豆-禾混播草地中紫花苜蓿比例对其固氮效率的影响及潜在生理机制

【目的】 通过研究豆草比例对紫花苜蓿-羊草混播草地豆科植物生物固氮的影响及其生理生态机制,深化对混播群落结构和生物固氮功能关系的理解,辅助豆-禾混播草地的科学建植和管理,提高混播草地生物固氮和土壤肥力,提升草地资源生产和生态保障能力。【方法】 2017年5月,利用紫花苜蓿和羊草为试验材料,采取随机区组设计,于中国科学院长岭草地农牧生态研究站内建植不同豆草比例（紫花苜蓿占比为25%、50%、75%、100%）的紫花苜蓿-羊草混播草地,4次重复。建植一年后,通过样方取样法调查混播草地群落结构变化,测定紫花苜蓿叶片、枝条和根系生长发育、光合和水分等生理代谢特征,在测定根系结瘤特征基础上,采取¹⁵N同位素自然丰度法评估紫花苜蓿固氮效率,结合土壤水分动态监测,分析豆草比例对紫花苜蓿生物固氮的影响及其生理生态机制。【结果】 （1）混播草地建植一年后,对应25%、50%、75% 和100%设计的豆草混播比例,混播草地实际紫花苜蓿占比分别为11%、27%、53%和100%。（2）对比25%、75%和100%的初始豆草种植比例,50%的初始豆草比例下,生长季平均土壤水分含量分别增加了21.4%、36.4%和51.7%。（3）50%豆草种植比例下,紫花苜蓿植株有更大的枝条和根系生物量、叶片数量、叶片面积、叶片厚度和叶片生物量,上述指标最小值出现在100%的豆草播种比例。（4）50%豆草种植比例下,紫花苜蓿具有最大的光合速率,枝条和根系中淀粉含量最高,但枝条和根系中可溶性糖含量最低。（5）50%的初始豆草混播比例下,紫花苜蓿根瘤发育更完善,其生物固氮率较25%、75%和100%的豆草混播比例分别提高了13.5%、44.6%和79.2%。回归分析表明,随豆草比例变化,紫花苜蓿生物固氮效率与土壤含水量呈正相关。【结论】 紫花苜蓿-羊草混播草地中,紫花苜蓿生物固氮能力与豆草比例间存在非直线型变化关系。当初始豆草种植比例为50%时,紫花苜蓿生物固氮率最大。豆草比例驱动土壤水分变化,进而通过调控叶片发育和光合等途径改变了紫花苜蓿植株和根瘤发育,是其影响生物固氮的潜在机制。     

蒺藜苜蓿转录因子MtMYB的克隆、表达分析及拟南芥转化

MYB转录因子家族基因具有保守的DNA结合域,是植物最大的转录因子家族之一,广泛参与植物的代谢调控,在植物生长发育和胁迫响应等方面发挥重要作用。为改良品种性状和提高生产实践能力,本研究采用RT-PCR法克隆蒺藜苜蓿MYB转录因子基因MtMYB,其编码区长255 bp,编码84个氨基酸。生物信息学分析表明,该基因编码蛋白与其他物种MYB蛋白具有很高的同源性,其中与红三叶同源性最高。荧光定量结果表明,MtMYB基因在蒺藜苜蓿叶片中的表达量最高。MtMYB基因在外源IAA、6-BA的诱导下,总体都呈现先上升后下降的趋势。同时本研究成功构建35S::MtMYB的植物表达载体,并通过转基因技术将其转化至拟南芥中,PCR检测表明,MtMYB已成功整合至转基因拟南芥基因组中。RT-PCR检测表明,MtMYB能够在转基因拟南芥中正常转录。本研究为进一步探明MtMYB基因的功能提供了数据参考和实验材料。     

