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摘要:豆科牧草是草地生态系统中重要的组成部分,是畜牧业蛋白质的重要来源之一,同时具有改善土壤及防止水土流失等生物学特征。文章综述了国内外豆科牧草抗旱性鉴定方法与鉴定指标相关研究进展,并提出了今后的研究建议。
关键词:豆科牧草;抗旱性;鉴定方法;鉴定指标
中图分类号:S54文献标识码:A
文章编号:1674-0432(2010)-05-0047-2
近些年来,由于全世界人口的大幅增长和社会经济的快速发展,全球CO2、CH4等气体的排放量日益增加,引起全球气候发生显著的变化,全球气候变暖导致全球气候干旱的趋势进一步延续。据统计,世界范围内由于干旱缺水造成的农业和社会损失相当于其它各种自然灾害所造成损失的总和。而我国又是水资源相对比较贫乏的国家,人均水资源的占有率甚至还达不到世界平均水平的1/4,居于世界第109位。严重的水分亏缺已经成为制约我国各地区农牧业和社会经济可持续发展的重大因素。因此,通过认识作物对干旱的反应,研究作物抵抗干旱的生理机制,培育优良的抗旱品种是我国农业生产的当务之急。
豆科牧草是我国东北农牧交错带草地畜牧业发展的粗蛋白重要来源之一,不仅能提供较高的蛋白质营养,还可以通过根瘤菌固定大气中的氮,将其转化为草地生态系统中的氮素营养,同时又可以培肥地力、改良土壤。在密集型畜牧业区域,即使动物饲料主要来源于农作物,但在维持牲畜健康方面,豆科牧草的作用仍无法取代。现今国内外对豆科牧草的研究十分重视,随着人们对干旱问题的进一步重视,国内外专家学者就豆科牧草抗旱性做了大量研究,并且取得了一系列重要成果。本文结合国内外豆科牧草抗旱性相关研究,对豆科牧草抗旱性鉴定方法以及鉴定指标研究进展进行阐述。
一、豆科牧草抗旱性鉴定方法
目前豆科牧草抗旱性鉴定的研究方法有很多,但大体可以分为四种,即田间直接鉴定法、人工控制干旱胁迫鉴定法、实验室高渗溶液鉴定法和分子生物学方法。我们在选择抗旱性鉴定方法时,应根据实际条件选择可靠实用而又简单易行的方法。
(一)田间直接鉴定法
将需鉴定品种直接种植于田间,利用自然干旱条件造成水分胁迫,从而使其使生长发育受到影响,使用人工灌溉作对照,主要根据产量指标(种子产量、干草产量)和形态学指标(植株生长速度、萎蔫状况、死亡率、存活率、根系生长状况等)评价抗旱性。梁成第等应用此方法鉴定了902份大豆品种的抗旱性。
田间直接鉴定方法优点在于简单易行,所获结果在当地条件下比较可靠,并且在进行大规模的鉴定时十分有效。但是其缺点是受环境条件影响大、所需时间长、工作量大、速度慢并且每年结果可比性差难以重复,因此需要在多点和多年份进行重复鉴定以提高试验的准确性和可靠性。
(二)人工控制干旱胁迫鉴定法
将需鉴定品种种植于人工控制水分的干旱棚、花盆、生长箱、抗旱池或人工气候箱内,研究水分胁迫对其产量、生理过程和生长发育方面的影响,或者以田间土壤自然干旱条件为对照,比较其各类指标的变化对作物进行抗旱性评价。主要方法有反复干旱法和连续干旱法。
人工控制干旱胁迫法优点是便于控制土壤的水分含量,同时可以控制空气湿度来施加干旱胁迫。因此人工控制干旱胁迫法较田间直接鉴定法更为精确,鉴定结果更便于对比,也比较可靠。但是人工控制干旱胁迫法资源消耗量大,需要一定的设备所以无法进行大规模的鉴定。同时,因为试验环境与自然环境有一定差异,所以有可能带来试验误差。
(三)实验室高渗溶液鉴定法
实验室高渗溶液鉴定法指的是在实验室内通过使用如聚乙二醇(PEG)、葡萄糖、蔗糖或甘露醇等高渗溶液造成植物生理干旱达到模拟干旱效果。通过观察其对种子萌发和幼苗生长发育的影响,鉴定品种苗期的抗旱性。郝建辉曾使用实验室高渗溶液鉴定法对扁蓿豆进行了苗期抗旱性鉴定。
