饲料型四倍体刺槐生物学特性及其生理生化研究进展

杨玉红

（河南省鹤壁职业技术学院458030）

饲料型四倍体刺槐生物学特性及其生理生化研究进展

杨玉红

（河南省鹤壁职业技术学院458030）

简要介绍了饲料型四倍体刺槐的生物学特性、生态学特性，详细论述了四倍体刺槐生根机理、叶片营养、抗性等生理生化研究进展，分析了发展四倍体刺槐必要性，展望了四倍体刺槐的广阔发展前景。

四倍体刺槐；生根机理；叶片营养；抗旱性；盐胁迫

1　饲料型四倍体刺槐的生物学特性

饲料型四倍体刺槐由人工诱导刺槐二倍体（2n=22）体细胞加倍（4n=44）而成，与二倍体刺槐有极近的亲缘关系。但因体细胞染色体数目加倍，形态明显区别于二倍体刺槐，特别是成年树木。成年的饲料型四倍体刺槐为乔木或小乔木，干性稍差，侧枝较粗。奇数羽状复叶，互生，叶轴长40mm～550mm；小叶7枚～21枚，全缘，椭圆或卵圆形，两面平滑无毛，长8cm～15cm，宽5cm～8cm；单叶大小为普通刺槐的3倍～5倍，干重为普通刺槐的4倍～6倍。复叶轴基部具托叶刺（随年铃的增加有渐小的趋势）。总状花序或复总状花序，每花序小花20朵～100朵不等；小花两侧对称，具典型的蝶型花特征，但细部与二倍体刺槐有差异［3］。

饲料型四倍体刺槐叶片宽大肥厚、营养丰富、生长迅速，抗性强，特别适合作为西部干早、半干早地区荒山造林先锋树种和动物饲料树种。据测算，饲料型四倍体刺槐埋根苗的年高生长可达3m，当温度在20℃以上、土壤持水量在60%～70%时，生长最快，平均日增长可达2cm～3cm，为普通刺槐生长量的1倍～2倍。

饲料型四倍体刺槐花色洁白美观、花序硕大、流蜜量高，5月盛花时，蜜惹蜂舞、香醉游人，又可作为蜜源树种和城市绿化或行道树种。特别是干早缺水的北方城市，更能显现出其作为绿化首选树种的优越性。

2　饲料型四倍体刺槐的生态学特性

引种试验证明：饲料型四倍体刺槐有着和二倍体刺槐相近的生态适应性［4］，抗性强，适应范围广，对光照及其他生态因子要求不强，繁殖容易，生长迅速。

饲料型四倍体刺槐耐寒、适应性强，在我国北自吉林长春、河北承德、宁夏银川，西北至新疆石河子以南，南至云南、广东以北（北纬23°～43°、东经90°～120°）、年极端低温不低于-30℃的广大区域的平地、坡地、细沙地、沟谷、轻盐碱地、黄土高原、河滩、堤坝及草原都能正常生长。

饲料型四倍体刺槐根系发达耐干旱，在年平均气温7℃左右、年降水200mm～500mm的地区也能正常生长，但在年降水600mm～1200mm、年平均气温9℃左右的地区生长较好。不耐水湿，根部积水则会烂根死亡。

