紫花苜蓿耐寒越冬性研究进展

收稿日期:2007-10-17;修回日期:2007-12-18

基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(中国农业科学院草原研究所)资助项目

作者简介:任卫波(1979-),男,山西晋城人,助理研究员,博士,2007年毕业于中国农业大学草业科学系,从事牧草种质资源与育种,已发表论文10余篇

文章编号:1673-5021(2008)02-0104-05

紫花苜蓿耐寒越冬性研究进展

任卫波1,陈立波1,郭慧琴2,徐 柱1,解继红1

(1 中国农科院草原所,内蒙古 呼和浩特 010010;2 内蒙古农业大学,内蒙古 呼和浩特 010018)摘要:从形态结构、生理生化、基因表达3个层次对苜蓿耐寒及其越冬性相关研究进展进行简要回顾,对提高苜蓿越冬能力的具体措施进行了总结,讨论了当前研究的不足,并对未来的研究热点进行了展望。

关键词:紫花苜蓿;耐寒;越冬

中图分类号:S541 文献标识码:A

紫花苜蓿(M edicag o sativ a L )是重要的多年生豆科牧草之一,因其具有较高的生态价值和经济价值,被冠以 牧草之王 的美誉。在高纬度寒冷地区,低温、干旱等逆境胁迫导致苜蓿减产,甚至不能安全越冬,从而影响苜蓿的分布和生产。因此,开展苜蓿抗寒相关研究、提高苜蓿安全越冬能力,是紫花苜蓿研究的热点问题之一。

1 寒害与冷害及其与越冬性的关系

冷害是指当温度低于12 而高于0 时,植物因低温而产生的直接损伤乃至致死;寒害是指温度低于0 时,植物细胞因结冰等因素造成间接损伤乃至致死。对低温胁迫的响应分为三类:(1)冷敏感性:当温度低于12 时,植株就受到损伤;(2)耐冷敏寒性:植株能在12 下积累抗性,但不能在0 以下存活;(3)耐寒性:植株能在0 以下存活。冷害与寒害的损伤机理有本质的区别。冷害损伤主要是直接由低温造成的,寒害损伤主要是由于细胞内结冰导致的间接损伤[1]。影响苜蓿越冬能力的因素主要包括:当年的秋冬季的环境胁迫(包括冷害、寒害、干燥、因冰封导致根部严重缺氧等)和来年春季返青的环境胁迫(包括干旱、气温剧变造成的冷害等)。这些胁迫的组成与程度因地点与年度而异。苜蓿越冬性研究就是为了将冻害和寒害的影响降低到最低限度,提高苜蓿越冬成活率和产量。

2 苜蓿对冬季逆境胁迫的适应

2 1 逆境胁迫对苜蓿植株形态结构的影响及其适应2 1 1 叶

叶片形态结构与苜蓿植株的抗寒性有一定关系。其中叶宽长比小即叶片窄长、气孔密度大、叶片

组织密度大、疏松度小、叶脉突起度大的植株比较抗寒[2]。叶片的解剖结构在低温下也发生变化,Jan -icke 等(1989)研究发现随着温度的降低,苜蓿叶片气孔导度下降。关于叶形与耐寒性还有一定争议[3]。Campbell 等(1991)在对二倍体苜蓿研究中发现,叶形与苜蓿耐寒性不存在相关性

[4]

。

2 1 2 根

苜蓿根系具有四种类型:直根型、分枝型、根茎型和根蘖型。分枝型和根茎型根的苜蓿具有更新能力,当母株主根冻死后,还可产生新的根,因此比单主根具有更强的耐寒能力[5,6]。根蘖型苜蓿具有大量的水平侧根,因此抗寒越冬能力强于直根型苜蓿。但是,关于根蘖型苜蓿与直根型苜蓿耐寒性差异仍有争议。根蘖型苜蓿在有些区域的耐寒性与直根型苜蓿没有显著差异[7]。除此之外,根茎和根越粗,苜蓿耐寒性越强[8]。

2 2 逆境胁迫对苜蓿生理生化活动的影响及其适应

2 2 1 生化水平

2 2 1 1 超氧化物歧化酶

当苜蓿植株受到低温胁迫时,活性氧分子在细胞内大量累积。过多的活性氧分子会使膜脂过氧化、脱脂化、磷脂游离、细胞膜结构破坏,最终导致细胞功能的丧失。SOD 、POD 等同工酶能够抑制过氧

第30卷 第2期 中 国 草 地 学 报 2008年3月 Vo l 30 No 2 Chinese Journal o f Gr assland M ar 2008

化,减轻活性氧的伤害。研究表明,当温度降低时,苜蓿植株叶片的Cu,Zn-SOD酶活性呈先升高后降低的趋势。这说明在低温胁迫初期,SOD活性增加,通过消除冷胁迫产生的活性氧和氧自由基,对幼苗进行保护;当植株经过抗寒锻炼,获得耐寒能力后,SOD酶活性逐渐下降。在抗寒锻炼过程中起保护作用[9]。