实验室高渗溶液鉴定法优点是周期短,简单易行,只要种子质量有保证,可以做为大批量的筛选方法。但是此方法仍存在争议,有部分研究者认为,高渗溶液中的种子发芽率不能代表苗期的抗旱性。
(四)分子生物学方法
近年来部分专家学者提出,直接找出标记基因,用这种基因的表达形式确定抗旱指标。程星以百脉根为实验材料,用根癌农杆菌介导的方法成功地将AVP1基因转入百脉根,对得到的8株抗性植株进行PCR检测,并对转基因植株的耐盐性和抗旱性进行检测。该研究表明,过量表达AVP1可明显增强转基因植株的耐盐性和抗旱性。分子生物学方法目前尚处于研究阶段,并且成本较高。但随着分子生物学的发展,不久的将来应用分子标记技术建立植物抗旱性综合评价体系必将取得突破。
二、豆科牧草抗旱性评价指标
对豆科牧草抗旱性评价指标的研究,前人已经做了大量工作,研究发现了多种抗旱相关指标,但真正简便、实用,而又准确可靠的指标却屈指可数。本文结合周正贵对白三叶苗期抗旱性的研究以及郭正刚等对紫花苜蓿干旱适应性的研究等,将它们归为形态指标、生长发育指标、生理生化指标、产量指标和分子生物学指标五类。
(一)形态指标
抗旱形态指标主要包括株高、根系状况和叶子特征,其中度量根系状况的指标有根重、根径、根长、根数、根伸展速率和根冠比等。而叶子的特征则分为,叶片厚度、叶片大小、蜡被、绒毛、气孔频率、栅栏组织/海绵组织比值等。抗旱形态指标是广大育种工作者通过长期的育种实践工作所积累总结出来的。该指标测定程序简单,测定结果直观可靠。
(二)生长发育指标
生长发育指标包括生长速率、幼苗干重、干物质积累速率和叶片扩展速率等,这些指标受干旱胁迫的影响明显,使用这些指标来评价品种的抗旱性较为直观、可靠。植物在不同的生长发育阶段,对干旱的适应能力有明显的差异,同时干旱胁迫对植物的生长发育也必然产生影响,因此植物的生长发育指标在植物抗旱性的研究中具有相当高的使用频率。
(三)生理生化指标
在干旱胁迫条件下,任何植物的生理代谢活动和生长发育进程都会受到影响。为了抵抗干旱环境植物在形态结构上和内部生理代谢活动中都会产生适应性调整。生理生化指标针对的就是植物内部生理代谢活动在干旱胁迫下的适应性调整。其中光合作用、蒸腾作用、水分饱和亏缺(WSD)、叶水势、相对含水量(RWC)、相对组织含水量、自由水与束缚水、叶片离体失水速度、质膜渗透伤害率、脱落酸(ABA)含量、游离脯氨酸含量和保护酶系等指标国内外专家学者做了大量的研究。
(四)产量性状指标
产量表现是传统抗旱育种用来判定植物品种或品系抗旱性的经典指标。Chionoy(1962)提出了抗旱系数(旱地产量/水地产量),曾被许多研究者作为评价植物抗旱性的产量指标,但是该指标有一定局限性,难以为育种工作者提供选择高产抗旱品种的依据。兰巨生于1990年提出了“抗旱指数”DI概念,对抗旱系数做出了改进。现在普遍认为DI能更有效的估计植物对干旱的适应性。其表达式如下:
式中DI表示抗旱指数,MD表示某品种在旱地实验中的平均产量,MW表示某品种在水地试验中的品均产量,MΣMD表示所有供试品种旱地品均产量。
(五)分子生物学指标
近些年来,随着分子生物学技术的发展,抗旱研究己进入分子水平。有学者已经应用限制性片段长度多态性(RFLP)技术对抗旱基因及其相关基因,建立起RFLP遗传连锁图。国内豆科牧草抗旱性分子生物学方面的相关研究也取得了一定成果,米福贵等对冰草、苜蓿、高羊茅三种牧草进行了抗旱、耐盐基因工程育种。
四、结语