饲料型四倍体刺槐耐瘠薄，对土壤要求不严，在沙土、壤土、粘土、轻盐碱地及多年的矿渣堆上都能生长，但在疏松、湿润、肥沃的细沙地及肥土地上生长最快。

饲料型四倍体刺槐喜光性强，不耐庇荫。根具根瘤，具较强的固氮能力。

饲料型四倍体刺槐繁殖方法比较多，在生产中一般采用嫁接育苗法，也可采用组培快繁、埋根繁殖等多种方法，成活率高、生长快、方法简单。

3　四倍体刺槐生理生化特性研究进展

国内四倍体刺槐生理生化研究主要从四倍体刺槐的生根机理、叶片营养含量、抗盐性等几个方面进行研究。

3.1生根机理

卢楠［5］等人以四倍体刺槐1年生硬枝进行黄化催芽，获得的黄化和未黄化嫩枝为扦插材料，统计和比较了二者的生根情况，用比色法和间接酶联免疫法分别对扦插后不同时间的材料进行了吲哚乙酸氧化酶、多酚氧化酶和过氧化物酶3种氧化酶的活性测定和吲哚乙酸（IAA）、脱落酸（ABA）、赤霉素和玉米素核苷4种内源激素的质量分数测定。通过对比两种材料在扦插后的不同时期的氧化酶活性和4种内源激素的质量分数的差异及变化规律。结果表明：黄化插穗在生根率、平均生根数和平均根长度方面均明显优于未黄化插穗，并且2种处理方式的3种氧化酶活性和4种内源激素质量分数的变化趋势大致相同，但是黄化嫩枝含有更多的能够促进不定根形成的内源激素。并且氧化酶的活性以及IAA/ABA值都较高，表明黄化处理后的插穗通过氧化酶和内源激素的变化调节，进而促进不定根形成。

马振华［6］等人为揭示四倍体刺槐插穗难生根的机理，剪取四倍体刺槐当年生嫩枝作插穗，研究了不同浓度和时间下外源激素IBA浸泡处理后对嫩枝插穗生根的影响及生根过程中内源激素IAA、腺嘌呤、ABA、GA、IBA的变化。结果表明：在扦插生根过程中，插穗体内IAA、腺嘌呤、GA含量在0d～15d时上升，15d～30d时下降；不定根形成前需要较高IAA水平，以诱导生根，不定根形成后，IAA合成减弱，以保持正常生长；插穗腺嘌呤含量与嫩枝插穗愈伤组织诱导率无显著相关性，但在不定根形成前（0d～15d）需要一定量的腺嘌呤以促进愈伤组织诱导和分化；插穗GA含量与嫩枝插穗愈伤组织诱导率有显著负相关性，不定根形成前GA含量的上升很可能是抑制不定根形成的主要原因。插穗ABA和IBA含量与嫩枝插稳愈伤组织诱导率无显著相关性。

王小玲［7］等人以四倍体刺槐当年生硬枝和半木质化嫩枝插条为材料，探讨不定根发生过程中吲哚乙酸氧化酶（IAAO）、过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）活性的变化及其与扦插生根之间的关系，揭示四倍体刺槐扦插生根机理。结果表明：IAAO和PPO是影响四倍体刺槐扦插不定根形成的2种关键酶。IAAO通过调节内源IAA（吲哚乙酸）水平来影响生根，在不定根形成过程中，硬枝插穗IAAO活性高于嫩枝，IBA处理的硬枝插穗IAAO活性高于对照，IBA处理的嫩枝插穗1AAO活性低于对照，证明内源IAA对四倍体刺槐插穗不定根的发生具有双重作用。PPO活性与插穗不定根的发生呈正相关；IBA处理可以显著提高插穗PP0活性，促进生根；不定根表达期，硬枝插穗PPO活性升高，是抑制硬枝插穗不定根发生的主要原因之一。POD活性与插穗不定根发生呈弱相关。

3.2叶片营养

张国君［8］等人研究了四倍体刺槐根龄与生物量和叶片营养含量之间的变化规律。分别测定了四倍体刺槐不同根龄的生物量及叶片的营养含量，结果表明：四倍体刺槐不同根龄中当年生植株的株高、地径、茎叶比、总重和叶重均随根龄的增长而增加，3年根当年茎的总重和叶重分别达1 138g和637g；不同树龄的株高、总重、叶重和茎叶比也随着树龄的增长而增加，3年生树龄的总重为2 230g，远高于3年根当年茎，但其叶重仅为603g，稍低于3年根当年茎；当年生植株的叶片粗蛋白含量高达225.45g/kg，极显著高于2年根当年茎、3年根当年茎、4年根3年茎和5年根4年茎，而后4个根龄之间叶片粗蛋白含量则无显著差异，且叶片粗蛋白含量均高于178.75 g/kg；根龄对钙含量的影响达到极显著水平，并且钙含量有随着根龄的增长而增加的趋势；不同根龄对四倍体刺槐叶片的粗脂肪、粗灰分、磷和单宁含量影响均不显著。从生物量和营养综合考虑，四倍体刺槐饲料林定植当年不刈割，第2年开始刈割，进行矮林作业较好。

