牧草抗旱性研究进展

由于全球气候变暖和水资源短缺加剧,干旱限制我国牧草生产的问题日渐突出。分析研究牧草对干旱胁迫的响应,对全面开展牧草资源抗逆性评价、推进优良牧草育种和畜牧业可持续发展具有重要意义。近年来,牧草等栽培植物对干旱胁迫的响应研究已成为国内外的研究热点之一。本文简要综述了干旱胁迫对牧草形态结构和相关生理的影响研究进展,着重对抗旱渗透调节、光合特征和保护酶活性进行综述,以期为旱作草牧业研究和实践提供参考。     

低温和干旱胁迫下牧草的抗逆性机制

低温和干旱是限制牧草生长发育和产量的两个非生物胁迫因子。掌握牧草抗逆性机制,选育具有强抗寒性和抗旱性的牧草是寒旱地区草牧业高质量发展和退化草地生态系统恢复的重要基础。在形态学层面,低温和干旱胁迫条件下牧草会形成多种抗逆性形态结构,这些结构的变化能很好地反映牧草对逆境的响应和适应能力。在生理生化层面,牧草通过调节超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、游离脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质、脱落酸、乙烯、赤霉素和细胞分裂素等的响应,以适应低温和干旱胁迫。在分子水平层面,牧草通过信号转导、应答和抵御基因的表达等综合作用,以适应寒旱胁迫。总之,本研究从牧草形态学、生理生化和分子水平三个层面综述了牧草对低温和干旱胁迫的响应和适应机制,以期为全面认识牧草抗逆机制提供重要参考。     

内源脱落酸生理作用机制及其与苜蓿耐旱性关系研究进展

随着全球气候的恶化,水资源短缺等生态问题日益严重。在这样的背景下,作物的耐旱性研究成为人们研究的热点之一。脱落酸(ABA)作为胁迫激素,在植物干旱胁迫响应中发挥着重要而广泛的作用。植物细胞中,ABA通过2-甲基-D-赤藓糖-4-磷酸(2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate, MEP)途径合成,并最终与相应的受体结合并通过一系列的信号转导控制气孔关闭,或者通过其他通路调节胁迫相关的基因表达。紫花苜蓿是栽培广泛且品质优良的豆科牧草,干旱胁迫下苜蓿中脱落酸(ABA)会发生积累;同时,ABA水平的升高与苜蓿主根贮藏蛋白动态、基因表达以及一些渗透调节物质的积累密切相关。ABA与苜蓿耐旱性关系的研究正在逐渐深入,这些研究将深化人们对苜蓿耐旱机理的认识,并对苜蓿的育种具有深远影响。     

苜蓿抗旱生理与分子机制

苜蓿(Medicago sativa)是我国乃至全世界最优质的豆科牧草之一,具有较高的经济价值、营养价值和生态价值。然而我国的苜蓿种植大多集中在干旱半干旱的西北、东北一带,水分是影响其产量的主要因素。本文通过对比光合呼吸系统、活性氧防御系统、渗透调节系统、脱落酸等在干旱胁迫下的变化分析了苜蓿抵御干旱胁迫的生理机制,同时对转录因子、蛋白酶基因和抗旱基因在苜蓿干旱胁迫下的应答过程进行了阐述,并对未来苜蓿应答干旱胁迫的研究重点进行了展望。     

3种优势牧草在不同生育期对干旱胁迫的响应

选择松嫩草地上的3种优势牧草羊草(Leymus chinensis)、碱蒿(Artemisia anethifolia)和全叶马兰(Kalimeris integrifolia)?,通过野外干旱胁迫试验、定点实时观测和隶属函数法,研究3种优势牧草在不同生育期内对不同等级干旱胁迫的响应,探究不同等级干旱胁迫对牧草在不同生育期内形态特性的影响及其抗旱能力.结果表明:在牧草同一生育期内,随干旱胁迫程度加剧,株高、叶长、叶绿素含量和产量受到的影响越大,在特旱程度下,3种牧草生长受干旱胁迫影响最严重;同一干旱胁迫处理下,随着生育期推移,株高、叶长、叶绿素含量和产量受干旱胁迫的影响总体呈减少趋势.3种牧草在其生育期内的抗旱性呈现出一定的规律性,羊草在开花期抗旱能力最强,其次是在返青期;全叶马兰在开花期抗旱能力最强,其次是在返青期,在抽穗期最差;碱蒿在开花期抗旱能力最强,其次是在抽穗期,在返青期最差.本研究结果对松嫩草地3种优势草种在不同生育期内遭受不同程度干旱胁迫时采取不同应急方案具有指导作用,也为培育优良耐旱草种及草地生态系统可持续发展提供了一定的参考.     

