿具有中强度的抗盐碱特性，叶片具有排盐能力[12]，能够在含盐量0.1%～0.8%的盐碱地中生长[13-14]，50～200 mmol/L的NaCl胁迫会降低产量[15]。种子萌发期是植物盐害最敏感时期，盐胁迫会显著降低紫花苜蓿相对发芽率、相对发芽势、发芽指数、胚根干质量和胚芽干质量，半致死盐浓度为0.85%，1.2% NaCl为耐盐性鉴定的适宜浓度[16]。当苏打(Na2CO3)浓度超过30 mmol/L时，会对种子的萌发和芽苗的生长产生明显的抑制作用[17]。在盐碱地建植苜蓿草地：一方面提高了盐碱地的利用率，缓解了与粮食作物争地的矛盾，同时能够为草地畜牧业的发展提供优质饲草；另一方面能够改良盐碱地，提高土壤肥力。青海省西北部弃耕盐碱地pH值在8左右，含盐量高达6.73～28.08 g/kg，且表层土壤盐分聚集，养分含量极低[18]。种植紫花苜蓿后提高了土壤中全氮和有效钾含量，提高土壤肥力[19]。随着苜蓿种植时间的增加，生物产量减少，对土壤养分的消耗降低，根系-根瘤菌共生体更加成熟，固氮能力增强，大量的植物残体分解形成腐殖质，使土壤质量提高[20]。

在盐碱地建植苜蓿人工草地，对开发利用盐碱地资源，提高盐碱地的经济生态效益有着重要意义。本文论述了盐碱地苜蓿的适应机制和栽培策略，旨在为盐碱地苜蓿栽培管理提供一定参考。

1 盐碱地苜蓿的适应机制

苜蓿在盐碱地上生长，随着盐碱胁迫时间的延长要抵御由水、渗透胁迫造成的短期胁迫和由离子毒害作用造成的长期胁迫[21]。紫花苜蓿如何抵御、缓解和适应渗透胁迫及离子毒害，维持体内渗透和酸碱平衡成为研究的热点。

1.1 苜蓿的渗透调节物质与耐盐碱性

在逆境胁迫下植物体内脯氨酸和可溶性糖含量增加，这是植物对逆境胁迫的一种生理生化反应[22-23]。植物体内的游离脯氨酸作为一种重要的渗透调节物质，当苜蓿受到盐碱胁迫时，体内会合成大量的游离脯氨酸来调节植物体的渗透势、平衡细胞代谢作用维持细胞内环境的相对稳定[24-25]。碱胁迫对苜蓿的影响大于盐胁迫，主要是由于在碱胁迫下苜蓿通过脯氨酸进行渗透调节，同时进行植物体内pH值调节，而后者需要消耗大量能量，导致苜蓿植株矮小、存活率降低。可溶性糖在苜蓿抵御胁迫的过程中也起到重要作用，盐碱胁迫下苜蓿体内可溶性糖含量增加，能够为脯氨酸的合成提供碳骨架和能量。苜蓿在盐碱胁迫下会发生膜质过氧化，丙二醛是膜质过氧化的产物，能够与膜中蛋白结合引起蛋白质分子内和分子间交联，使蛋白质分子发生聚合[26]，会使叶绿素降解[27]，降低光合作用，进而抑制植物生长，其含量多少反映了膜的稳定性和受伤害程度[28-29]。在低浓度盐碱胁迫下，苜蓿通过一系列的调节机制使膜不受损伤，当中性盐浓度≥100 mmol/L或碱性盐浓度≥60 mmol/L时，苜蓿体内丙二醛含量显著增加，即苜蓿受伤害程度增加[30]。

1.2 苜蓿耐盐碱性与抗氧化酶活性

过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)是植物体内主要的抗氧化酶。在盐碱逆境胁迫中，植物体内SOD可将超氧离子歧化为过氧化氢，CAT和POD将过氧化氢氧化还原为氧气和水，从而清除植物体内的活性氧，消除因盐碱胁迫产生的毒害物质，从而保护植物膜系统，保证苜蓿在一定盐碱胁迫下能够正常生长发育[31-32]。研究表明，在混合盐碱胁迫下POD、CAT和SOD可在一定程度下清除苜蓿体内过剩的活性氧，维持代谢平衡，保护膜系统。当胁迫超过苜蓿承受极限时POD、CAT和SOD活性会降低或被破坏，使植物生长受阻[33]。李波等[34]研究表明苜蓿体内SOD和POD的活性随着苏打盐碱浓度的增加而增加，当浓度超过150 mmol/L时逐渐失去活性、降低对盐碱胁迫的抵御能力。