孙宇涵［9］等人为了解四倍体刺槐生长季节的生物量和营养质量分数动态变化，在测定1年～2年生林分生长时期叶片营养的基础上，测定了3年生林分的株高、基径和叶质量、茎质量动态，并分析了此林分的叶片、茎杆和整株的营养动态。结果表明：叶片和茎杆生物量的变化与株高和基径生长动态相似，均在6月25日前增加迅速，然后进入缓慢生长期，最后从8月10日再次快速生长：不同年份的叶片营养质量分数具有相似的变化趋势；在整个生长过程中，叶片的粗蛋白质量分数最高，茎杆最低，且粗蛋白质量分数从6月～7月份下降迅速，随后逐渐下降；叶片、茎杆和整株的干物质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维质量分数在生长季节逐渐增加，而且均在叶片中质量分数最低、茎杆中最高。综合考虑叶片及当年生茎杆生物量和粗蛋白质的相互变化，确定四倍体刺槐第1次最佳刈割时期为6月下旬。

张国君［10］等人为了探索四倍体刺槐叶片不同叶龄的营养价值、叶层生物量、叶绿素含量和叶形生长发育的变化规律以及它们相互之间的关系，从叶片开始生长每隔10d对四倍体刺槐1个叶龄期叶片进行叶形测量并采样进行叶绿素和营养分析。结果表明：四倍体刺槐叶片的营养价值在45d叶龄前较好，相同叶龄叶片的营养价值是生长中期高于生长末期；35d～45d叶龄的叶层生物量达到了最高；幼嫩叶片的叶绿素含量低，随着叶龄的增长，叶绿素含量不断增加，达到高峰，随后叶子衰老，叶绿素含量下降；相同叶龄不同生长时期叶片的叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量也存在差异；叶片形状在20d叶龄前生长迅速，其后生长缓慢；叶龄与叶片粗脂肪、粗灰分、钙含量、叶长和叶面积（长×宽）呈正相关；相同叶龄叶片的粗蛋白和磷含量与不同生长时期呈负相关。

3.3抗盐性

孟凡娟［11］等人以四倍体刺槐为主要试验材料，以二倍体刺槐为对照材料，在两种盐胁迫下，对苗木的形态、生理生化、光合特性和解剖结构等指标的变化规律进行了研究。利用NaCl和Na2SO4盐溶液对两种刺槐进行盐处理，在30d后每7d处理1次，共处理4次，并在处理前和处理后每7d进行各项指标的测定。结果发现：在盐胁迫下二倍体刺槐的植株生长受到强烈抑制，叶片含水量和叶绿素含量显著低于对照，有明显的盐害症状；对四倍体刺槐植株的生长影响较小，叶片含水量和叶绿素含量也与对照差异不显著，无盐害症状。四倍体刺槐经过盐处理后相对电导率和脯氨酸（Proline，Pro）含量虽然也稍有上升，但与对照相比未达到显著水平，而二倍体刺槐显著高于对照；同时作为保护酶系统的过氧化物酶（Peroxidase，POD）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）在四倍体刺槐经盐胁迫后期也保持了较高的活性，从而提高了其抗盐性，而对盐敏感的二倍体刺槐3个保护酶活性均较低。经盐胁迫后对四倍体刺槐光合特性影响不大，净光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）和胞间CO2浓度（Intercellular CO2concentration，Ci）均无显著变化，而二倍体刺槐Pn和Ci显著下降。经盐胁迫后四倍体刺槐在解剖结构上做出了积极的反应：叶肉栅栏组织拉长、排列更为紧密、海绵组织变小、排列紧密。而二倍体刺槐出现了相反的现象。综合以上分析认为：四倍体刺槐具有较强的抗盐性。

