黄土高原磷高效紫花苜蓿种质资源筛选及其低磷适应机理研究

The production and promotion of alfalfa (Medicago sativa L.) is limited on Loess Plateau, due to soil phosphorus deficiency and lack of germplasm resources’s innovation. We collected 170 alfalfa germplasm resources from 30 countries distributed on six continents to screen alfalfa germplasm with high phosphorus efficiency in the field. The relationship between phosphorus uptake and carbon balance among root morphology, rhizosphere activation and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) symbiosis is will be investigated in alfalfa germplasm with high/low phosphorus efficiency. Based on field, pot and soil cultured experiments, it will (i) screen the alfalfa germplasm with high and low phosphorus efficiency; (ii) compare the variation of root morphology and phosphorus uptake between germplasm with high and low phosphorus efficiency; and (iii) investigate the relationship between rhizosphere adjustment and phosphorus uptake in alfalfa. This project will highlight the adaptive mechanism of efficient use of soil phosphorus in alfalfa and provide a scientific basis and a way for alfalfa breeding and cultivation management on Loess Plateau.

针对种质资源创新不足和土壤低磷胁迫限制黄土高原紫花苜蓿(Medicago sativa L.)生产和推广的问题，本研究选取国内外170份紫花苜蓿种质资源在大田条件下开展磷高效种质资源筛选；比较研究磷高效和低效紫花苜蓿三种获取磷途径[即根系形态、根际活化和丛枝菌根真菌侵染]之间的碳平衡与其磷吸收的关系。通过大田、盆栽和土壤培养试验，试图（i）开展在黄土高原大田低磷土壤中筛选磷高效和低效紫花苜蓿品种；（ii）对比研究磷高效和低效紫花苜蓿品种间根系形态差异与其磷吸收的关系；以及(iii) 探究磷高效和低效紫花苜蓿品种间根际调控（根际活化和菌根侵染）差异与其磷吸收的关系。本研究将阐明碱性低磷土壤磷高效紫花苜蓿低磷适应机理，并为紫花苜蓿种质资源创新提供理论支持和科学依据。

我国苜蓿（Medicago）种质资源不足是限制草食畜牧业可持续发展的主要瓶颈。黄土高原是主要的苜蓿种植区，干旱和低磷胁迫进一步限制了该地区苜蓿生产力。过去33年（1987-2019），我国累计审定105个苜蓿属豆科牧草，其中87个为紫花苜蓿。我国苜蓿年均审定数量约为3个，远落后于草食畜牧业发达国家。本研究针对我国苜蓿种质资源不足，在黄土高原陇中地区大田条件下对国内外182个苜蓿品种的地上生物量进行了比较和筛选（试验一）；针对黄土高原种植区干旱和低磷胁迫限制苜蓿草地生产力的现状，研究干旱和低磷胁迫下紫花苜蓿生理生态学适应机制（试验二）和根系形态和生理途径的磷获取机制（试验三）。通过上述实验，试图筛选适应黄土高原种植区的高产苜蓿品种，并阐明紫花苜蓿适应干旱和低磷的机制，试验结果如下：.试验一：在低磷条件下（不施磷）有55个苜蓿种质比对照品种陇中苜蓿和陇东苜蓿增产10%，其中引进种质46个。高磷条件下（50 kg P ha-1）有58个苜蓿种质比对照品种增产10%，其中47个为引进种质。有9个苜蓿在低磷和高磷条件下均高产，包括两个国内种质（佳木斯苜蓿和中兰1号）。可见，引进国外苜蓿种质资源是丰富我国苜蓿种质资源的有效方式。.试验二：研究引进紫花苜蓿品种阿卡西亚（述大田试验中地上生物量表现较好，高出对照16%）和当地品种陇中适应干旱和低磷胁迫的生理生态学适应机制。结果表明，在土壤充分供水并施加高磷的条件下，与陇中相比，阿卡西亚通过提高净光合速率和抗氧化防御能力提高植株生长、水分利用效率和磷肥利用效率。然而严重水分亏缺条件下，陇中具有较高的抗氧化防御能力、水分利用效率和磷肥利用效率。两个品种不同适应机制有助于我们为选育和引进紫花苜蓿提供科学依据。.试验三：根系获取磷的途径主要包括通过向根际分泌羧酸盐的生理途径和根系形态途径。从播种后60天进行持续30天的水分处理。研究发现从播种后60天到90天，紫花苜蓿对磷获取从更依赖于根系生理途径转向根系形态途径。在播种后60天充分供水条件下，施加磷肥有助于紫花苜蓿强化浅层（0-20 cm）和深层（20-40 cm）根系形态对磷的吸收。持续30天干旱处理抑制了浅层和深层根系通过生理途径对磷的获取，也抑制了深层根系通过形态途径对磷的获取；施加磷肥有助于深层根系对磷的获取，紫花苜蓿深层根系对水分和和磷的响应分化明显大于浅层根系。