1.3 苜蓿叶、茎、根解剖结构与耐盐碱性

盐碱胁迫会对苜蓿生长发育产生负效应，苜蓿通过不同的结构来适应盐碱环境。叶片是植物进行光合作用和蒸腾作用的重要器官，其结构特征能够体现植物与生境的适应特点[35]。盐碱胁迫使苜蓿叶片整体变薄，苜蓿叶片表皮细胞壁角质层增厚；海绵组织薄壁细胞体积增大，以增加水分容量稀释细胞内盐浓度[36-37]；主叶脉维管束中木质导管数量减少，孔径变小，以降低从茎秆向叶片水分输送量[37]。苜蓿茎秆通过改变皮层、维管组织和髓的结构来适应环境的变化：苜蓿茎秆表皮细胞由圆形大小不一向方形大小均一转变；茎秆皮层细胞排列紧密；维管束木质导管数量和孔径降低；髓腔面积减少；髓细胞逐渐规则且髓细胞壁加厚，以阻止体内水分散失，提高苜蓿缺水条件下的抗倒伏能力[37-38]。植物根系具有固定植株、吸收和运输水分养分、合成贮藏营养物质等功能，是植物最先感受土壤盐碱胁迫等逆境胁迫的部位。当受到逆境胁迫后通过生理或形态变化来响应逆境胁迫[39]。植物根系具有阻止盐分进入输导组织的作用。在盐碱胁迫下苜蓿根系直径显著增加，木质导管直径降低但数量增加，加强了对离子运输的选择和控制以及水分的运输，促进植物的生理代谢。同时盐碱胁迫水平的提升会使周皮细胞的排列更加紧密，根部所有组织内细胞壁加厚，这种特殊的结构抑制了有毒有害离子进入苜蓿根系[37]。苜蓿根系发达生物量高，具有较强的向土壤深处生长的能力，三年平均根长为240.80～460.77 cm[40]。丰富的根系能够分泌大量的有机物质(糖类、有机酸、氨基酸等)和胞外酶(蔗糖酶、脲酶、磷脂酶等)，改善土壤根际微环境[41]。研究表明混合盐碱胁迫对根尖的影响表现为负效应，低浓度的混合盐碱胁迫对苜蓿根系生长具有一定的促进作用，高浓度混合盐碱胁迫且碱性盐比例的增加，对苜蓿根系生长的抑制作用更加明显，当盐浓度达到150 mmol/L时，根系总长度显著降低[42]。

2 盐碱地苜蓿栽培策略

苜蓿在盐碱胁迫下，其适应能力存在阈值，适宜的栽培策略有益于盐碱地苜蓿的生长。通过合理的灌溉制度以改造盐碱土、接种有益根际微生物以改善根际微环境、选育耐盐碱品种以提高抗性，提高苜蓿对盐碱环境的抵御和适应能力。

2.1 灌排水洗盐与土壤含盐量

盐碱地苜蓿栽培策略中灌水洗盐是最直接、见效快的方法，能够快速降低土壤含盐量，有效缓解盐碱对植物的毒害作用，制定科学的灌排水洗盐制度尤为关键。灌水：植物蒸腾会带动盐分上移，如果灌溉水量仅满足植物蒸腾、蒸发的需水要求，没有足够的水将土壤中的盐分淋洗到深层，则会在植物根部下层形成盐分聚集层，影响植物的生长并且灌溉用水应当选择矿化度较低的水源。排水：及时抽排地下水，能够防止地下水位上升、浅水蒸发加剧和盐分积累造成的次生盐碱化。研究表明[43]，在地下水盐分浓度较低，表土没有严重积盐的地区，可适当加大灌溉水量。在重度、中度盐碱化土地且地下水矿化度高的情况下，为尽快消除根系范围内的积盐，应该加大渠管量使表层积盐得到淋洗，并且适量抽排地下水。