孟凡娟［12］等人比较了二倍体刺槐和四倍体刺槐在NaCl和Na2SO4胁迫下，叶片叶绿体超微结构的变化特点，利用NaCl和Na2SO4进行20d的盐胁迫处理，观察叶绿体超微结构的变化特点，发现：NaCl处理前，二者叶肉细胞叶绿体为梭形、形态饱满、结构完整，NaCl处理后10d时，二倍体刺槐的叶绿体出现变形、膜模糊、基粒片层松散、类囊体解体、脂质球增多等现象，NaCl处理后20d时，叶绿体肿胀、变形，基粒片层断裂，膜系统解体。Na2SO4处理后10d时，二倍体刺槐的叶绿体肿胀，膜模糊，基粒片层松散、类囊体解体，Na2SO4盐胁迫处理后20d时，膜系统全部解体，结构破坏更为严重。总体来说，四倍体刺槐在盐胁迫后叶绿体结构变化不明显，只是在Na2SO4处理20d时，四倍体刺槐的叶绿体出现中空、基粒片层松散、膜边缘模糊现象。在处理前，两种刺槐的叶绿体均紧贴细胞壁，分布于细胞壁边缘。在NaCl处理后10d时，二倍体刺槐的叶绿体仍呈有序排列，紧贴细胞壁，但在处理后20d时，大部分叶绿体脱离细胞壁，呈随机分布。在Na2SO4处理后10d时，二倍体刺槐部分叶绿体脱离细胞壁，位于细胞中央。在Na2SO4处理后20d时，二倍体刺槐叶绿体大部分与细胞壁脱离。四倍体刺槐在两种盐胁迫处理前后叶绿体的排列变化不明显，均分布于细胞壁边缘，紧贴细胞壁。在盐胁迫下，耐盐植物叶片的叶绿体表现为结构完整，基粒片层清晰，类囊体结构完整，而不耐盐植物则表现为叶绿体超微结构松散、变形，基粒片层模糊，破坏严重时基粒片层扭曲，叶绿体解体，失去完整结构。

李迎春［13］等人以四倍体刺槐线粒体为试验材料，分析盐处理后线粒体的超微结构改变、生理指标变化及其蛋白质组差异表达。发现，随着盐处理浓度的增加二倍体刺槐大部分线粒体超微结构出现出现形变、中空、脊数量减少等现象，而四倍体刺槐线粒体只有少数线粒体结构受损，大多数线粒体结构完整被膜清晰。盐胁迫条件下，二倍体与四倍体刺槐线粒体内的H202与MDA含量均明显增加，四倍体线粒体中抗氧化相关酶活性普遍高于二倍体线粒体，能在盐胁迫过程中更快速清除过量的ROS，维持线粒体内ROS产生和清除平衡，进而增强线粒体抗盐胁迫能力。应用蛋白质双向电泳技术鉴定盐胁迫后线粒体蛋白质组表达差异，在二倍体线粒体中共检测到125个差异显著的蛋白点，其中45个蛋白点上调表达，59个蛋白点下调表达，3个蛋白点消失，新增13个蛋白点。四倍体线粒体中共发现102个蛋白点呈现显著差异，其中58个蛋白点上调表达，36个蛋白点下调表达，6个蛋白点消失，新增2个蛋白点。

刘磊［14］应用cDNA-AFLP技术研究了四倍体刺槐在盐胁迫下基因的表达差异。结果表明：随着处理时间的增加，在四倍体和二倍体刺槐的4个时间点的多态性电泳图中，共出现3 800多个条带，其中约有300个的转录差异片段，并成功克隆了184个TDFs，其中四倍体刺槐有110个TDFs，二倍体刺槐有74个TDFs。经测序、数据库对比分析，四倍体和二倍体刺槐各有52个和30个TDFs比对上已知的功能基因，按照功能可分成能量代谢、物质代谢、转录因子、信号转导、胁迫相关、运输相关以及混合功能等几类。随机地从82个克隆片段中的选取2个和6个基因，用Real-Time PCR定量分析验证了cDNA-AFLP的准确性。同时利用蛋白质双向电泳技术检测了盐胁迫后四倍体刺槐叶片蛋白质的变化，检测到每个样品都存在约860多个蛋白点，在二倍体刺槐样品中有差异点41个，蛋白表达量下调的有12个，上调的有29个；四倍体刺槐差异点有37个，其中表达量下调蛋白质点有11个，上调蛋白质点有26个；二倍体和四倍体刺槐之间也有较为明显的差异。通过利用NCBInr，PDB，SeoP，Gene Ontology等蛋白分析数据库进行分类，分为物质代谢蛋白、能量代谢蛋白、ATP合成蛋白、光合作用蛋白、运输蛋白、转录/翻译蛋白、细胞防御蛋白、氧化还原平衡蛋白和不明确类别等功能蛋白。

