趙力興，王琳，溫麗，候偉峰，畢盛楠，其格其，孫烏日娜

(1.興安盟農(nóng)牧業(yè)科學研究所，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

土壤-植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎，土壤質(zhì)量和植被生長狀況是陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要保證[1]。土壤中NaCl和Na2SO4含量較高的土壤被稱為鹽土，Na2CO3和NaHCO3含量較高的土壤稱為堿土，而在自然界，鹽土和堿土往往同時存在，稱為鹽堿土[2]。土壤鹽化、堿化是兩種不同的非生物脅迫，以高鹽度和高pH值為主要特點[3]，對植物危害的程度大小為鹽堿脅迫>堿脅迫>鹽脅迫[4-5]。研究表明土壤中鹽分的積累會破壞植物體內(nèi)的離子平衡和正常的新陳代謝，引起可溶性鹽離子在體內(nèi)的積累，產(chǎn)生離子毒害，增加能耗和抑制植物對養(yǎng)分的獲取能力，導致植物代謝受阻以及抑制植物生長發(fā)育，使植物進一步萎蔫甚至死亡[6-7]。在堿脅迫下，隨著植物根系土壤pH值的升高，無機陰離子減少，F(xiàn)e2+、Mg2+、Ca2+離子的沉積導致植物礦質(zhì)營養(yǎng)吸收受阻[8-9]。土地鹽堿化是非常重要的非生物脅迫，嚴重影響作物的生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[10]。土壤鹽堿化已經(jīng)成為一個世界性的資源問題和生態(tài)問題，逐漸威脅人類的生存需求。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是一種重要的多年生優(yōu)質(zhì)豆科牧草，有著“牧草之王”的美譽[11]。紫花苜蓿具有中強度的抗鹽堿特性，葉片具有排鹽能力[12]，能夠在含鹽量0.1%～0.8%的鹽堿地中生長[13-14]，50～200 mmol/L的NaCl脅迫會降低產(chǎn)量[15]。種子萌發(fā)期是植物鹽害最敏感時期，鹽脅迫會顯著降低紫花苜蓿相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、胚根干質(zhì)量和胚芽干質(zhì)量，半致死鹽濃度為0.85%，1.2% NaCl為耐鹽性鑒定的適宜濃度[16]。當蘇打(Na2CO3)濃度超過30 mmol/L時，會對種子的萌發(fā)和芽苗的生長產(chǎn)生明顯的抑制作用[17]。在鹽堿地建植苜蓿草地：一方面提高了鹽堿地的利用率，緩解了與糧食作物爭地的矛盾，同時能夠為草地畜牧業(yè)的發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)飼草；另一方面能夠改良鹽堿地，提高土壤肥力。青海省西北部棄耕鹽堿地pH值在8左右，含鹽量高達6.73～28.08 g/kg，且表層土壤鹽分聚集，養(yǎng)分含量極低[18]。種植紫花苜蓿后提高了土壤中全氮和有效鉀含量，提高土壤肥力[19]。隨著苜蓿種植時間的增加，生物產(chǎn)量減少，對土壤養(yǎng)分的消耗降低，根系-根瘤菌共生體更加成熟，固氮能力增強，大量的植物殘體分解形成腐殖質(zhì)，使土壤質(zhì)量提高[20]。

在鹽堿地建植苜蓿人工草地，對開發(fā)利用鹽堿地資源，提高鹽堿地的經(jīng)濟生態(tài)效益有著重要意義。本文論述了鹽堿地苜蓿的適應機制和栽培策略，旨在為鹽堿地苜蓿栽培管理提供一定參考。

1 鹽堿地苜蓿的適應機制

苜蓿在鹽堿地上生長，隨著鹽堿脅迫時間的延長要抵御由水、滲透脅迫造成的短期脅迫和由離子毒害作用造成的長期脅迫[21]。紫花苜蓿如何抵御、緩解和適應滲透脅迫及離子毒害，維持體內(nèi)滲透和酸堿平衡成為研究的熱點。