2 2 1 2 储藏蛋白

从9月初到10月中旬,根储藏蛋白(Vegetative storag e pro teins)的浓度和总量显著增加,此后伴随着编码VSPs的转录子的消失,VSPs的含量基本保持不变,其它的可溶性蛋白则持续增加直到秋末冬初,占到根储藏蛋白总量的60%[10]。苜蓿秋天过早的落叶降低了VSPs的累积。这些化合物的含量如脯氨酸、精氨酸、组氨酸和根储藏蛋白与来年苜蓿春季返青生长有显著的正相关,但是与越冬率没有显著关联。苜蓿越冬率主要与根内保护性糖含量呈显著正相关[10]。Ferullo等(1997)研究发现,苜蓿抗寒性差可能是因缺乏富含甘氨酸的蛋白质如M SA-CIA和MSACIB在细胞内的累积造成的[11]。

2 2 1

3 根内可溶性糖

苜蓿根及根颈中可溶性糖的积累(尤其是低聚糖)与其抗寒及越冬性有着显著的正相关[12,13]。冬季冰封造成苜蓿根部高度缺氧,这些缺氧环境降低了苜蓿根内可溶性糖(蔗醣、果糖、葡萄糖和果聚糖)的累积,降低了3-磷酸甘油醛脱氢酶的活性,从而影响了越冬和来年春季返青[14]。

2 2 1 4 脱落酸(ABA)

单一使用ABA胁迫可以在一定程度上提高耐寒性,但是要最大限度提高耐寒性,必须进行冷适应性诱导。ABA处理会导致蛋白合成模式改变,部分改变与冷适应诱导相一致,冷适应诱导是ABA独有的[15]。

2 2 1 5 脯氨酸

在低温胁迫下,肇东苜蓿植株体内游离脯氨酸含量积累,并随着低温处理时间的延长而增加[16]。

2 2 2 生理水平

2 2 2 1 钙离子的流动

当温度从25 降到15 时,细胞内的钙离子浓度没有显著变化。当温度进一步从15 降低时,钙离子流入开始显著。当温度降低到4 时,钙离子的流入是25 时的15倍。添加钙螯合剂,抑制细胞外的钙离子流入胞质,同时也抑制了冷诱导基因CAS(Cold-acclimatio n-specific)的表达。反之,添加钙离子载体将促进胞外钙离子的流动,加强CAS基因的表达。进一步分析表明,在4 低温下细胞骨架结构发生重组,细胞膜脂成分发生变化,不饱和脂肪酸含量增加,胞膜的流动性降低,透性增强,Ca离子流入细胞质内,传递冷胁迫信息,导致低温响应基因Cas30的表达[17]。设想的冷胁迫响应过程:温度降低到15 以下 细胞膜流动性降低 细胞膜钙离子通道激活 细胞壁钙离子流入胞质 冷响应蛋白激酶磷酸化酶激活 冷响应蛋白磷酸化 冷响应基因表达增强 抗寒能力增加[18,19]。国内也有类似的报道。用50m mol/L的CaCl2浸泡图牧吉和公农1号苜蓿种子,处理后两个品种幼苗的抗寒性都显著提高,进一步分析表明,两个品种的苜蓿植株的SOD、POD等酶活性及脯氨酸含量也提高[20]。

2 2 2 2 光合作用

在低温下,苜蓿叶片的最大净光合速率和叶绿素含量均降低,而且光照大于黑暗,其原因可能是低温下光照加剧叶绿素的降解和细胞膜系统的损伤,从而加剧光合电子传递的抑制和光合速率的降低[21]。

2 3 逆境胁迫对苜蓿基因表达的影响及其适应

2 3 1 cDNA筛选

为了寻找与冷胁迫响应相关的基因,研究它们在冷胁迫条件下在不同基因型的紫花苜蓿中的表达情况,Ivashuta等(2002)对1036个cDNA克隆进行了筛选。通过筛选,获得在耐寒和不耐寒苜蓿品种中表达显著差异的cDNA。这些差异表达cDNA是一些携带有长末端重复序列(LT R)的非编码重复因子[22]。进一步分析表明,这些cDNA可能代表某个假想的反转录转座子家族,这些转座子在低温诱导下可以激活表达;可是,这些转座子的激活并不依赖基因型[22]。Mo hapatra等(1989)以黄花苜蓿耐寒品种Anik的幼苗为材料,构建其cDNA文库,对冷胁迫特异诱导表达基因进行了筛选。结果发现,3个cDNA克隆pSM784,pSM2201和pSM2358的转录表达水平仅与苜蓿植株耐寒性呈显著正相关,即抗寒性越强转录表达水平越高[23]。

2 3 2 冷诱导基因

随着秋季落叶,冷诱导基因msaCIA(编码一种富含甘氨酸蛋白)转录水平在不耐寒苜蓿品种 WL225 显著降低,但是在耐寒品种 AC Caribou

任卫波 陈立波 郭慧琴 徐 柱 解继红 紫花苜蓿耐寒越冬性研究进展