代谢组学在牧草与草坪草抗逆性中的研究进展

牧草和草坪草的生长和发育常常面临着严重的盐碱、干旱、高温等非生物胁迫的影响。代谢组学是功能基因组学和系统生物学研究的重要技术，它涉及不同物种的细胞调控过程中代谢物的识别和定量，能够在代谢水平上有效地筛选与植物产量和抗逆性等相关的重要代谢物。目前随着色谱和质谱等技术的发展，牧草和草坪草对胁迫响应的代谢组研究也取得了许多重大进步。本文总结了近5年来代谢组学在牧草与草坪草抗逆性研究中的进展，详细描述和讨论了在水分、温度、盐分等非生物胁迫下草类植物中重要响应代谢物的鉴定以及不同代谢通路的调节与变化过程，以期为牧草和草坪草抗逆性研究及认识其内在逆境适应机制提供理论基础。     

3种优势牧草在不同生育期对干旱胁迫的响应

选择松嫩草地上的3种优势牧草羊草(Leymus chinensis)、碱蒿(Artemisia anethifolia)和全叶马兰(Kalimeris integrifolia) ，通过野外干旱胁迫试验、定点实时观测和隶属函数法，研究3种优势牧草在不同生育期内对不同等级干旱胁迫的响应，探究不同等级干旱胁迫对牧草在不同生育期内形态特性的影响及其抗旱能力。结果表明：在牧草同一生育期内，随干旱胁迫程度加剧，株高、叶长、叶绿素含量和产量受到的影响越大，在特旱程度下，3种牧草生长受干旱胁迫影响最严重；同一干旱胁迫处理下，随着生育期推移，株高、叶长、叶绿素含量和产量受干旱胁迫的影响总体呈减少趋势。3种牧草在其生育期内的抗旱性呈现出一定的规律性，羊草在开花期抗旱能力最强，其次是在返青期；全叶马兰在开花期抗旱能力最强，其次是在返青期，在抽穗期最差；碱蒿在开花期抗旱能力最强，其次是在抽穗期，在返青期最差。本研究结果对松嫩草地3种优势草种在不同生育期内遭受不同程度干旱胁迫时采取不同应急方案具有指导作用，也为培育优良耐旱草种及草地生态系统可持续发展提供了一定的参考。     

三种牧草对干旱胁迫的生理响应及抗旱性评价

为了解不同牧草对干旱胁迫的响应,筛选抗旱性强的牧草种类,试验选用扁穗牛鞭草、高丹草和拉巴豆为材料,盆栽研究了水分胁迫对牧草生长的影响及其生理反应。结果表明,牧草对干旱的响应因牧草种类和生理指标不同而异。随着旱情加剧,3种牧草的生物量持续降低,最大降幅可比对照降低18．29％（牛鞭草）、31．21％（高丹草）和33．55％（拉巴豆）。但是,轻、中度干旱对牛鞭草和高丹草的根系生长影响较小,根冠比增加。牧草地上部生物量减少有益于降低水分消耗,根冠比增加使相对更多的根系参与水分和养分吸收。干旱导致细胞膜破坏,丙二醛含量提高,胞内物质外渗,电导率增加,叶绿素和根系活力降低,进而抑制牧草生长。在干旱条件下,牧草体内的脯氨酸是对照的1．3～8．1倍,可溶性糖和蛋白质含量显著提高,产生渗透调节。干旱还能诱导激活牧草体内的超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶,促进消除游离氧自由基,减轻干旱危害。采用隶属函数法综合评价牧草的抗旱性表明,扁穗牛鞭草的抗旱性最强,拉巴豆次之,高丹草最差。     

非生物胁迫下牧草抗逆性研究进展

非生物胁迫(低温、高温、干旱、水涝、盐害等)是影响牧草生长和发育的重要因素，因而探究牧草抗逆性响应特征、指标、评价方法和提升途径，对于提升和稳定牧草生产有重大意义。本文通过文献资料调研和计量分析方法，综述了牧草对温度、水分和盐分等非生物胁迫作用的响应，概述了牧草的形态结构、生理生化和生产性能抗逆性指标，总结了6类牧草综合评价方法的原理和优缺点，综述了4种牧草抗逆性提升途径，并对今后在非生物胁迫下牧草抗逆性方向上需开展的3个方面研究工作进行展望，以期为选取牧草抗逆性指标和评价方法，提升牧草质量和产量提供参考依据。     

