黃花苜蓿抗旱性研究進展

李夢元

摘要：指出了黃花苜蓿（Medicago falcata L）是一種重要的牧草，但由于所處的環境很多為干、旱半干旱區，因此對其抗旱性的機理研究、培育抗性更強的新品種顯得尤為重要。主要從以下幾個方面展開綜述：葉片表面角質化及相關基因、干旱對根瘤的物質代謝的影響、抗氧化系統的響應和膜脂的變化。

關鍵詞：黃花苜蓿；角質化；根瘤代謝；抗氧化反應；膜脂成分

中圖分類號：S411

文獻標識碼：B文章編號：16749944（2014）08004104

[FL（2K2]

1生物學特性

黃花苜蓿（Medicago falcata L），又稱野苜蓿、鐮莢苜蓿，英文名為Sickle alfalfa、Yellow alfalfa、Yellow-flowered lucerne 等，豆科苜蓿屬多年生草本植物，屬于耐寒的旱中生植物，耐寒、抗旱、耐鹽堿、耐風沙、耐貧瘠、抗病蟲害，在黑鈣土、栗鈣土和鹽堿土上均能良好生長。分布于我國的東北、華北、西北各地，在內蒙古、新疆分布較多，是森林草原、山地草甸草原、山地草甸、低地草甸以及草原化草甸群落中的優勢種或主要伴生種，多生于砂質偏旱耕地、山坡、草原及河岸雜草叢中。盛產于歐洲，俄羅斯、蒙古、伊朗等亞洲地區分布也很廣泛，世界各國都有引種栽培＼[1＼]。

苜蓿在草產量、營養價值和可食性等諸多方面體現出優異性能和廣闊經濟價值，奠定了它在飼草生產中的重要地位。苜蓿具有特殊生物學和植物學特性，其抗逆性強、抗寒耐旱性強、再生性好、根系發達、耐鹽堿和適應能力廣泛等特點，使它成為世界上分布面積最大的牧草。苜蓿在有效改良土壤肥力、保持水土流失、改善土壤結構等方面，在農業可持續發展和生態環境保護方面發揮著重要的作用。在農牧業生產中的重要性主要表現在以下幾點。

（1）苜蓿營養價值高，苜蓿干草所含的養分，如粗蛋白、粗灰分都很多，1kg 優質的紫花苜蓿粉相當于0kg 精飼料的營養價值；

（2）苜蓿具有抗逆性強、生態適應性廣的優良特性，種植一次能多年收獲，易建植；

（3）營養全面，苜蓿富含各種維生素、氨基酸、微量元素和其它生物活性物質，尤其是蛋白質含量遠遠高于其它飼料作物，多數家畜均喜采食；

（4）苜蓿既可以用于放牧、青貯、曬制干草也能用作綠肥、改土肥田、保持水土，并可供人類食用，是一種多功能作物。研究表明，在所有綠色飼料作物中苜蓿營養品質處于較高水平，新鮮苜蓿粗蛋白質含量為22%，青干草為1%～18%，葉蛋白產品則可達 70%以上，被譽為功能蛋白質庫。苜蓿莖葉之內貯藏大量的蛋白質，家畜可直接吸收，其適口性好，可以滿足各種家畜對蛋白質需要＼[2＼]。

2水資源現狀

水資源短缺是目前公認的全球性環境焦點問題之一，我國人均占有水資源量（2300m3）僅為世界人均量的1/4，是世界上13個最貧水國家之一，且大部分地區屬亞洲季風區，干旱災害具有普遍性、區域性、季節性和持續性的特點，旱災十分嚴重。并且水資源缺乏不僅會影響植物的產量和觀賞性狀，嚴重時還會造成植株的死亡。因此，為更好地揭示植物抗旱機理，為植物的抗旱性的改良積累理論和實踐支撐，很多研究工作人員做了大量的工作＼[3＼]。

水資源缺乏是一個全球性的問題，地球上有1/3以上的陸地是干旱和半干旱地區，而中國是主要的干旱國家之一，干旱半干旱土地面積占國土面積的0%以上。水分是植物生存所必需的，干旱脅迫會嚴重地影響植物的生長發育，造成作物大面積減產。干旱對農業和社會造成的損失相當于其他各類自然災害造成的損失之和。日益加劇的水資源短缺與植物的正常生長之間形成了激烈的矛盾，因此，通過揭示抗旱植物抵抗脅迫的機理，以尋找提高植物抗旱能力的途徑勢在必行＼[4＼]。