3.4干旱胁迫

李忠喜［15］以3个饲料型刺槐无性系为研究对象，对干旱胁迫下保护酶类的活性差异进行了研究。结果表明，饲料型刺槐无性系在干旱胁迫下调动各种保护酶来清除体内的活性氧，以保护细胞膜不受活性氧的攻击，但不同的无性系对干旱胁迫有着不同的响应。3个无性系中韩国四倍体主要调动POD酶、匈牙利多倍体主要调动SOD、CAT酶、长叶刺槐主要调动POD、CAT酶。MDA的含量随着干旱胁迫的加剧逐渐增加达到最大值，然后出现下降。

张怡［16］等人在模拟自然干旱的条件下，测定2个四倍体刺槐品种（K2、K3）和普通二倍体刺槐（K1）一年生组培苗的长期和瞬时水分利用效率（WUE）及其稳定碳同位素组成13C，以探讨四倍体刺槐的抗旱机理。结果表明，K2、K3的长期水分利用效率（WUEL）在不同水分胁迫条件下都显著高于K1，它们在同等供水条件下比K1具有更大的生物量产出；3个材料叶片的瞬时水分利用效率（WUEI）均随干旱胁迫的加剧表现先升后降的趋势，且胁迫处理均高于适宜水分处理。随水分胁迫的加剧，各品种刺槐苗木叶片的13C显著升高；K2、K3的13C在各水分条件下均高于K1；各材料叶片的13C与其WUEL有良好的正相关性，可以作为筛选高WUE刺槐品种的指标。

4　四倍体刺槐开发利用前景及展望

四倍体刺槐分饲料型和速生用材型2种。饲料型四倍体刺槐为优质的木本饲料，具有成本低，营养价值高，且畜禽适口性好，用材型四倍体刺槐较普通刺槐具有木材坚韧细致、有弹性、抗冲击、耐腐朽、耐盐、耐瘠薄土地、适生范围广等优点，可用于营造速生丰产用材林、饲料林、薪炭林、防风林、固沙林、水源涵养林等。这2个类型均适宜在中国华北黄土高原和太行山中山区的宜林荒山荒坡、退耕还林、弃耕地、荒漠化治理、盐碱地改造、水土流失治理等工程中广为栽培［17-18］。因此，四倍体刺槐的开发利用前景非常广阔。

针对目前国内四倍体刺槐的研究现状提出以下建议：①四倍体刺槐在引种栽培、快繁体系研究方面取得大量的研究成果，但在有性繁殖方面研究较少，有待加强进一步的研究。②在遗传转化基因研究方面取得一定的成绩，但仍需加大抗逆性基因技术研究力度，为四倍体刺槐遗传育参考文献

种创新研究奠定基础。③在四倍体刺槐叶片营养成分方面的研究较多，但收割采集设备及青贮技术、木本饲料加工调制技术方面研究较少，在青贮加工技术上还不够成熟，有待进一步研究，为四倍体刺槐在深加工技术奠定坚实基础。

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S314

A

1005-6114（2016）03-060-006

2016-01-15

2015河南省基础与前沿技术研究项目（项目编号152300410011）

杨玉红（1966-），河南鹤壁人，教授，硕士，研究方向：生物技术。Tel：13353929590 E-mail：hbyangyuhong@163.com