干旱胁迫下幼苗期霸王的生理响应

以PEG6000模拟不同程度的水分胁迫,对霸王幼苗进行了处理,研究霸王对干旱胁迫的生理响应。结果表明,幼苗期霸王在干旱胁迫下叶片的保水能力降低,MDA和脯氨酸含量增加,可溶性糖含量下降。严重干旱胁迫(PEG浓度为30%)促进Na 在叶片中的积累,K 和Ca2 对干旱胁迫的反应不敏感。脯氨酸是幼苗期霸王适应干旱胁迫的主要渗透调节物质,严重干旱胁迫下Na 也起到了渗透调节作用。     

干旱-复水对菊芋苗期根、茎、叶形态特征的影响

通过盆栽试验研究干旱-复水对菊芋(Helianthus tuberosus)苗期根、茎、叶、茎叶比、根冠比和物质积累量的影响,探讨菊芋苗期干旱适应机制,干旱半干旱地区菊芋栽培管理提供参考。结果表明:干旱-复水处理菊芋根、茎、叶生物量和总生物量均低于正常水分管理;干旱-复水增加了主根和须根的直径;干旱-复水过程中除复水第16天外,处理须根长度均高于对照;处理前期主根长度高于对照,后期主根长度低于对照;干旱-复水处理提高了菊芋平均叶面积,降低了叶片数量,抑制新叶片的形成;干旱胁迫第2天测定的茎叶比对照高于处理,而其他取样时间处理均高于对照;干旱-复水过程中菊芋根冠比胁迫第2天高于对照,胁迫第4天、第8天和复水第8天处理根冠比低于对照,复水第16天处理高于对照。     

西藏野生垂穗披碱草EnCBL10基因的克隆与功能研究

钙调磷酸酶B类蛋白（Calcineurin B-Like Proteins，CBLs）是钙信号通路中重要成员，在植物应答多种非生物胁迫中具有重要的作用。本研究基于前期转录组数据，在西藏野生垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb.）中筛选EnCBL10基因，将其异源表达于烟草（Nicotiana tabacum）中，分析转基因植株EnCBL10在低温和干旱胁迫下的生长及生理响应。结果表明：EnCBL10开放阅读框为792 bp，编码263个氨基酸。EnCBL10蛋白的理论等电点为5.17，为疏水蛋白和非分泌蛋白。低温和干旱胁迫下，对比于野生型烟草，转基因烟草叶片的细胞膜稳定性显著增加，过氧化物酶（Peroxidase，POD），抗坏血酸过氧化物酶（Aseorbateperoxidase，APX）和谷胱甘肽还原酶（Gluathione reductase，GR）活性显著升高。低温胁迫下，两个转基因株系的脯氨酸含量分别提高了79.7%和70.8%（P<0.05）；在干旱胁迫下，野生型植株（WT）和过表达植株中脯氨酸含量均有所降低，但转基因植株比WT的下降幅度小。因此，EnCBL10基因可能在垂穗披碱草的耐寒和耐旱调控中发挥重要功能。     

植物抗旱基因工程研究进展

干旱是影响农作物产量的主要胁迫因素之一。高通量生物技术的使用促成了新的干旱胁迫相关基因的发现,一些重要基因已转化到植物中,通过专一性或广谱性地应答路径来调节其干旱耐受性。最近的一些研究进展,进一步加深了对植物通过调控干旱相关基因的表达而抵御干旱胁迫的理解,并对植物干旱胁迫的复杂调控网络有了更深刻的认识,同时逐渐探索出一些具体的植物抗旱基因工程研究的途径。本文主要综述了信号分子、转录因子、小RNA分子、渗透调节分子、多胺类分子,活性氧清除分子方面的基因工程研究进展,并对其研究中存在的问题及应用前景进行了讨论。     