1.1 苜蓿的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與耐鹽堿性

在逆境脅迫下植物體內(nèi)脯氨酸和可溶性糖含量增加，這是植物對逆境脅迫的一種生理生化反應[22-23]。植物體內(nèi)的游離脯氨酸作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，當苜蓿受到鹽堿脅迫時，體內(nèi)會合成大量的游離脯氨酸來調(diào)節(jié)植物體的滲透勢、平衡細胞代謝作用維持細胞內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定[24-25]。堿脅迫對苜蓿的影響大于鹽脅迫，主要是由于在堿脅迫下苜蓿通過脯氨酸進行滲透調(diào)節(jié)，同時進行植物體內(nèi)pH值調(diào)節(jié)，而后者需要消耗大量能量，導致苜蓿植株矮小、存活率降低。可溶性糖在苜蓿抵御脅迫的過程中也起到重要作用，鹽堿脅迫下苜蓿體內(nèi)可溶性糖含量增加，能夠為脯氨酸的合成提供碳骨架和能量。苜蓿在鹽堿脅迫下會發(fā)生膜質(zhì)過氧化，丙二醛是膜質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，能夠與膜中蛋白結合引起蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子間交聯(lián)，使蛋白質(zhì)分子發(fā)生聚合[26]，會使葉綠素降解[27]，降低光合作用，進而抑制植物生長，其含量多少反映了膜的穩(wěn)定性和受傷害程度[28-29]。在低濃度鹽堿脅迫下，苜蓿通過一系列的調(diào)節(jié)機制使膜不受損傷，當中性鹽濃度≥100 mmol/L或堿性鹽濃度≥60 mmol/L時，苜蓿體內(nèi)丙二醛含量顯著增加，即苜蓿受傷害程度增加[30]。

1.2 苜蓿耐鹽堿性與抗氧化酶活性

過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)是植物體內(nèi)主要的抗氧化酶。在鹽堿逆境脅迫中，植物體內(nèi)SOD可將超氧離子歧化為過氧化氫，CAT和POD將過氧化氫氧化還原為氧氣和水，從而清除植物體內(nèi)的活性氧，消除因鹽堿脅迫產(chǎn)生的毒害物質(zhì)，從而保護植物膜系統(tǒng)，保證苜蓿在一定鹽堿脅迫下能夠正常生長發(fā)育[31-32]。研究表明，在混合鹽堿脅迫下POD、CAT和SOD可在一定程度下清除苜蓿體內(nèi)過剩的活性氧，維持代謝平衡，保護膜系統(tǒng)。當脅迫超過苜蓿承受極限時POD、CAT和SOD活性會降低或被破壞，使植物生長受阻[33]。李波等[34]研究表明苜蓿體內(nèi)SOD和POD的活性隨著蘇打鹽堿濃度的增加而增加，當濃度超過150 mmol/L時逐漸失去活性、降低對鹽堿脅迫的抵御能力。