苜蓿在中國西北地區種植較多，而西北地區干旱、少雨的氣候特點，對作物的正常生長發育非常不利，嚴重制約了農牧業的發展。在這類地區種植苜蓿是解決當地優質飼草缺乏，特別是蛋白質飼料缺乏的有效途徑。因此，深入研究苜蓿的抗旱性，對于克服該地區干旱、風蝕等自然條件對苜蓿栽培的制約，擴大其種植范圍，提高生產力，具有舉足輕重的意義＼[＼]。

3植物表面角質化

作為同化和蒸騰器官的葉片，在長期干旱脅迫下，葉片的形態結構會發生變化，其形態結構的改變與植物的耐旱性有著密切的關系。主要表現在：葉片表皮外壁有發達的角質層，角質層是一種類質膜，其主要功能是減少水分向大氣散失，是植物水分蒸發的屏障。厚的角質層可提高植物的能量反射與降低蒸騰，從而增強植物的抗旱性＼[6＼]。

植物表皮蠟質是覆蓋于植物表皮角質層上的一層可見的蠟狀隆起，在通過調控植物表皮滲透性、限制非氣孔性水分喪失以抵御水分脅迫方面發揮著重要作用。紫花苜蓿在逆境脅迫下可通過葉表皮蠟質含量、成分或結構的改變而提高抗逆性，轉基因苜蓿蠟質含量與抗干旱能力同樣呈正相關＼[7＼]。周玲艷等以5個苜蓿品種為材料，分析苜蓿葉表面蠟質覆蓋量以及抗性生理指標，通過掃描電鏡觀察葉片表面蠟質覆蓋情況，以熱氯仿法抽提和測定葉片表面蠟質含量，并測定葉片葉綠素浸提率和脯氨酸含量，同時以質量分數為20% 的PEG-6000進行模擬干旱處理，分析葉片表面蠟質覆蓋量與苜蓿抗旱性之間的關系。結果表明，苜蓿王的葉片表面蠟質分布較密集，含量較高，而WL2葉片表面蠟質分布較稀疏，含量較少；苜蓿王的葉片葉綠素浸提速率相對較慢，WL2的葉片葉綠素浸提速率相對較快；苜蓿王的脯氨酸含量較高，而 WL2的脯氨酸含量較低；模擬干旱處理發現苜蓿王對干旱敏感性最低。綜合考慮，苜蓿品種葉片表面蠟質覆蓋量與其抗旱能力呈正相關。

葉片表面角質化和具有蠟質的表皮組織對于控制失水具有非常顯著的作用。涉及抗逆性的葉片蠟質基因的鑒定預計對作物改良潛力巨大。在這里，Ji-Yi Zhang等＼[8＼]報告一個新的包含AP2 結構域的假定的轉錄因子，它來自模式豆類植物Medicago truncatula。WXP1基因能夠激活蠟質的生產和提供苜蓿（紫花苜蓿）耐旱性， 和M truncatula的近緣的苜蓿是世界上最重要的飼料豆科物種。WXP1預期的蛋白質有371個氨基酸；在M truncatula所有的AP2結構域蛋白質中它是最長的肽鏈。WXP1截然不同于研究最多的AP2/ERF轉錄因子家族，例如AP2s， CBF/DREB1s， DREB2s， WIN1/SN1 和 GL1。WXP1的轉錄被寒冷、脫落酸和干旱處理所誘導主要在M truncatula的地上組織。在轉基因苜蓿CaMV3S啟動子的控制下的WXP1超表達導致葉表皮蠟質產生顯著增加。掃描電鏡顯示蠟晶體的早期積累在新展開的葉子的近軸表面和更高密度的蠟晶體在成熟的葉子表面的近遠軸都存在。氣相色譜分析—質譜法分析表明，在轉基因株系中葉總蠟積累每單位面積增加了296%～377%，增加的主要來源是C30伯醇。WXP1的超表達誘導一系列與蠟質相關的基因的表達。轉基因的葉子表現出減少了水資源的浪費和葉綠素的浸出。增加表皮蠟的轉基因苜蓿植物表現出增強抗旱性，澆水停止后延遲萎蔫，澆水回復后脫水的植物又重新獲水。進一步地，轉基因植株能夠減少水分丟失并增加抗旱性。endprint

