紫花苜蓿（Medicago sativa L.）品种耐盐碱性田间鉴定与抗逆生理机制的研究

【摘要】：土壤盐碱化是全球面临的重要生态环境问题之一,不仅严重抑制了植物的生长发育,而且限制了作物产量的提升。以高Na~+和高p H为特点的苏打盐碱地在我国东北的分布面积广泛,盐碱胁迫已成为制约当地作物产量和限制经济发展的主要障碍因子。紫花苜蓿(Medicago sativa L.)作为高产优质牧草,具有较强的耐盐碱性。因此,筛选紫花苜蓿的耐盐碱品种,提高紫花苜蓿品种的耐盐碱能力是改良和利用盐碱地的重要途径,对推动生态农业的建设和草业的可持续发展都具有重要意义。本研究选择在盐碱地和非盐碱地分别种植50个紫花苜蓿品种并进行了耐盐碱性田间鉴定试验,筛选出几个适宜在盐碱地种植的品种,同时结合与耐盐碱性相关的生长与生理指标的统计辅助分析,鉴定出了Ca~(2+)/Na~+比值作为评价田间条件下耐盐碱性的关键指标。此外,为了探究紫花苜蓿的耐盐碱性的生理和分子机制,本研究在0 m M和25 m M的Na_2CO_3模拟的碱性条件下,进行了两个紫花苜蓿品种耐碱品种和敏碱品种的生理和转录组学比较。此外,在室内条件下研究了外源植物激素脱落酸(ABA)对紫花苜蓿幼苗耐碱性的潜在启动作用。本研究的主要结果如下:1.田间耐盐碱性评价试验测定了各品种的生长和生理指标,并计算了这些指标的耐盐碱系数(SATC),运用了主成分分析、隶属函数分析和聚类分析的综合评价法,将50个品种的耐盐碱性划分为3类:第I类由高耐盐碱性品种(WL319HQ,WL903HQ,Polarbear,等)组成,D值为0.54-0.78,相当于50个品种的24%;第II类包括中度耐盐碱性品种(Gannong NO.6,Magnum NO.7,Bingchi,等),D值为0.43-0.52,占50个品种的32%;第III类代表弱耐盐碱性品种(Zhonglan NO.1,Lnstict,WL525HQ,等),D值为0.24-0.42,这些占50个品种的近一半(44%)。2.以普遍采用的耐盐性指标为传统方法,以纳入受碱性盐影响的指标Ca~(2+),Mg~(2+)及其与Na~+的比值为新方法,采用逐步正向回归法对不同植物生长和生理变量进行量化,以预测苜蓿的耐盐碱性,并确定预测耐盐碱性的关键变量。即以50个紫花苜蓿品种的综合评价D值为因变量,以植物生长和生理变量为自变量。结果表明:在传统方法下,茎长(SL)的SATC解释了对D值最大变异(67.90%),脯氨酸(PRO)的SATC是第二重要指标,对D值的解释力为13.60%,其次依次是K~+/Na~+比值、地上部干重(SDM)、可溶性糖(SS)、K~+和Na~+的SATC。然而,在新方法下,Ca~(2+)/Na~+比值的SATC是最佳预测因子,解释了D值62.50%的变异。茎长的SATC是第二个变量,其余变量依次是Mg~(2+)、Ca~(2+)、SDM、PRO、Na~+、SS和K~+的SATCs。3.在0至25 mMNa_2CO_3溶液模拟的碱处理下,碱敏感品种Algonguin(AG)的叶绿素含量和地上部鲜重显著下降,而耐碱品种公农1号(GN)的地上部鲜重和叶绿素含量相对稳定。与AG相比,在碱性条件下,GN具有较高的Ca~(2+)和Mg~(2+)含量、Ca~(2+)/Na~+比值和Mg~(2+)/Na~+比值、脯氨酸和可溶性糖含量以及过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)酶活性。4.转录组分析识别出两个品种间存在3类碱响应基因,其中包含48个品种共有的差异基因(CAR)、574个来自耐碱品种的差异基因(TAR)和493个来自敏碱品种的差异基因(SAR)。Gene Ontology(GO)和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)分析表明,CAR基因主要参与苯丙素生物合成、脂质代谢、DNA复制和修复等代谢通路;TAR基因主要参与代谢途径、次生代谢产物生物合成、MAPK信号通路、类黄酮和氨基酸生物合成等代谢通路;SAR基因在维生素B6代谢中特异性富集。5.在15 mMNa_2CO_3碱胁迫下,紫花苜蓿幼苗经10μM ABA预处理16 h后,与对照相比,ABA预处理显著减轻了叶片损伤程度,提高了碱性条件下紫花苜蓿幼苗的鲜重、含水量和成活率。ABA预处理降低了活性氧(ROS)的积累,提高了超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性,维持了较高的K~+/Na~+、Ca~(2+)/Na~+和Mg~(2+)/Na~+的比值,增加了脯氨酸的积累。此外,ABA上调了碱性条件下脯氨酸生物合成基因(P5CS)和液泡中Na~+隔离基因(NHX1和AVP)的表达。脱落酸启动剂通过维持ROS和金属离子的稳态,上调渗透保护和胁迫耐受相关基因的表达,提高了紫花苜蓿对碱胁迫的耐受性。