1.3 苜蓿葉、莖、根解剖結構與耐鹽堿性

鹽堿脅迫會對苜蓿生長發(fā)育產(chǎn)生負效應，苜蓿通過不同的結構來適應鹽堿環(huán)境。葉片是植物進行光合作用和蒸騰作用的重要器官，其結構特征能夠體現(xiàn)植物與生境的適應特點[35]。鹽堿脅迫使苜蓿葉片整體變薄，苜蓿葉片表皮細胞壁角質(zhì)層增厚；海綿組織薄壁細胞體積增大，以增加水分容量稀釋細胞內(nèi)鹽濃度[36-37]；主葉脈維管束中木質(zhì)導管數(shù)量減少，孔徑變小，以降低從莖稈向葉片水分輸送量[37]。苜蓿莖稈通過改變皮層、維管組織和髓的結構來適應環(huán)境的變化：苜蓿莖稈表皮細胞由圓形大小不一向方形大小均一轉變；莖稈皮層細胞排列緊密；維管束木質(zhì)導管數(shù)量和孔徑降低；髓腔面積減少；髓細胞逐漸規(guī)則且髓細胞壁加厚，以阻止體內(nèi)水分散失，提高苜蓿缺水條件下的抗倒伏能力[37-38]。植物根系具有固定植株、吸收和運輸水分養(yǎng)分、合成貯藏營養(yǎng)物質(zhì)等功能，是植物最先感受土壤鹽堿脅迫等逆境脅迫的部位。當受到逆境脅迫后通過生理或形態(tài)變化來響應逆境脅迫[39]。植物根系具有阻止鹽分進入輸導組織的作用。在鹽堿脅迫下苜蓿根系直徑顯著增加，木質(zhì)導管直徑降低但數(shù)量增加，加強了對離子運輸?shù)倪x擇和控制以及水分的運輸，促進植物的生理代謝。同時鹽堿脅迫水平的提升會使周皮細胞的排列更加緊密，根部所有組織內(nèi)細胞壁加厚，這種特殊的結構抑制了有毒有害離子進入苜蓿根系[37]。苜蓿根系發(fā)達生物量高，具有較強的向土壤深處生長的能力，三年平均根長為240.80～460.77 cm[40]。豐富的根系能夠分泌大量的有機物質(zhì)(糖類、有機酸、氨基酸等)和胞外酶(蔗糖酶、脲酶、磷脂酶等)，改善土壤根際微環(huán)境[41]。研究表明混合鹽堿脅迫對根尖的影響表現(xiàn)為負效應，低濃度的混合鹽堿脅迫對苜蓿根系生長具有一定的促進作用，高濃度混合鹽堿脅迫且堿性鹽比例的增加，對苜蓿根系生長的抑制作用更加明顯，當鹽濃度達到150 mmol/L時，根系總長度顯著降低[42]。

2 鹽堿地苜蓿栽培策略

苜蓿在鹽堿脅迫下，其適應能力存在閾值，適宜的栽培策略有益于鹽堿地苜蓿的生長。通過合理的灌溉制度以改造鹽堿土、接種有益根際微生物以改善根際微環(huán)境、選育耐鹽堿品種以提高抗性，提高苜蓿對鹽堿環(huán)境的抵御和適應能力。

2.1 灌排水洗鹽與土壤含鹽量

鹽堿地苜蓿栽培策略中灌水洗鹽是最直接、見效快的方法，能夠快速降低土壤含鹽量，有效緩解鹽堿對植物的毒害作用，制定科學的灌排水洗鹽制度尤為關鍵。灌水：植物蒸騰會帶動鹽分上移，如果灌溉水量僅滿足植物蒸騰、蒸發(fā)的需水要求，沒有足夠的水將土壤中的鹽分淋洗到深層，則會在植物根部下層形成鹽分聚集層，影響植物的生長并且灌溉用水應當選擇礦化度較低的水源。排水：及時抽排地下水，能夠防止地下水位上升、淺水蒸發(fā)加劇和鹽分積累造成的次生鹽堿化。研究表明[43]，在地下水鹽分濃度較低，表土沒有嚴重積鹽的地區(qū)，可適當加大灌溉水量。在重度、中度鹽堿化土地且地下水礦化度高的情況下，為盡快消除根系范圍內(nèi)的積鹽，應該加大渠管量使表層積鹽得到淋洗，并且適量抽排地下水。