因地制宜的制定灌排水方案，使地面水和地下水联合调度运行、水资源达到合理利用、优化配置，从而改造盐碱土。

2.2 苜蓿耐盐碱性与根际微环境

生物修复技术是利用植物与微生物的相互作用，提高植物的抗逆性，改善土壤微环境促进植物生长[61]。植物根际促生菌(Plant Growth Promoting Rhizobacteria，PGPR)是指能够定殖在植物根际且有利于植物生长，提高作物产量品质的有益菌[62]。植物根际促生菌可以通过产生植物激素(脱落酸、赤霉素、细胞分裂素和植物生长素)；产生1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶，降低生长中植物根部的乙烯水平；固氮、溶磷、解钾、产生嗜铁素和诱导植物对生物及非生物胁迫的系统抗性来促进植物生长[63-64]。刘佳莉[65]在盐碱地中生长的植物根际筛选出4株含ACC脱氨酶的PGPR。这4株菌株(Serratiamarcescens、Acinetobacterbaumannii、Pseudomonasmediterranea、Pseudomonasfluorescens)通过降低盐碱胁迫下乙烯的合成量来促进紫花苜蓿的生物量的积累、提高蛋白含量及磷素利用率降低纤维含量。盐碱胁迫下接种PGPR后紫花苜蓿根系活力、叶绿素含量和抗氧化酶活性显著提高，同时清除过量的超氧离子自由基等有害物质，积累渗透保护物质，提高耐盐碱能力。向君亮[66]从草原盐碱土壤中分离得到一株能够产生植物激素 IAA和ACC脱氨酶功能的菌株堀越氏芽孢杆菌(Bacillushorikoshii)。苜蓿接种后发芽率和发芽势分别提高了15%和10%，缓解了盐碱胁迫对苜蓿种子萌发的抑制作用。丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)能够与植物的根系共生形成菌根，显著改善植物养分和水分的吸收，影响植物的生理代谢过程，增强植物的抗逆性[67]。在单盐胁迫条件下接种AMF能够调节紫花苜蓿的生理生长来增加植物的耐盐性[68]。酚酸类物质是植物生长过程中所产生的一类重要次生代谢产物，其可以通过增加植物细胞壁厚度[69]，以及调控抗氧化酶活性来增加植物的抗逆能力[70-72]。有研究表明接种AMF能够促进宿主植物体内酚酸含量的积累[73]。赵琦等[74]认为在混合盐碱胁迫下，接种AMF能够改变紫花苜蓿体内酚酸的含量、积累渗透调节物质，提高耐盐碱性，促进植物生长。这些研究结果为研制复合菌肥，治理和利用盐碱地奠定了理论基础。

2.3 苜蓿耐盐碱性与新品种选育

苜蓿中等的耐盐碱能力，限制了紫花苜蓿的种植范围，因此选育耐盐碱能力更强的紫花苜蓿品种成为亟待解决的问题。常规育种目前仍然是选育抗盐碱苜蓿新品种的主要方法。国外通过杂交手段培育出AZ-Germ SaltII、AZ-97MEC、AZ-97MEC-ST、ZS-9491、ZS9592等耐盐碱紫花苜蓿品种[75]。中国农业科学院畜牧兽医研究所以保定紫花苜蓿(M.sativacv.Baoding)、秘鲁苜蓿(M.sativacv.Peru)、南皮苜蓿(M.sativacv.Nanpi)、RS苜蓿(M.sativacv.RS)及细胞耐盐筛选的植株为原材料，经开放授粉和田间混合选择4代培育出耐盐碱新品种“中苜1号”，其产量在盐碱含量为0.3%的盐碱地上比一般栽培品种增加10%[76]。以“中苜1号”为亲本材料，通过盐碱地表型选择、耐盐性一般配合力的测定，经过两次轮回选择和一次混合选择，获得耐盐苜蓿新品系“中苜3号”。新品种在盐碱地表现出较好的丰产性与适应性，在含盐量为0.18%～0.39%的盐碱地上，比对照品种“中苜1号”产量提高10%以上，干草粗蛋白含量达18%～20%[77]。60Co-γ辐射诱变育种是一种创造新品种和新种质的重要手段[78]。γ射线照射可降低Na+在紫花苜蓿中的积累[79]，在臭氧协同胁迫时，盐碱地紫花苜蓿相对产量增加42%[80]。黑龙江省畜牧研究所对亲本二倍体扁蓿豆与四倍体紫花苜蓿进行辐射诱变处理，攻克了远缘杂交关，采用集团选择法选育，历经16年育成了“龙牧801”和“龙牧803”紫花苜蓿新品种。通过品种比较试验、区域试验和生产试验结果表明该品种具有耐盐抗寒高产的特点[81]。