全基因组水平紫花苜蓿TCP基因家族的鉴定及其在干旱胁迫下表达模式分析

紫花苜蓿是世界最重要的豆科牧草之一，干旱是影响其产量和地理分布的关键瓶颈。在紫花苜蓿响应干旱胁迫过程中，转录因子发挥着重要的调控作用。TCP（teosinte branchesd 1/cycloidea/pro-liferating cell factors）为植物特有的转录因子，在植物生长、发育、响应逆境胁迫中都具有重要的生物学功能。截至目前，该基因家族在紫花苜蓿中的分布以及响应干旱胁迫的生物学功能仍未见报道。因此，为进一步挖掘紫花苜蓿中响应干旱胁迫功能基因，本研究利用生物信息学方法在全基因组水平对TCP基因家族进行了鉴定，并对其系统进化、基因结构、染色体定位、共线性分析以及干旱胁迫下的表达模式进行了分析。结果表明，紫花苜蓿基因组中共鉴定出40个MsTCP基因，不均匀地分布于20条染色体上，其中包括17对旁系同源基因对，且都是基因片段复制事件。系统发育和保守结构域分析发现，MsTCP基因可以分为2个大分支和3个亚家族（PCF， CIN与CYC/TB1），同一分支中的成员具有相同氨基酸数目的TCP结构域，同亚家族中的成员具有相似的保守基序与基因结构。此外，通过分析紫花苜蓿响应干旱转录组数据共鉴定出4个可能与紫花苜蓿响应干旱胁迫有关的MsTCP基因（MsTCP23，MsTCP27，MsTCP29，MsTCP33）。qRT-PCR结果进一步表明PEG模拟干旱胁迫处理后，这4个基因的表达量在根和叶中均显著上调，进一步确定了这些基因的确响应紫花苜蓿干旱胁迫。该研究为后期深入解析紫花苜蓿响应干旱胁迫理论以及通过基因工程技术创制高抗旱紫花苜蓿新种质奠定基础。     

转露地菊CgDREB22基因的烟草抗逆性分析

DREB转录因子是AP2/ERF转录因子的一个亚家族,主要参与植物对干旱、高盐和低温等逆境的分子应答机制。前期研究从露地菊中分离出一个CgDREB22基因,构建植物过表达载体并用农杆菌介导法转化烟草。对获得的T₁代转基因烟草种子和幼苗进行高盐(150 mmol·L^-1 NaCl )、干旱(150 mmol·L^-1甘露醇)、低温(4 ℃)等处理,进而观察表型并测定相关生理指标。结果表明:在低温、干旱和高盐胁迫下,转基因烟草幼苗鲜重和根长都低于野生型;在高盐和干旱胁迫下,转基因烟草幼苗脯氨酸含量、抗氧化物酶[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)]活性均显著低于野生型。综上说明,露地菊CgDREB22基因在植物受到非生物胁迫的过程中起负调控的作用。     

丛枝菌根真菌对干旱胁迫下鹅绒委陵菜生理指标的影响

为了探究鹅绒委陵菜（Potentilla anserina L.）-丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhiza fungi,AMF）共生体应答干旱逆境的机制,了解鹅绒委陵菜抗旱机理。本研究以鹅绒委陵菜与根内根生囊霉（Rhizophagus intraradices）为试验材料;采用控制变量的方法,以栽植在未接种根内根生囊霉的灭菌土壤的鹅绒委陵菜为对照组,以栽植在接种根内根生囊霉的灭菌土壤的鹅绒委陵菜为处理组;并分别测定其丙二醛（Malondialdehyde,MDA）含量、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase,SOD）活性、过氧化物酶（Peroxidase,POD）活性及可溶性蛋白含量。结果表明：干旱胁迫会影响土壤中丛枝菌根真菌的正常生长;与未接AMF的鹅绒委陵菜相比,鹅绒委陵菜-AMF共生体在干旱条件下,MDA含量降低、SOD和POD活性升高、可溶性蛋白含量升高,表明AMF能够有效减轻干旱胁迫对鹅绒委陵菜的伤害。     

干旱胁迫下委陵菜和翻白委陵菜叶片结构和生理指标的变化

以委陵菜（Potentilla chinensis）和翻白委陵菜（P.discolor）为试验材料，研究土壤干旱胁迫条件下植物叶片解剖结构和生理指标的变化。结果表明，随着干旱胁迫的增强，两种植物栅栏组织和海绵组织厚度变化较明显，翻白委陵菜的栅栏组织与海绵组织比值较委陵菜大；两种植物叶绿素含量均逐渐下降，超氧化物歧化酶（SOD）活性均呈先上升后下降的趋势，丙二醛（MDA）和脯氨酸含量都逐渐增加。比较两种植物各项指标的变化幅度，发现翻白委陵菜适应干旱的能力较委陵菜强。因此，叶片解剖结构和各项生理指标的变化可以作为评价两种委陵菜属植物对干旱胁迫敏感度的指标之一。     

