苗期大豆對土壤水分和空氣濕度變化的生理生化響應(yīng)

樓靚珺，宋新山，趙曉祥

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

作為重要的油脂類作物，大豆(Glycinemax)是人類日常生活中最主要的食物之一，是我國草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重要的傳統(tǒng)生產(chǎn)植物。大豆根系不發(fā)達(dá)，對土壤缺水極其敏感，苗期的大豆對干旱的生理響應(yīng)更為敏感[1]。我國干旱頻發(fā)，東北地區(qū)春夏旱以及南方的伏旱、秋旱發(fā)生時(shí)，大豆通常處于苗期[2]。短時(shí)期或輕度干旱對壯苗及提高其抗旱能力有一定的積極作用，但是干旱程度過重會對大豆的后期生長造成傷害[3-4]。干旱可以分為土壤干旱和大氣干旱，而土壤缺水和大氣干燥都會對大豆造成生理危害、萎蔫甚至死亡。干旱脅迫下植物細(xì)胞的膜脂過氧化加劇，細(xì)胞滲透壓發(fā)生變化(如可溶性糖、游離脯氨酸等含量發(fā)生變化)，而保護(hù)酶(如SOD、POD及CAT等)系統(tǒng)會通過調(diào)節(jié)酶活性來清除自由基抵御氧化傷害。

目前，全球自然災(zāi)害頻發(fā)，“溫室效應(yīng)”使全球水循環(huán)加速，水汽流動會改變局部地區(qū)的正常氣候，并影響大氣相對濕度水平，繼而影響植物的生長和生理代謝活動[5-6]。植物通過根系和葉片吸收水分，土壤干旱會迫使植物從大氣中攝入更多的水汽來保障正常生理需要。但是，有關(guān)空氣濕度對大豆生長和生理變化影響的報(bào)道甚少[7-8]，有研究發(fā)現(xiàn),增加空氣濕度可影響葉片氣孔的開閉，緩解光合“午休”現(xiàn)象[9]，減弱土壤干旱及高溫對作物的傷害[10]。本研究以大豆為試驗(yàn)材料，在苗期進(jìn)行不同梯度土壤水分和空氣濕度處理，旨在研究大豆葉片的生理生化指標(biāo)對兩者互作的響應(yīng)，探討能否通過提高空氣濕度改變土壤干旱對大豆苗期生長的抑制，以及兩者是否存在協(xié)同作用。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料 2011年9月在人工氣候箱里控制溫濕度條件下培育大豆，供試大豆品種為“豫豆19”，從河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種子公司購買大豆種子。篩選顆粒圓潤、大小和色澤均勻、種皮完整、無明顯裂痕和斑點(diǎn)的大豆種子播種到裝有混合土(粘壤土與沙土體積比為2∶1)的塑料盆(內(nèi)徑22 cm，高度25 cm)內(nèi)，每盆6～7穴，每穴3粒，穴深3～5 cm。在萌芽期保證土壤田間持水量不低于75%。播種后的盆栽置于人工氣候箱(晝夜溫度25 ℃/20 ℃，光照時(shí)間12 h·d-1，空氣相對濕度水平按處理要求控制)中培養(yǎng)，不定期輪換各盆位置，避免光照對植株的影響。播種10 d后每盆留下長勢基本一致的大豆苗10株，每天定時(shí)測定土壤含水量，并及時(shí)補(bǔ)給水分，清除盆內(nèi)雜草。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 空氣濕度設(shè)3個(gè)梯度[11-12]，分別為低濕35%～45%(L)、中濕55%～65%(M)和高濕85%～95%(H)，各處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)種植4盆，每濕度條件共計(jì)12盆。土壤水分脅迫處理設(shè)4個(gè)梯度：對照組(C1)為田間最大持水量(MFC)的80%～85%，輕度干旱組(C2)為MFC的70%～75%，中度干旱(C3)為MFC的55%～60%，重度干旱(C4)為MFC的35%～40%。

1.3測定指標(biāo)及方法 葉片相對含水量(LRWC)參照鄒琦[13]的方法測定：

葉片相對含水量=(鮮質(zhì)量-烘干質(zhì)量)/(飽水質(zhì)量-烘干質(zhì)量)×100%。

可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[14]；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定[14]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[15]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化還原法測定[16-17]；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測定[16-17]。

1.4數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SE)，用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析，用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相關(guān)性分析，用Origin軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1空氣濕度對大豆葉片丙二醛含量的影響 C3和C4處理組在低濕(L)環(huán)境下的MDA含量比C2組分別高55%和134%(圖1)。當(dāng)提高空氣相對濕度至M水平時(shí)，C3和C4的MDA含量與濕度為L時(shí)相比分別顯著減小了13.9%和30.9%(P<0.05)。當(dāng)空氣濕度繼續(xù)提高至H水平時(shí)，4組MDA含量也都有不同程度的下降，C4顯著下降36%(P<0.05)。干旱處理由5 d(圖1A)增加至10 d時(shí)(圖1B),MDA含量隨著干旱時(shí)間延長小幅上升。