近些年来,对豆科牧草抗旱性方面的研究在许多方面取得了突破性进展,为干旱半干旱地区的农林业生产做出了重要的贡献。但这些研究还具有一定的局限性,如某些生理或生化指标,只在某一时间范围内起着有限的作用,用这些具有时间限制的指标来进行耐旱性评价是难以反映其真实情况的,甚至忽略某些最关键的问题。各研究中对各种生理变化之间的内在联系研究的还不够深入,还不能确定起主导作用的变化过程是什么,哪种生理反应最先开始,并由这些反应导致了其他的生理变化。综上所述,建议今后应从以下几方面入手:
第一建立综合的抗旱性评价体系,加强抗旱性指标的筛选,为豆科牧草及其他作物的抗旱性研究提供可靠的理论依据。
第二从分子水平结合最新的分子生物学技术对豆科牧草抗旱性进一步深化研究,揭示其抗旱分子机制,阐明其物质基础及其生理功能,为培育抗旱性强的豆科牧草优良品种提供重要参考依据。
第三从生物工程方面入手,加强豆科牧草相关抗旱基因的研究,通过基因重组,应用常规育种与遗传工程相结合的方法培育优良的豆科牧草抗旱品种。
第四大力发展抗旱性强的豆科牧草尤其是野生抗旱豆科牧草的引种驯化力度,为地方性的豆科牧草抗旱性研究和利用提供重要的种质资源。
参考文献
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[13]程星.AVP1基因转化百脉根及其转基因植株的耐盐抗旱性研究[D].兰州大学,2009.
[14]周正贵.白三叶草苗期土壤干旱胁迫生理生化特性研究[D].西南大学,2008.
[15]郭正刚,张自和,王锁民,田福平.不同紫花苜蓿品种在黄土高原丘陵区适应性的研究[J].草叶学报,2003,12(4):45-50.
[16]徐蕊.玉米抗旱性评价指标体系及遗传研究[D].山东农业大学,2008.
[17]兰巨生.作物抗旱指数的概念和统计方法[J].华北农学报,1990,5(2):20-25.
[18]赵丽丽.扁蓿豆不同品系的特性研究[D].内蒙古农业大学,2009.
[19]米福贵,李聪,卢兴石,夏光敏,王涛,云锦凤,陈受宜,马慧玲,向凤宁,张万军,霍秀文.冰草、苜蓿、高羊茅抗旱、耐盐基因工程育种[Z].国家科技成果.
作者简介:周连城(1983-),男,湖南长沙人,湖南农业大学在读硕士研究生;黄璜(1958-),男,湖南益阳人,湖南农业大学农学院教授,博士,博士生导师。
关键词:豆科牧草;抗旱性;鉴定方法;鉴定指标
中图分类号:S54文献标识码:A
文章编号:1674-0432(2010)-05-0047-2
近些年来,由于全世界人口的大幅增长和社会经济的快速发展,全球CO2、CH4等气体的排放量日益增加,引起全球气候发生显著的变化,全球气候变暖导致全球气候干旱的趋势进一步延续。据统计,世界范围内由于干旱缺水造成的农业和社会损失相当于其它各种自然灾害所造成损失的总和。而我国又是水资源相对比较贫乏的国家,人均水资源的占有率甚至还达不到世界平均水平的1/4,居于世界第109位。严重的水分亏缺已经成为制约我国各地区农牧业和社会经济可持续发展的重大因素。因此,通过认识作物对干旱的反应,研究作物抵抗干旱的生理机制,培育优良的抗旱品种是我国农业生产的当务之急。
豆科牧草是我国东北农牧交错带草地畜牧业发展的粗蛋白重要来源之一,不仅能提供较高的蛋白质营养,还可以通过根瘤菌固定大气中的氮,将其转化为草地生态系统中的氮素营养,同时又可以培肥地力、改良土壤。在密集型畜牧业区域,即使动物饲料主要来源于农作物,但在维持牲畜健康方面,豆科牧草的作用仍无法取代。现今国内外对豆科牧草的研究十分重视,随着人们对干旱问题的进一步重视,国内外专家学者就豆科牧草抗旱性做了大量研究,并且取得了一系列重要成果。本文结合国内外豆科牧草抗旱性相关研究,对豆科牧草抗旱性鉴定方法以及鉴定指标研究进展进行阐述。
一、豆科牧草抗旱性鉴定方法