达乌里胡枝子抗氧化保护系统及膜脂过氧化对干旱胁迫及复水的动态响应

采用盆栽控水法,对达乌里胡枝子进行不同梯度干旱胁迫(适宜水分,CK;中度干旱,DR₁;重度干旱,DR₂)和复水处理,研究其在胁迫过程中的抗氧化保护系统及膜脂过氧化的动态响应。结果表明,1) 在整个胁迫过程中,随着胁迫时间的延长,干旱胁迫使SOD、POD、CAT、APX活性高于对照,且随着胁迫强度的增加,SOD活性为DR₁2,CAT、APX活性为DR₁>DR₂,而POD活性在胁迫开始后前6 d内为DR₁>DR₂,之后则为DR₂>DR₁;与对照相比,干旱胁迫下AsA含量变化不明显,Car含量则高于对照,随着胁迫时间的延长,AsA含量先降低后升高,Car则呈上升趋势;干旱胁迫下O₂^·-含量高于对照,膜脂过氧化导致MDA含量升高,细胞膜相对透性改变,随着干旱胁迫强度的增加,MDA含量在胁迫开始后前6 d为DR₂>DR₁,之后各处理组组间差异不显著(P>0.05),O₂^·-含量为DR₁>DR₂。2) 复水后,APX、CAT、Car、O₂^·-均呈上升趋势,其他指标则呈下降趋势。3) 通过隶属函数法对该种的抗旱能力进行综合评价得出,达乌里胡枝子抗旱能力较高,且中度胁迫下该种的抗氧化能力高于重度胁迫,中度胁迫可能更适合于该植物的生长发育。     

转DREB1A/Bar双价基因马铃薯的耐旱性及除草剂抗性分析

在前期获得DREB1A/Bar双价转基因马铃薯的基础上,对转基因植株进行了耐旱性和除草剂抗性分析。耐旱性分析显示,在正常浇水条件下,对照和各转基因马铃薯株系生长状态良好且大致相同,各株系的丙二醛含量、相对电导率和SOD酶活性无显著差异(P0.05)。经过控水10d后,非转基因对照植株叶片明显萎蔫卷曲,而转基因植株仍然保持良好的生长状态;转基因株系的丙二醛含量和相对电导率显著低于非转基因株系(P0.05),而SOD酶活性显著高于非转基因对照(P0.05)。控水18d时,大部分对照植株死亡,死亡率为74.33%;转基因植株只有极少数植株死亡,DR2和DR5的死亡率分别为20.43%和5.65%。用0.3%的市售草铵膦喷施各株系,10d后,对照植株全部枯死,转基因株系的个别叶片干枯,绝大多数叶片及所有茎秆生长状态良好。以上分析表明,DREB1A和Bar基因的导入,明显增强了转基因马铃薯对干旱和除草剂的抗性。     

结缕草ZjCSD基因的克隆及表达分析

铜锌超氧化物歧化酶是植物响应逆境胁迫过程中的关键酶,其含量和活性与植物抗逆性密切相关。本研究以结缕草cDNA为模板,利用同源克隆法,从结缕草转录组数据库中克隆获得了结缕草ZjCSD基因,该基因编码一个含有152个氨基酸的蛋白质。生物信息学分析结果显示:ZjCSD基因编码蛋白为稳定的、亲水的、酸性、非分泌脂溶蛋白,定位于细胞质中,含有CSD蛋白家族特有的保守结构域,具有典型的Cu²⁺和Zn²⁺结合位点;与小米、玉米等禾本科植物具有较高的同源性,进化关系较近。采用实时荧光定量PCR研究该基因在不同组织中、不同胁迫处理下的表达模式,结果表明,ZjCSD基因在根、茎、叶中都有表达,叶中表达量最高;干旱胁迫(30% PEG)、盐胁迫(150 mmol/L NaCl)和Cd²⁺胁迫(200 mg/L Cd²⁺)均能诱导ZjCSD基因表达量上调,Pb²⁺胁迫(1 g/L Pb²⁺)诱导ZjCSD基因表达量下调。故推测结缕草ZjCSD基因在结缕草应对干旱、盐和重金属胁迫的过程中发挥作用。