4干旱脅迫對根瘤的影響

苜蓿作為豆科植物中最為重要的栽培牧草，在我國種植面積已超過130萬hm2。我國苜蓿栽培區主要集中于西北干旱、半干旱區，該區降水量遠遠小于蒸發量且分布不平衡，苜蓿草地經常處于“干濕交替或“低水多變的田間環境，水資源的嚴重缺乏限制了苜蓿產業的發展。土壤含水量是影響結瘤和固氮的重要因素，豆科植物—根瘤菌共生關系的形成及其活性均對干旱十分敏感。土壤干旱不僅影響植物生長、根系發育及物質分泌，也使根瘤菌處于一個較低的群體水平，從而影響氮素的積累，間歇性干旱將影響苜蓿根瘤的正常發育，且周期越長，對根瘤菌的有效性影響越大＼[9＼]。

植物在干旱條件下的蛋白質調節、代謝調節，和生理狀態具有相關性，但并不是很了解在根瘤的固氮的作用。Iker Aranjuelo等＼[10＼]的研究中，生有根瘤的紫花苜蓿被置于干旱的條件下。他們的研究確定了生理、代謝，以及蛋白質組學的過程參與光合作用的抑制與固氮酶（Nase）活性的下降有關。干旱對苜蓿性能的不利影響是針對光合作用和Nase活性而言的。在葉子的水平上，光合抑制主要是Rubisco的抑制。蛋白質組學的描述和生理測量顯示遭受旱災的植物羧化作用的能力減弱與Rubisco 蛋白含量的限制有關（活化狀態和RuBP再生）。干旱也減少了氨基酸的含量，例如天冬酰胺和谷氨酸以及Rubisco蛋白質含量，這表明可利用的N的限制是由于Nase活性抑制引起的。在這種背景下，干旱誘導葉片中Rubisco結合蛋白含量減少和蛋白酶被上調用于降解Rubisco蛋白質。這種Rubisco降解能夠重新分配產生的N用于合成與滲透調節相關的氨基酸。在干旱條件下Rubisco的降解被誘導，目的是動員 Rubisco分解產生N，以彌補Nase受到的抑制。代謝分析表明遭受干旱的植物增加氨基酸（脯氨酸、參與滲透調節的主要化合物）和可溶性糖（D-pinitol）的水平有助于降低滲透勢（Ws）。在根瘤中，干旱對Nase活性有抑制作用。這種Nase活性的減少不是由底物短缺誘導的，相反在根瘤中可溶性總糖（SS）含量增加。根瘤中脯氨酸的積累也與對于干旱的滲透調節的反應有關，可能的功能是作為保護劑對抗ROS。在遭受旱災的根瘤中，N2固定的減少是由于根瘤中對氧氣的抵抗在增加。這是來避免氧化損傷一種機制與降低呼吸活動有關，氧含量隨之增加。這項研究強調，盡管干旱對葉子有直接影響，干旱對根瘤的不良影響也受限于葉子響應能力。endprint

4干旱脅迫對根瘤的影響

苜蓿作為豆科植物中最為重要的栽培牧草，在我國種植面積已超過130萬hm2。我國苜蓿栽培區主要集中于西北干旱、半干旱區，該區降水量遠遠小于蒸發量且分布不平衡，苜蓿草地經常處于“干濕交替或“低水多變的田間環境，水資源的嚴重缺乏限制了苜蓿產業的發展。土壤含水量是影響結瘤和固氮的重要因素，豆科植物—根瘤菌共生關系的形成及其活性均對干旱十分敏感。土壤干旱不僅影響植物生長、根系發育及物質分泌，也使根瘤菌處于一個較低的群體水平，從而影響氮素的積累，間歇性干旱將影響苜蓿根瘤的正常發育，且周期越長，對根瘤菌的有效性影響越大＼[9＼]。

