中国北方寒区苜蓿品种适应性多维评价：基于代谢组学与土壤微生物组的协同调控机制解析

针对寒区苜蓿优质种质匮乏与评价体系不完善的问题，研究人员通过整合农艺性状、营养指标、根系代谢组（LC-MS/MS）、抗寒生理（POD/CAT活性）及土壤微生物组（metagenomics）等多维数据，发现本土品种龙牧801通过玉米素生物合成和ABC转运体通路实现稳定适应，而引进品种存在连作障碍风险，为寒区苜蓿精准育种提供新策略。

　　

在全球饲草安全面临气候变化的背景下，苜蓿作为优质豆科牧草，其寒区栽培面临两大挑战：一是极端低温导致越冬存活率低，二是传统评价体系难以揭示品种适应性的内在机制。中国东北地区作为典型寒区，黑土资源丰富但冬季严寒（极端低温-38.1°C），亟需建立科学的品种适应性评价体系。

东北农业大学植物保护学院的研究团队创新性地构建了涵盖农艺性状、营养品质、抗寒生理、根系代谢组和土壤微生物组的"五位一体"评价模型。通过对龙牧801（本土品种）与驯鹿（加拿大）、中苜1号、WL298HQ（美国）四个品种的两年田间试验结合实验室分析，发现本土品种通过代谢-微生物协同调控展现显著优势。相关成果发表于《Industrial Crops and Products》。

研究采用UHPLC-MS/MS进行非靶向代谢组学分析，结合宏基因组测序（PE150，Q ExactiveTM HF质谱）解析微生物群落；通过人工气候室模拟4°C低温胁迫测定POD（过氧化物酶）、SOD等抗寒指标；采用模糊隶属函数法进行多指标综合评价。

3.1 农艺性状与营养指标

龙牧801首年干鲜比（32.09%）和粗蛋白（16.85%）显著领先，次年仍保持较高RUP（瘤胃非降解蛋白，30.54%）；驯鹿株高优势明显（49.45 cm）但纤维含量较高。

3.2 抗寒生理机制

低温胁迫下，龙牧801的POD活性提升1.8倍，脯氨酸和可溶性蛋白显著积累；而驯鹿可溶性糖下降，WL298HQ的MDA（丙二醛）含量升高，揭示本土品种更优的氧化应激调控能力。

3.3 土壤微生物-酶协同

龙牧801根际酸杆菌门（Acidobacteriota）占比达28.4%，与纤维素酶（r=0.91）、蔗糖酶活性显著正相关；中苜1号根际脱硫杆菌（Desulfobacterota_B）富集可能导致土壤厌氧环境恶化。

3.4 根系代谢特征

代谢组学发现驯鹿积累抑制生长的N-对香豆酰亚精胺，WL298HQ富含自毒物质(2S)-异黄腐醇；龙牧801则显著富集玉米素生物合成通路（log₂FC=3.2）和ABC转运体相关代谢物。

讨论与意义

该研究首次揭示寒区苜蓿"代谢-微生物-酶"三维适应网络：本土品种通过玉米素调控细胞分裂，配合酸杆菌门驱动的碳循环实现稳态适应；引进品种虽短期生长快，但积累自毒物质和病原菌（如Verrucomicrobiota）导致连作障碍。提出的多维评价体系突破传统农艺指标局限，为寒区苜蓿品种选育与土壤微生态调控提供理论依据。未来需扩大地理尺度验证，并探索关键基因（如ABC转运体家族）的分子调控机制。