2.2空氣濕度對大豆葉片相對含水率的影響 隨著土壤干旱程度加劇，葉片LRWC降低(圖2)。增加空氣濕度后葉片LRWC提高，且重度干旱C4組對空氣濕度的響應(yīng)顯著優(yōu)于對照組(P<0.05)。干旱5 d后，C4的高濕處理比中、低濕度處理分別高5.1%、17.9%(圖2A)；干旱10 d后，C4的高濕處理比中、低濕度處理分別高7.9%、19.7%(圖2B)。比較干旱處理5和10 d可以看出，隨著干旱時(shí)間延長，葉片LRWC降低。輕度和中度干旱(C2、C3)有所下降，幅度最大為C2-L組合，下降4.7%。對于重度干旱C4組尤其是低濕(L)下葉片LRWC顯著降低了7.9%，高濕(H)下延長干旱時(shí)間，葉片LRWC下降5%。

圖1 土壤水分和空氣相對濕度對干旱5 d(A)和干旱10 d(B)的大豆MDA含量的影響Fig.1 Influence of soil moisture and air humidity changes for 5 d(A)and 10 d(B) on MDA content

圖2 土壤水分和空氣相對濕度對干旱5 d(A)和干旱10 d(B)的大豆LRWC的影響Fig.2 Influence of soil moisture and air humidity changes for 5 d(A) and 10 d(B) on LRWC

2.3空氣濕度和土壤水分脅迫對大豆細(xì)胞滲透壓的影響

2.3.1可溶性糖含量的變化 隨著土壤水分脅迫程度加深和干旱時(shí)間的延長，大豆的可溶性糖含量增加(圖3)。低濕環(huán)境下，C4處理5 d，可溶性糖增加量比C1、C2以及C3分別提高33.8%、33.3%以及24.9%。L濕度下，C3和C4從干旱5 d到干旱10 d可溶性糖含量增加22.9%和19.9%；H濕度時(shí)增加10.8%和26.9%?？諝鉂穸壬仙?，可緩解植物干旱壓力，使可溶性糖含量降低，對中、重度干旱更加顯著(P<0.05)。干旱5 d(圖3A)C4的高濕處理比中、低濕度處理的可溶性糖含量分別低28.7%和74.6%，干旱10 d(圖3B)時(shí)分別低29.3%和64.9%。

圖3 土壤水分和空氣相 地濕度對干旱5 d(A)和干旱10 d(B)的大豆葉片可溶性糖含量的影響Fig.3 Influence of soil moisture and air humidity changes for 5 d(A) and 10 d(B)on soluble sugar content

2.3.2游離脯氨酸含量的變化 隨著干旱程度加深，脯氨酸含量上升(圖4)。提高空氣濕度及延長干旱時(shí)間，可使游離脯氨酸含量降低。高濕處理下的葉片游離脯氨酸含量顯著低于低濕處理(P<0.05)，5 d干旱處理(圖4A)的C4高濕處理比低濕低33.6%。

2.4空氣相對濕度對大豆葉片SOD活性的影響 隨干旱脅迫加劇及時(shí)間增加，大豆葉片SOD活性下降(圖5)。但是C3-M組合SOD活性比C2-M的高，可能是此時(shí)C3-M的·O2-等活性氧自由基積累反饋導(dǎo)致的。提高空氣濕度能顯著增強(qiáng)葉片SOD酶活性(P<0.05)。低濕環(huán)境下干旱脅迫增加的前3個(gè)階段SOD含量小幅的先降后升(圖5A)；在C4嚴(yán)重缺水時(shí)與C2相比下降68%。當(dāng)空氣濕度上升為M，C1、C2、C3和C4脅迫處理的SOD含量都有所上升，分別為31.6%、11.6%、31.5%和49.8%。隨著干旱時(shí)間延長至10 d(圖5B)，活性氧積累，SOD活性降低。其中延長干旱時(shí)間對高濕處理下C4的SOD活性影響最大，從70.5 U·g-1降低到53.6 U·g-1。低濕條件下C1組SOD活性下降，提高空氣濕度至H使其活性顯著提高62.8%(P<0.05)。

2.5POD活性與空氣相對濕度的關(guān)系 在空氣相對濕度較低條件下，大豆葉片POD活性在土壤干旱脅迫加劇情況下加強(qiáng)，隨著空氣濕度改變，POD變化顯著(P<0.05)(圖6)。低濕下干旱5 d(圖6A)，C4處理比C1的POD活性增加34.2%，高濕處理增加10.6%。增加干旱時(shí)間(圖6B)，POD活性上升。濕度越低，干旱脅迫越強(qiáng)，干旱時(shí)間越長，POD活性就越高。

圖4 土壤水分和空氣相對濕度對干旱5 d(A)和干旱10 d(B)的大豆對葉片游離脯氨酸含量的影響Fig.4 Influence of soil moisture and air humidity changes for 5 d(A) and 10 d(B) on free proline content