目前豆科牧草抗旱性鉴定的研究方法有很多,但大体可以分为四种,即田间直接鉴定法、人工控制干旱胁迫鉴定法、实验室高渗溶液鉴定法和分子生物学方法。我们在选择抗旱性鉴定方法时,应根据实际条件选择可靠实用而又简单易行的方法。
(一)田间直接鉴定法
将需鉴定品种直接种植于田间,利用自然干旱条件造成水分胁迫,从而使其使生长发育受到影响,使用人工灌溉作对照,主要根据产量指标(种子产量、干草产量)和形态学指标(植株生长速度、萎蔫状况、死亡率、存活率、根系生长状况等)评价抗旱性。梁成第等应用此方法鉴定了902份大豆品种的抗旱性。
田间直接鉴定方法优点在于简单易行,所获结果在当地条件下比较可靠,并且在进行大规模的鉴定时十分有效。但是其缺点是受环境条件影响大、所需时间长、工作量大、速度慢并且每年结果可比性差难以重复,因此需要在多点和多年份进行重复鉴定以提高试验的准确性和可靠性。
(二)人工控制干旱胁迫鉴定法
将需鉴定品种种植于人工控制水分的干旱棚、花盆、生长箱、抗旱池或人工气候箱内,研究水分胁迫对其产量、生理过程和生长发育方面的影响,或者以田间土壤自然干旱条件为对照,比较其各类指标的变化对作物进行抗旱性评价。主要方法有反复干旱法和连续干旱法。
人工控制干旱胁迫法优点是便于控制土壤的水分含量,同时可以控制空气湿度来施加干旱胁迫。因此人工控制干旱胁迫法较田间直接鉴定法更为精确,鉴定结果更便于对比,也比较可靠。但是人工控制干旱胁迫法资源消耗量大,需要一定的设备所以无法进行大规模的鉴定。同时,因为试验环境与自然环境有一定差异,所以有可能带来试验误差。
(三)实验室高渗溶液鉴定法
实验室高渗溶液鉴定法指的是在实验室内通过使用如聚乙二醇(PEG)、葡萄糖、蔗糖或甘露醇等高渗溶液造成植物生理干旱达到模拟干旱效果。通过观察其对种子萌发和幼苗生长发育的影响,鉴定品种苗期的抗旱性。郝建辉曾使用实验室高渗溶液鉴定法对扁蓿豆进行了苗期抗旱性鉴定。
实验室高渗溶液鉴定法优点是周期短,简单易行,只要种子质量有保证,可以做为大批量的筛选方法。但是此方法仍存在争议,有部分研究者认为,高渗溶液中的种子发芽率不能代表苗期的抗旱性。
(四)分子生物学方法
近年来部分专家学者提出,直接找出标记基因,用这种基因的表达形式确定抗旱指标。程星以百脉根为实验材料,用根癌农杆菌介导的方法成功地将AVP1基因转入百脉根,对得到的8株抗性植株进行PCR检测,并对转基因植株的耐盐性和抗旱性进行检测。该研究表明,过量表达AVP1可明显增强转基因植株的耐盐性和抗旱性。分子生物学方法目前尚处于研究阶段,并且成本较高。但随着分子生物学的发展,不久的将来应用分子标记技术建立植物抗旱性综合评价体系必将取得突破。
二、豆科牧草抗旱性评价指标
对豆科牧草抗旱性评价指标的研究,前人已经做了大量工作,研究发现了多种抗旱相关指标,但真正简便、实用,而又准确可靠的指标却屈指可数。本文结合周正贵对白三叶苗期抗旱性的研究以及郭正刚等对紫花苜蓿干旱适应性的研究等,将它们归为形态指标、生长发育指标、生理生化指标、产量指标和分子生物学指标五类。
(一)形态指标
抗旱形态指标主要包括株高、根系状况和叶子特征,其中度量根系状况的指标有根重、根径、根长、根数、根伸展速率和根冠比等。而叶子的特征则分为,叶片厚度、叶片大小、蜡被、绒毛、气孔频率、栅栏组织/海绵组织比值等。抗旱形态指标是广大育种工作者通过长期的育种实践工作所积累总结出来的。该指标测定程序简单,测定结果直观可靠。
(二)生长发育指标
生长发育指标包括生长速率、幼苗干重、干物质积累速率和叶片扩展速率等,这些指标受干旱胁迫的影响明显,使用这些指标来评价品种的抗旱性较为直观、可靠。植物在不同的生长发育阶段,对干旱的适应能力有明显的差异,同时干旱胁迫对植物的生长发育也必然产生影响,因此植物的生长发育指标在植物抗旱性的研究中具有相当高的使用频率。