因地制宜的制定灌排水方案，使地面水和地下水聯(lián)合調(diào)度運行、水資源達到合理利用、優(yōu)化配置，從而改造鹽堿土。

2.2 苜蓿耐鹽堿性與根際微環(huán)境

生物修復技術是利用植物與微生物的相互作用，提高植物的抗逆性，改善土壤微環(huán)境促進植物生長[61]。植物根際促生菌(Plant Growth Promoting Rhizobacteria，PGPR)是指能夠定殖在植物根際且有利于植物生長，提高作物產(chǎn)量品質(zhì)的有益菌[62]。植物根際促生菌可以通過產(chǎn)生植物激素(脫落酸、赤霉素、細胞分裂素和植物生長素)；產(chǎn)生1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)脫氨酶，降低生長中植物根部的乙烯水平；固氮、溶磷、解鉀、產(chǎn)生嗜鐵素和誘導植物對生物及非生物脅迫的系統(tǒng)抗性來促進植物生長[63-64]。劉佳莉[65]在鹽堿地中生長的植物根際篩選出4株含ACC脫氨酶的PGPR。這4株菌株(Serratiamarcescens、Acinetobacterbaumannii、Pseudomonasmediterranea、Pseudomonasfluorescens)通過降低鹽堿脅迫下乙烯的合成量來促進紫花苜蓿的生物量的積累、提高蛋白含量及磷素利用率降低纖維含量。鹽堿脅迫下接種PGPR后紫花苜蓿根系活力、葉綠素含量和抗氧化酶活性顯著提高，同時清除過量的超氧離子自由基等有害物質(zhì)，積累滲透保護物質(zhì)，提高耐鹽堿能力。向君亮[66]從草原鹽堿土壤中分離得到一株能夠產(chǎn)生植物激素 IAA和ACC脫氨酶功能的菌株堀越氏芽孢桿菌(Bacillushorikoshii)。苜蓿接種后發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別提高了15%和10%，緩解了鹽堿脅迫對苜蓿種子萌發(fā)的抑制作用。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)能夠與植物的根系共生形成菌根，顯著改善植物養(yǎng)分和水分的吸收，影響植物的生理代謝過程，增強植物的抗逆性[67]。在單鹽脅迫條件下接種AMF能夠調(diào)節(jié)紫花苜蓿的生理生長來增加植物的耐鹽性[68]。酚酸類物質(zhì)是植物生長過程中所產(chǎn)生的一類重要次生代謝產(chǎn)物，其可以通過增加植物細胞壁厚度[69]，以及調(diào)控抗氧化酶活性來增加植物的抗逆能力[70-72]。有研究表明接種AMF能夠促進宿主植物體內(nèi)酚酸含量的積累[73]。趙琦等[74]認為在混合鹽堿脅迫下，接種AMF能夠改變紫花苜蓿體內(nèi)酚酸的含量、積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，提高耐鹽堿性，促進植物生長。這些研究結果為研制復合菌肥，治理和利用鹽堿地奠定了理論基礎。

2.3 苜蓿耐鹽堿性與新品種選育

苜蓿中等的耐鹽堿能力，限制了紫花苜蓿的種植范圍，因此選育耐鹽堿能力更強的紫花苜蓿品種成為亟待解決的問題。常規(guī)育種目前仍然是選育抗鹽堿苜蓿新品種的主要方法。國外通過雜交手段培育出AZ-Germ SaltII、AZ-97MEC、AZ-97MEC-ST、ZS-9491、ZS9592等耐鹽堿紫花苜蓿品種[75]。中國農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所以保定紫花苜蓿(M.sativacv.Baoding)、秘魯苜蓿(M.sativacv.Peru)、南皮苜蓿(M.sativacv.Nanpi)、RS苜蓿(M.sativacv.RS)及細胞耐鹽篩選的植株為原材料，經(jīng)開放授粉和田間混合選擇4代培育出耐鹽堿新品種“中苜1號”，其產(chǎn)量在鹽堿含量為0.3%的鹽堿地上比一般栽培品種增加10%[76]。以“中苜1號”為親本材料，通過鹽堿地表型選擇、耐鹽性一般配合力的測定，經(jīng)過兩次輪回選擇和一次混合選擇，獲得耐鹽苜蓿新品系“中苜3號”。新品種在鹽堿地表現(xiàn)出較好的豐產(chǎn)性與適應性，在含鹽量為0.18%～0.39%的鹽堿地上，比對照品種“中苜1號”產(chǎn)量提高10%以上，干草粗蛋白含量達18%～20%[77]。60Co-γ輻射誘變育種是一種創(chuàng)造新品種和新種質(zhì)的重要手段[78]。γ射線照射可降低Na+在紫花苜蓿中的積累[79]，在臭氧協(xié)同脅迫時，鹽堿地紫花苜蓿相對產(chǎn)量增加42%[80]。黑龍江省畜牧研究所對親本二倍體扁蓿豆與四倍體紫花苜蓿進行輻射誘變處理，攻克了遠緣雜交關，采用集團選擇法選育，歷經(jīng)16年育成了“龍牧801”和“龍牧803”紫花苜蓿新品種。通過品種比較試驗、區(qū)域試驗和生產(chǎn)試驗結果表明該品種具有耐鹽抗寒高產(chǎn)的特點[81]。