生长年限对苜蓿和柠条光合特征及土壤水分的影响

为了探究生长年限对衰败期苜蓿和中老龄柠条的叶片光合生理特征及土壤水分的影响,在2014年于地处黄土高原水蚀风蚀交错带强烈侵蚀中心的神木六道沟小流域,测定了不同生长年限苜蓿（ALF₁₀、ALF₁₃、ALF₃₃和ALF₄₉）和柠条（KOP₁₀、KOP₂₅、KOP₄₃和KOP₇₃）的叶片光合参数、叶结构性状参数以及0~400 cm土层土壤体积含水量（SWC_0-400）。结果表明：对于衰败期苜蓿,ALF₁₀和ALF₁₃叶片净光合速率（P_n）差异不显著（P>0.05）,而后随生长年限的延长逐渐降低,ALF₃₃和ALF₄₉比ALF₁₃叶片的P_n（24.01 μmol·m^-2·s^-1）分别降低了2.32 μmol·m^-2·s^-1和7.76 μmol·m^-2·s^-1。相比ALF₁₀,随生长年限延长SWC_0-400恢复至10.88%（ALF₁₃）,而后随着生长年限延长降低至8.81%（ALF₃₃）和6.12%（ALF₄₉）。土壤水分对ALF₃₃的限制作用不明显,水分胁迫使ALF₄₉非气孔限制值比ALF₃₃增大了0.340。对于中老龄期柠条,叶片P_n随生长年限的延长先升高后降低,KOP₂₅和KOP₄₃叶片P_n最大且两者差异不显著（P>0.05）,比KOP₁₀（6.62 μmol·m^-2·s^-1）分别增大了6.57 μmol·m^-2·s^-1和7.66 μmol·m^-2·s^-1,KOP₇₃比KOP₄₃叶片P_n降低了4.95 μmol·m^-2·s^-1。对于同为黄绵土生长的KOP₁₀、KOP₄₃和KOP₇₃,SWC_0-400随生长年限延长逐渐上升,分别为8.50%、9.06%和10.71%。土壤水分恢复使KOP₄₃叶片气孔及非气孔限制值比KOP₁₀柠条降低了0.185和2.180。此外,柠条叶片相对叶绿素含量（SPAD）与P_n呈极显著正相关（P<0.001）,相关系数为0.514。研究结果表明衰败期苜蓿和中老龄期柠条叶片光合性能呈波动式变化,这与土壤水分的相互作用有关。     

土壤水分胁迫对紫花苜蓿光合特性及其生物量的影响

紫花苜蓿是我国重要的豆科牧草,具有较强的抗旱能力,而水分亏缺是影响其产量的主要逆境因子之一。通过大田试验对不同水分胁迫下紫花苜蓿的光合特性及产量进行研究,结果表明:①土壤水分胁迫对紫花苜蓿光响应参数影响显著(P<0.05),随着水分胁迫的加剧,最大净光合速率、表观量子效率、光饱和点逐渐降低,暗呼吸速率、光补偿点逐渐升高,从而直接影响紫花苜蓿光合作用对弱光的吸收和转化效率。②随着水分胁迫的加剧紫花苜蓿叶片的净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)呈显著的下降趋势,气孔导度(Gs)呈先下降后上升的趋势,表明轻度水分胁迫下气孔因素是Pn下降的主要因素,中度和重度水分胁迫下非气孔因素是Pn降低的主要因素。③当光合有效辐射(PAR)为1200μmol·m^-2·s^-1时,轻度水分胁迫的水分利用效率(WUE)显著大于充分灌溉的WUE(P<0.05),表明适度水分胁迫可提高紫花苜蓿叶片的水分利用效率。④轻度水分胁迫与充分灌溉干草产量之间无显著差异,表明轻度水分胁迫能达到高产节水的目的。     

CO2浓度升高条件下不同程度豌豆蚜危害对紫花苜蓿叶片营养物质和次生代谢物质的影响

由于人类大量开采使用石油、煤炭、天然气等化石燃料,使大气CO₂浓度升高,这不但加速全球变暖,还将影响地球上动植物的生存和分布,从而对整个生态系统产生深远影响。为探明CO₂浓度升高与豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）虫口密度对紫花苜蓿（Medicago sativa）叶片内化学物质的影响,明确CO₂浓度升高和蚜虫密度在紫花苜蓿生理生化中的作用,试验在CO₂光照培养箱内设置380 μL·L^-1（对照）、550 μL·L^-1和750 μL·L^-1 3个CO₂浓度培育苜蓿幼苗并接入10日龄成蚜10头·株^-1、20头·株^-1、30头·株^-1,并以0头·株^-1作为空白对照,1周后测定植物体内营养物质和次生代谢物质含量。结果表明,随CO₂浓度升高,蚜虫密度为30头·株^-1时紫花苜蓿可溶性蛋白、可溶性糖以及淀粉含量均上升,在750 μL·L^-1 CO₂浓度下分别比CK上升11.62倍、0.49倍和0.24倍;黄酮、总酚和简单酚含量也显著上升。随蚜虫危害程度加重,同一CO₂浓度下紫花苜蓿淀粉、简单酚含量先上升后下降,高CO₂浓度蚜虫密度为30头·株^-1时比0头·株^-1时可溶性糖、总酚以及单宁含量上升1.66倍、1.49 mg·g^-1和1.09 mg·g^-1,差异均显著（P<0.05）。说明具有固氮作用的豆科植物更易于适应CO₂浓度升高的变化,从而在受到刺吸胁迫后增强自身诱导抗虫性以抵御害虫为害。     