由于选育周期长、费时费力限制了传统杂交育种的发展。随着分子生物学的发展，转基因技术成为育种工作的重要手段。Deak等[82]首次报道了利用转基因技术获得抗性苜蓿植株。Webb等[83]利用农杆菌介导法培育出转基因紫花苜蓿。此后紫花苜蓿转基因技术取得了很大进展，当前利用转基因技术将优良性状导入紫花苜蓿以提高苜蓿耐盐碱性已经成为一种重要途径[84]。陈冉冉等[85]利用农杆菌介导的子叶节侵染法将从野生大豆中筛选出碱胁迫应答基因GsARHP转化肇东苜蓿，转基因株系在碱胁迫下长势良好，质膜透性和丙二醛含量低于非转基因株系，叶绿素含量和CAT活性高于非转基因株系，提高了苜蓿的耐碱性。植物谷胱甘肽S-转移酶(GsT)能够催化谷胱甘肽(GSH、γ-Glu-Cvs-Glv)与生物异源物或细胞过氧化物结合，以促进这些底物代谢、区域化隔离或将其彻底清除。王臻昱等[86]从野生大豆中筛选克隆得到GsGST19基因，转化苜蓿后进行盐碱胁迫。转基因株系GsT酶活性是非转基因的1.19～1.52倍，且长势良好，质膜透性和丙二醛含量显著低于非转基因株系，叶绿素含量和根系活力显著高于非转基因株系。Suarez等[87]将酵母海藻糖-6-磷酸合成酶(trehalose-6-phosphate synthase)基因TPS1和海藻糖-6-磷酸磷酸酶(trehalose-6-phosphate phosphatase,TPP)基因TPS2融合，分别以35S和rd29A启动子驱动在紫花苜蓿中表达，转基因株系耐盐碱性显著提高。Winicov等[88-89]将转录因子Alfin1导入紫花苜蓿中，超表达的Aflin1的愈伤组织可抵御171mmol/L的NaCl胁迫，增强MsPRP2的表达和苜蓿耐盐性。

植物的耐盐碱性是受多个基因协同控制的数量性状，目前报道的只涉及单基因的转化，且缺乏品种的区域性试验。山东省林业科学研究院科研团队利用农杆菌介导技术将山菠菜(Atriplex hortensis)甜菜碱醛脱氢酶Ah-BADH的编码基因导入中苜1号紫花苜蓿，T1代植株可抵御含量为0.8%～0.9%的NaCl胁迫，经过对T3代转基因植株的鉴定和筛选，通过自交、杂交选育出耐盐碱的“山苜2号”，品种比较试验、区域试验和生产试验表明山苜2号在不同盐碱条件下植株抗逆性和产草量明显高于中苜1号[90-91]。BADH在山苜2号中稳定地遗传和表达，使生物技术手段结合自交和杂交等常规育种方法培育耐盐新品种成为一条有效且简捷的途径。

3 总结与展望

苜蓿通过调节生理代谢改变组织结构等自身特点以适应盐碱环境，其耐盐碱性存在阈值，通过选育耐盐碱品种，优化农艺措施，以保障紫花苜蓿的生长发育。紫花苜蓿的抗盐碱性是由其体内抗盐碱基因的表达、耐盐碱代谢途径及其与其他多种代谢途径综合作用的复杂过程。目前对紫花苜蓿的耐盐碱机制仍不完全清楚，是限制获得耐盐碱性强的新品种的主要障碍。在今后苜蓿耐盐碱研究工作中，需要整合植物遗传育种学、植物生理生化和分子生物学等领域研究方法，对进一步明确苜蓿的耐盐碱机制，最大限度地挖掘苜蓿的生物学潜力，培育更多抗盐碱性强、高产优质苜蓿品种和制定相关栽培措施具有重要作用。