由于選育周期長、費時費力限制了傳統(tǒng)雜交育種的發(fā)展。隨著分子生物學的發(fā)展，轉基因技術成為育種工作的重要手段。Deak等[82]首次報道了利用轉基因技術獲得抗性苜蓿植株。Webb等[83]利用農(nóng)桿菌介導法培育出轉基因紫花苜蓿。此后紫花苜蓿轉基因技術取得了很大進展，當前利用轉基因技術將優(yōu)良性狀導入紫花苜蓿以提高苜蓿耐鹽堿性已經(jīng)成為一種重要途徑[84]。陳冉冉等[85]利用農(nóng)桿菌介導的子葉節(jié)侵染法將從野生大豆中篩選出堿脅迫應答基因GsARHP轉化肇東苜蓿，轉基因株系在堿脅迫下長勢良好，質(zhì)膜透性和丙二醛含量低于非轉基因株系，葉綠素含量和CAT活性高于非轉基因株系，提高了苜蓿的耐堿性。植物谷胱甘肽S-轉移酶(GsT)能夠催化谷胱甘肽(GSH、γ-Glu-Cvs-Glv)與生物異源物或細胞過氧化物結合，以促進這些底物代謝、區(qū)域化隔離或將其徹底清除。王臻昱等[86]從野生大豆中篩選克隆得到GsGST19基因，轉化苜蓿后進行鹽堿脅迫。轉基因株系GsT酶活性是非轉基因的1.19～1.52倍，且長勢良好，質(zhì)膜透性和丙二醛含量顯著低于非轉基因株系，葉綠素含量和根系活力顯著高于非轉基因株系。Suarez等[87]將酵母海藻糖-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，分別以35S和rd29A啟動子驅動在紫花苜蓿中表達，轉基因株系耐鹽堿性顯著提高。Winicov等[88-89]將轉錄因子Alfin1導入紫花苜蓿中，超表達的Aflin1的愈傷組織可抵御171mmol/L的NaCl脅迫，增強MsPRP2的表達和苜蓿耐鹽性。

植物的耐鹽堿性是受多個基因協(xié)同控制的數(shù)量性狀，目前報道的只涉及單基因的轉化，且缺乏品種的區(qū)域性試驗。山東省林業(yè)科學研究院科研團隊利用農(nóng)桿菌介導技術將山菠菜(Atriplex hortensis)甜菜堿醛脫氫酶Ah-BADH的編碼基因導入中苜1號紫花苜蓿，T1代植株可抵御含量為0.8%～0.9%的NaCl脅迫，經(jīng)過對T3代轉基因植株的鑒定和篩選，通過自交、雜交選育出耐鹽堿的“山苜2號”，品種比較試驗、區(qū)域試驗和生產(chǎn)試驗表明山苜2號在不同鹽堿條件下植株抗逆性和產(chǎn)草量明顯高于中苜1號[90-91]。BADH在山苜2號中穩(wěn)定地遺傳和表達，使生物技術手段結合自交和雜交等常規(guī)育種方法培育耐鹽新品種成為一條有效且簡捷的途徑。

3 總結與展望

苜蓿通過調(diào)節(jié)生理代謝改變組織結構等自身特點以適應鹽堿環(huán)境，其耐鹽堿性存在閾值，通過選育耐鹽堿品種，優(yōu)化農(nóng)藝措施，以保障紫花苜蓿的生長發(fā)育。紫花苜蓿的抗鹽堿性是由其體內(nèi)抗鹽堿基因的表達、耐鹽堿代謝途徑及其與其他多種代謝途徑綜合作用的復雜過程。目前對紫花苜蓿的耐鹽堿機制仍不完全清楚，是限制獲得耐鹽堿性強的新品種的主要障礙。在今后苜蓿耐鹽堿研究工作中，需要整合植物遺傳育種學、植物生理生化和分子生物學等領域研究方法，對進一步明確苜蓿的耐鹽堿機制，最大限度地挖掘苜蓿的生物學潛力，培育更多抗鹽堿性強、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)苜蓿品種和制定相關栽培措施具有重要作用。