(三)生理生化指标
在干旱胁迫条件下,任何植物的生理代谢活动和生长发育进程都会受到影响。为了抵抗干旱环境植物在形态结构上和内部生理代谢活动中都会产生适应性调整。生理生化指标针对的就是植物内部生理代谢活动在干旱胁迫下的适应性调整。其中光合作用、蒸腾作用、水分饱和亏缺(WSD)、叶水势、相对含水量(RWC)、相对组织含水量、自由水与束缚水、叶片离体失水速度、质膜渗透伤害率、脱落酸(ABA)含量、游离脯氨酸含量和保护酶系等指标国内外专家学者做了大量的研究。
(四)产量性状指标
产量表现是传统抗旱育种用来判定植物品种或品系抗旱性的经典指标。Chionoy(1962)提出了抗旱系数(旱地产量/水地产量),曾被许多研究者作为评价植物抗旱性的产量指标,但是该指标有一定局限性,难以为育种工作者提供选择高产抗旱品种的依据。兰巨生于1990年提出了“抗旱指数”DI概念,对抗旱系数做出了改进。现在普遍认为DI能更有效的估计植物对干旱的适应性。其表达式如下:
式中DI表示抗旱指数,MD表示某品种在旱地实验中的平均产量,MW表示某品种在水地试验中的品均产量,MΣMD表示所有供试品种旱地品均产量。
(五)分子生物学指标
近些年来,随着分子生物学技术的发展,抗旱研究己进入分子水平。有学者已经应用限制性片段长度多态性(RFLP)技术对抗旱基因及其相关基因,建立起RFLP遗传连锁图。国内豆科牧草抗旱性分子生物学方面的相关研究也取得了一定成果,米福贵等对冰草、苜蓿、高羊茅三种牧草进行了抗旱、耐盐基因工程育种。
四、结语
近些年来,对豆科牧草抗旱性方面的研究在许多方面取得了突破性进展,为干旱半干旱地区的农林业生产做出了重要的贡献。但这些研究还具有一定的局限性,如某些生理或生化指标,只在某一时间范围内起着有限的作用,用这些具有时间限制的指标来进行耐旱性评价是难以反映其真实情况的,甚至忽略某些最关键的问题。各研究中对各种生理变化之间的内在联系研究的还不够深入,还不能确定起主导作用的变化过程是什么,哪种生理反应最先开始,并由这些反应导致了其他的生理变化。综上所述,建议今后应从以下几方面入手:
第一建立综合的抗旱性评价体系,加强抗旱性指标的筛选,为豆科牧草及其他作物的抗旱性研究提供可靠的理论依据。
第二从分子水平结合最新的分子生物学技术对豆科牧草抗旱性进一步深化研究,揭示其抗旱分子机制,阐明其物质基础及其生理功能,为培育抗旱性强的豆科牧草优良品种提供重要参考依据。
第三从生物工程方面入手,加强豆科牧草相关抗旱基因的研究,通过基因重组,应用常规育种与遗传工程相结合的方法培育优良的豆科牧草抗旱品种。
第四大力发展抗旱性强的豆科牧草尤其是野生抗旱豆科牧草的引种驯化力度,为地方性的豆科牧草抗旱性研究和利用提供重要的种质资源。
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[9]穆春生,王靖,李晓宇.松嫩草地主要豆科牧草种子萌发期耐旱性差异研究[J].中国草地,2006,28(1):7-12.
[10]梁成第.大豆抗旱性的鉴定方法[J].中国油料.1990(1):34-37.
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[13]程星.AVP1基因转化百脉根及其转基因植株的耐盐抗旱性研究[D].兰州大学,2009.
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作者简介:周连城(1983-),男,湖南长沙人,湖南农业大学在读硕士研究生;黄璜(1958-),男,湖南益阳人,湖南农业大学农学院教授,博士,博士生导师。