蒺藜苜蓿WRKY转录因子密码子使用偏好性分析

密码子使用偏好性普遍存在于各种生物中,但突变和自然选择压力对每种生物密码子使用偏好性不同.WRKY基因家族是一类只存在于植物的转录因子,主要参与植物体内转录调控和信号转导过程.本研究以蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)WRKY转录因子(MtWRKY)为研究对象,揭示Mt WRKY基因密码子使用偏好性形成的主要因素,并筛选最优密码子.研究结果表明,代表MtWRKY基因的点均分布在有效密码子数(effective number of codons,ENC)标准曲线以下,表明密码子受自然选择压力或突变选择压力或其他因素影响;密码子第1、2位平均GC含量(GC12)与密码子第3位GC含量(GC3)相关性分析发现,GC12与GC3呈显著正相关(r=0.34,P＜0.01),表明突变压力导致密码子3个位点具有相似的GC含量;GC3s值分布在0.2～0.5之间,表明密码子使用偏好性主要受突变压力影响.奇偶偏好分析表明,MtWRKY基因第3位密码子CT含量＞AG含量.G和C(或者A和T)不成比例分布在密码子第3位上,表明密码子使用偏好性受到自然选择压力影响,但很可能突变压力仍起主要作用.最优密码子使用频率(frequency of optimal codons,Fop)与GC含量以及序列长度相关性分析发现,Fop与外显予GC含量呈显著正相关(r=0.57,P＜0.01),而与内含子GC含量呈较弱正相关(r=0.09,P＞0.05);Fop与外显子序列的长度呈正相关(r=0.28,P＜0.05),而与内含子长度呈负相关(r=-0.01,P＞0.05).表明MtWRKY基因外显子和内含子序列的形成受不同选择压力影响;外显子密码子使用偏好性受突变压力影响,而内含子可能是由于自然选择压力作用于突变选择形成的.确定了4个以G或C结尾的最优密码子.研究结果为WRKY转基因研究过程中密码子优化提供了理论支持.     

陇东黄土高原春播紫花苜蓿生态气候特征及适生种植区划

根据对春播两年生紫花苜蓿生长状况和相应气象观测资料的分析，探讨了陇东黄土高原地区春播紫花苜蓿的生长发育与平均气温、积温及降水量等生态气侯条件的定量关系，据此得出陇东地区紫花苜蓿的适生种植区划和气侯风险区划。综合区划结果提出开发利用气侯资源的途径和生产紫花苜蓿的对策，为陇东地区进一步调整农业生产结构，发展畜牧业生产和改善生态环境提供依据。     

不同品种紫花苜蓿中总皂苷含量的比较研究

采用比色法测定了北京地区栽培不同年限的45个紫花苜蓿品种茎、叶中总皂苷的含量。结果表明，各品种苜蓿叶片中的皂苷含量均高于茎，在不同品种之间存在明显差异。4年生植株中皂苷含量最高的品种“Vernal”为1.174%，最低的品种“Empress”为0.606%；3年生植株中最高的品种“WL442”为1.141%，最低的品种“农保”为0.788%；2年生植株中最高的品种“胜利者”为1.293%，最低的品种“全能”为0.722%。综合比较，含量最低品种与最高的品种相差2.13倍。栽培年限对紫花苜蓿皂苷含量具有一定影响。     

施肥对紫花苜蓿分枝期光合特性的影响

【目的】研究不同施肥处理对3年生紫花苜蓿分枝期净光合速率、蒸腾速率、气孔导度等植物生理因子的影响。【方法】以加拿大进口紫花苜蓿品种——阿尔岗金为材料,采用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合作用测定系统进行测定。【结果】施氮10kg/hm2光合速率极显著地高于不施氮处理,施氮比不施氮光合速率高出8.07 μmolCO2/m2·s (24.05%);施氮10kg/hm2对水分利用率的提高具有明显的作用,氮磷配施效果更好,以P40N10配施效果最好,P20N10次之;施磷20kg/hm2叶片蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度都最高,分别达到了14.88mmolH2O /m2·s、1.01 cm/s和300μmol/mol【结论】苜蓿施氮10kg/hm2有助于提高分枝期叶片光合速率、水分利用效率。在施氮10kg/hm2水平下,施磷20—40kg/hm2范围内,随施磷量的增加水分利用率提高。施磷20kg/hm2对提高叶片蒸腾速率效果显著,并且能明显提高气孔导度和胞间CO2浓度。     

不同品种紫花苜蓿（Medicago sativa）的化感效应研究

用砂培法研究紫花苜蓿（Medicago sativa）的六个品种苗期地上部分水浸提液对鸭茅(Dactylis glomerata L.)的化感效应。结果表明,紫花苜蓿六个品种茎叶水浸提液对鸭茅的化感效应在供试品种间差异显著。游客、苜蓿对鸭茅的种子发芽及幼苗生长有抑制作用,但游客却对鸭茅的苗干重有促进作用;三得利和赛迪对鸭茅的种子发芽、根长及根干重有抑制作用,却对苗生长的影响无显著差异。此外,供试紫花苜蓿浸提液对鸭茅的化感作用,随着浓度的升高,抑制作用随之增强。