黄花苜蓿适应土壤低硫和低磷的机理研究

Deficiency in soil phosphorus (P) and sulfur (S) is a key factor to limit production and quality of leguminous forage in northern China. Medicago falcata is an important native legume pasture plant that widely occurs naturally in grassland of northern China. This legume species is characterized by its outstanding capacity of tolerance to abiotic and biotic stresses as well as high nutritional quality. However, little is known about the mechanisms underlying the response and adaptation of M. falcata to soil nutrient deficiency in general and deficiency in soil P and S in particular. In this project, we will study the effect of low soil P and S on two ecotypes of M. falcata natively occurring in Inner Mongolia grassland in China by monitoring changes in their physiological processes and root morphology. We will further investigate the response of M. falcata to the combined low soil P and low S stress with aims to decipher the signaling networks associated with low P and low S stress. Finally, the roles of phytohormone ethylene, and messenger molecule nitric oxide (NO) played in the response of M. falcata to low P and low S stress will be evaluated. The outcome of the project will contribute to our mechanistic understanding of the important native legume species in terms of its adaptative mechanism to deficiency in soil P and S, and provide valuable information for management of legume grassland.

土壤有效磷和硫含量缺乏是制约我国北方草地豆科牧草产量和品质的主要因素。黄花苜蓿（Medicago falcata L.）是一种广泛分布于我国北方的优良豆科牧草种质资源，具有抗寒、抗病虫害、耐旱和耐土壤贫瘠的优异特性，但对黄花苜蓿适应养分胁迫机制的研究国内外尚未见报道。本研究拟以原产于内蒙古呼伦贝尔和锡林郭勒草原的两个黄花苜蓿生态型为材料，研究土壤低硫低磷胁迫及其交互作用对黄花苜蓿的影响，探讨黄花苜蓿响应和适应养分胁迫的机理；以乙烯和一氧化氮为切入点，研究本土植物黄花苜蓿对养分胁迫及其交互作用相应的信号网络关系。选题具有科学前瞻性和重要的应用价值。研究结果一方面将揭示黄花苜蓿适应养分胁迫的生理机制，同时也将为人工草地施肥和栽培管理提供重要的理论依据。

硫是植物生长必需的大量元素之一，在植物的生长和发育过程中发挥着重要的作用。由于大气工业含硫废气排放的减少和集约化农业生产对土壤硫的掠夺等因素的影响，土壤缺硫问题逐渐成为限制农业生产的主要因素之一。在植物适应土壤缺硫胁迫的过程中，局部和系统调控机制都发挥着重要的作用。磷是另外一个植物必需的大量元素，同样在植物的生长和发育过程中发挥重要的功能。目前，对于植物硫磷营养之间相互影响的研究报道还相对较少。本项目比较了苜蓿生态型A17和R108在植株生长、根系形态，以及养分代谢等多个方面的对缺硫胁迫的响应。发现苜蓿生态型R108对缺硫胁迫的响应比生态型A17更加敏感。为了探究苜蓿对土壤缺硫胁迫的系统响应，本研究运用分根培养的方法，研究了苜蓿在植株生长、根系形态、硫含量、以及与硫吸收和同化相关基因的表达等多个层次对缺硫胁迫的响应。研究结果表明，苜蓿在根系生长、硫含量以及硫吸收和同化相关基因的表达对土壤异质缺硫胁迫表现出明显的系统响应。在土壤异质缺硫条件下，苜蓿地上部和根中的MtSULTRs和MtAPR1的表达模式呈现出不同的特点。在土壤异质供硫条件下，系统硫信号通过调节MtSULTR1.1和MtSULTR1.3基因的表达，增加处于硫供应充足介质中根系的硫吸收活力，而相对降低缺硫介质中根系的硫吸收活力，从而在植株整体水平调控苜蓿根系对硫的吸收。为了进一步阐明苜蓿对系统缺硫胁迫的响应机制，同样利用分根培养条件，测定了恢复供硫或供应硫同化关键产物Cys对苜蓿硫吸收和同化关键基因在转录水平的影响。结果表明，SO42-可能作为系统信号，从一侧根系经由植株地上部调控另一侧根系的硫吸收和同化，而Cys不是调控苜蓿响应缺硫胁迫的系统信号分子。为了探究苜蓿硫磷营养互作机制，系统地研究了苜蓿的硫磷营养之间的互作关系。结果表明，硫磷营养对苜蓿植株生长，养分代谢，以及根系分泌质子、柠檬酸和酸性磷酸酶等多个方面的影响过程中存在复杂的互作关系。相关成果在Planta、BMC Plant Biology、Environmental and Experimental Botany、Journal of Plant Nutrition发表。