圖5 土壤水分和空氣相對濕度變化對干旱5 d(A)和干旱10 d(B)的大豆SOD活性的影響Fig.5 Influence of soil moisture and air humidity changes for 5 d(A) and 10 d(B) on SOD activity

圖6 土壤水分和空氣相對濕度變化對干旱5 d(A)和干旱10 d(B)的大豆POD的影響Fig.6 Influence of soil moisture and air humidity changes for 5 d(A) and 10 d(B) on POD activity

3 討論與結(jié)論

在受到干旱、鹽堿等逆境脅迫時(shí)，植物細(xì)胞膜會發(fā)生膜脂過氧化作用。MDA作為細(xì)胞膜脂過氧化作用的主要產(chǎn)物之一，其含量增加說明細(xì)胞膜脂過氧化加劇，植物遭受逆境傷害嚴(yán)重[18-19]。干旱脅迫程度加重會造成植物萎蔫度和細(xì)胞膜通透度不斷升高，同等干旱脅迫下空氣濕度高的作物細(xì)胞膜透性較高[20-21]。本研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫程度的加劇和干旱時(shí)間的延長，大豆幼苗的生長發(fā)育受害嚴(yán)重。輕度干旱與對照組植物性狀差異不明顯。

土壤環(huán)境處于輕度或中度干旱而空氣濕度高時(shí)，植物可以通過葉片氣孔吸收水汽來補(bǔ)充水分，減弱土壤缺水造成的傷害。即提高空氣濕度在一定程度上可以減輕豆苗干旱損傷。當(dāng)土壤缺水嚴(yán)重時(shí)，大豆幼苗萎蔫，生長受阻，僅靠增加空氣濕度方式收效甚微，提高空氣濕度對改善性狀效果不明顯，不能緩解土壤干旱危機(jī)。

本研究中，隨著土壤干旱程度加劇，大豆MDA含量增加，這說明細(xì)胞膜脂過氧化加劇，重度干旱下植物生理性狀變化表現(xiàn)更加明顯。同時(shí)，可溶性糖和脯氨酸含量的上升也表明植物已經(jīng)開始對干旱做出應(yīng)激反應(yīng)。提高空氣濕度能減緩MDA的積累速率，改善土壤缺水對植物細(xì)胞膜脂過氧化危害，對高濕環(huán)境嚴(yán)重缺水組的減緩作用尤其明顯。延長干旱時(shí)間會增加MDA的積累，但空氣濕度對MDA積累的影響更大。當(dāng)干旱脅迫加劇時(shí)，植物體會產(chǎn)生一系列應(yīng)激反應(yīng)，通過可溶性糖、游離脯氨酸等的積累來減弱植物的干旱危機(jī)。隨著干旱時(shí)間的延長，可溶性糖含量上升。隨著空氣濕度的升高，葉片細(xì)胞的可溶性糖和游離脯氨酸等小分子物質(zhì)的積累減少，說明一定程度上減輕了干旱危機(jī)。這樣有利于植物在干旱條件下吸收水分，保證細(xì)胞不缺水，提高抗脅迫能力。李明等[22]的研究認(rèn)為干旱脅迫會改變植物細(xì)胞膜的滲透勢，導(dǎo)致膜脂過氧化，引起MDA含量增加，與本研究得到的結(jié)果一致。

在遇到逆境脅迫(如干旱、高溫、鹽堿、水澇、凍害和環(huán)境污染等)時(shí)，植物體內(nèi)活性氧大量積累[23]，破壞了原本的平衡體系，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氨基酸、蛋白質(zhì)、膜脂類和DNA氧化發(fā)生改變，造成生長發(fā)育受阻[24-25]。本研究表明，植物葉片SOD活性與植物水分狀況有關(guān)，植物水分虧缺會導(dǎo)致SOD活性下降。隨著干旱時(shí)間延長和干旱程度加深，SOD活性減弱，POD活性升高，而提高空氣濕度能增強(qiáng)SOD活性，清除更多的超氧陰離子，同時(shí)生成的H2O2可通過POD進(jìn)一步分解利用。此外，隨空氣濕度的提高，抗氧化酶系中SOD活性增加，POD活性下降，兩者含量一上一下共同保證整個(gè)抗氧化酶系的動態(tài)平衡。

植物或通過葉片從空氣攝入水分，或根系吸收土壤水分。若某條途徑受阻，為了保證植物體內(nèi)水分供應(yīng)，勢必會增加另一途徑攝入的水分量。本研究發(fā)現(xiàn)，兩條途徑有主次之分，土壤水分狀態(tài)直接影響植物體的生長情況，單單提高空氣濕度對改善植物干旱損傷的效果不是很大。當(dāng)土壤干旱時(shí)，提高大氣相對濕度并不能彌補(bǔ)土壤水分虧缺造成的傷害，但能在一定程度上減弱這種傷害。需要及時(shí)掌握土壤水分變化，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上采取適當(dāng)?shù)墓喔却胧┍ＷC作物的正常生長和產(chǎn)量。

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