植物在干旱條件下的蛋白質調節、代謝調節，和生理狀態具有相關性，但并不是很了解在根瘤的固氮的作用。Iker Aranjuelo等＼[10＼]的研究中，生有根瘤的紫花苜蓿被置于干旱的條件下。他們的研究確定了生理、代謝，以及蛋白質組學的過程參與光合作用的抑制與固氮酶（Nase）活性的下降有關。干旱對苜蓿性能的不利影響是針對光合作用和Nase活性而言的。在葉子的水平上，光合抑制主要是Rubisco的抑制。蛋白質組學的描述和生理測量顯示遭受旱災的植物羧化作用的能力減弱與Rubisco 蛋白含量的限制有關（活化狀態和RuBP再生）。干旱也減少了氨基酸的含量，例如天冬酰胺和谷氨酸以及Rubisco蛋白質含量，這表明可利用的N的限制是由于Nase活性抑制引起的。在這種背景下，干旱誘導葉片中Rubisco結合蛋白含量減少和蛋白酶被上調用于降解Rubisco蛋白質。這種Rubisco降解能夠重新分配產生的N用于合成與滲透調節相關的氨基酸。在干旱條件下Rubisco的降解被誘導，目的是動員 Rubisco分解產生N，以彌補Nase受到的抑制。代謝分析表明遭受干旱的植物增加氨基酸（脯氨酸、參與滲透調節的主要化合物）和可溶性糖（D-pinitol）的水平有助于降低滲透勢（Ws）。在根瘤中，干旱對Nase活性有抑制作用。這種Nase活性的減少不是由底物短缺誘導的，相反在根瘤中可溶性總糖（SS）含量增加。根瘤中脯氨酸的積累也與對于干旱的滲透調節的反應有關，可能的功能是作為保護劑對抗ROS。在遭受旱災的根瘤中，N2固定的減少是由于根瘤中對氧氣的抵抗在增加。這是來避免氧化損傷一種機制與降低呼吸活動有關，氧含量隨之增加。這項研究強調，盡管干旱對葉子有直接影響，干旱對根瘤的不良影響也受限于葉子響應能力。endprint

4干旱脅迫對根瘤的影響

苜蓿作為豆科植物中最為重要的栽培牧草，在我國種植面積已超過130萬hm2。我國苜蓿栽培區主要集中于西北干旱、半干旱區，該區降水量遠遠小于蒸發量且分布不平衡，苜蓿草地經常處于“干濕交替或“低水多變的田間環境，水資源的嚴重缺乏限制了苜蓿產業的發展。土壤含水量是影響結瘤和固氮的重要因素，豆科植物—根瘤菌共生關系的形成及其活性均對干旱十分敏感。土壤干旱不僅影響植物生長、根系發育及物質分泌，也使根瘤菌處于一個較低的群體水平，從而影響氮素的積累，間歇性干旱將影響苜蓿根瘤的正常發育，且周期越長，對根瘤菌的有效性影響越大＼[9＼]。

植物在干旱條件下的蛋白質調節、代謝調節，和生理狀態具有相關性，但并不是很了解在根瘤的固氮的作用。Iker Aranjuelo等＼[10＼]的研究中，生有根瘤的紫花苜蓿被置于干旱的條件下。他們的研究確定了生理、代謝，以及蛋白質組學的過程參與光合作用的抑制與固氮酶（Nase）活性的下降有關。干旱對苜蓿性能的不利影響是針對光合作用和Nase活性而言的。在葉子的水平上，光合抑制主要是Rubisco的抑制。蛋白質組學的描述和生理測量顯示遭受旱災的植物羧化作用的能力減弱與Rubisco 蛋白含量的限制有關（活化狀態和RuBP再生）。干旱也減少了氨基酸的含量，例如天冬酰胺和谷氨酸以及Rubisco蛋白質含量，這表明可利用的N的限制是由于Nase活性抑制引起的。在這種背景下，干旱誘導葉片中Rubisco結合蛋白含量減少和蛋白酶被上調用于降解Rubisco蛋白質。這種Rubisco降解能夠重新分配產生的N用于合成與滲透調節相關的氨基酸。在干旱條件下Rubisco的降解被誘導，目的是動員 Rubisco分解產生N，以彌補Nase受到的抑制。代謝分析表明遭受干旱的植物增加氨基酸（脯氨酸、參與滲透調節的主要化合物）和可溶性糖（D-pinitol）的水平有助于降低滲透勢（Ws）。在根瘤中，干旱對Nase活性有抑制作用。這種Nase活性的減少不是由底物短缺誘導的，相反在根瘤中可溶性總糖（SS）含量增加。根瘤中脯氨酸的積累也與對于干旱的滲透調節的反應有關，可能的功能是作為保護劑對抗ROS。在遭受旱災的根瘤中，N2固定的減少是由于根瘤中對氧氣的抵抗在增加。這是來避免氧化損傷一種機制與降低呼吸活動有關，氧含量隨之增加。這項研究強調，盡管干旱對葉子有直接影響，干旱對根瘤的不良影響也受限于葉子響應能力。endprint