大豆耐熱機(jī)制的自然積累*

顧和平，袁星星，陳 新，陳華濤，崔曉艷，張紅梅

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，南京 210014）

長(zhǎng)江中下游地區(qū)和中國(guó)南方夏大豆區(qū)，大豆生長(zhǎng)中后期常受高溫逆境的威脅，嚴(yán)重影響大豆的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]，2003年7月底8月初和2010年8月的連續(xù)高溫，不僅給上述地區(qū)的水稻帶來(lái)較大面積的嚴(yán)重減產(chǎn)[2-3]，而且嚴(yán)重影響了大豆的產(chǎn)量。隨著人類社會(huì)城市化步伐的不斷加快，石化燃料的大量使用，地球上的溫室效應(yīng)日益明顯，據(jù)估計(jì)到2100年，地球的平均溫度還將上升1.8～4.0℃[4]，高溫作物遭受強(qiáng)高溫脅迫的危險(xiǎn)會(huì)越來(lái)越大。適當(dāng)遲播，可以在一定程度上規(guī)避大豆生長(zhǎng)中后期的高溫危險(xiǎn)，培育耐熱品種也是解決大豆高產(chǎn)的一種方法。作物的自然馴化和獲得性遺傳也啟迪我們，綜合性狀較為優(yōu)良、但是耐熱性較差的品種，經(jīng)過(guò)多年的高溫鍛煉和獲得性遺傳，大豆的耐熱性可能會(huì)得到明顯改良。生物在個(gè)體發(fā)育中，當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，往往會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變異，相應(yīng)于自然環(huán)境的變異就是適應(yīng)，相應(yīng)于人工環(huán)境的變異就是馴化，這些變異性狀在生物學(xué)中稱之為獲得性狀（Acquired characteristics）[5]，1998年9月8日，Cairns等在英國(guó)的《自然》雜志上發(fā)表了《突變的起源》，介紹了乳糖誘導(dǎo)能利用乳糖的突變，認(rèn)為事實(shí)上存在適應(yīng)性突變（Adaptive mutation）及定向突變（Directedmatution），此后不少學(xué)者發(fā)表了適應(yīng)性突變的論文，證明適應(yīng)性突變不是偶然的個(gè)別現(xiàn)象，而是帶有一定的普遍性[6]。1994年，F(xiàn)oster和Rosenberg等通過(guò)對(duì)大腸桿菌FC40的研究指出，細(xì)菌在環(huán)境壓力下，可以主動(dòng)改變遺傳結(jié)構(gòu)，通過(guò)重組新基因來(lái)應(yīng)付外部環(huán)境的改變[7]。也有報(bào)道，長(zhǎng)期的高溫逆境會(huì)引起生物性狀的改變，并且這種改變會(huì)遺傳給后代[8]，大面積生產(chǎn)遇到的高溫嚴(yán)重減產(chǎn)問(wèn)題經(jīng)常提醒我們，很有必要對(duì)大豆的耐熱性進(jìn)行認(rèn)真研究。制定大豆高溫馴化的研究方案，使供試材料在完全模擬自然的條件下接受高溫鍛煉，研究高溫馴化提高大豆耐熱性的實(shí)際效果。明確連續(xù)高溫栽培對(duì)大豆、乃至大多數(shù)農(nóng)作物的抗熱性影響。耐熱性較差、而其他性狀優(yōu)良的作物新品種，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)性種植后，其耐熱性和產(chǎn)量穩(wěn)定性會(huì)有所改善。許多農(nóng)家品種的耐熱性優(yōu)于新品種，長(zhǎng)期的高溫馴化使這些作物產(chǎn)生了獲得性遺傳可能是重要原因之一。建議新品種的更替速度不宜過(guò)快。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1988—1989年，選用江蘇省不同年代育成的代表性品種共50份，在塑料大棚內(nèi)進(jìn)行大豆品種耐熱性篩選，以露天栽培為對(duì)照，以結(jié)莢率和籽粒產(chǎn)量的下降情況作為耐熱性選擇的主要指標(biāo)。選出耐熱性不同的大豆品種共6個(gè)，它們是耐熱性較強(qiáng)品種岔路口1號(hào)、金大332，耐熱性中等品種蘇豐和58-161，耐熱性較差品種蘇系五號(hào)和蘇豆1號(hào)。1990年，將上述材料全部繁殖1次，然后隨機(jī)分成2份，1份用鋁箔紙袋密封后放入-18℃的冷庫(kù)，于2000和2010年各種植1次，以便更新種子生活力。2000和2010年的播種材料分別來(lái)自于1990和2000年收獲的種子的隨機(jī)樣本。另1份每2年種植1次，連續(xù)種植10次，每次播種所用材料均為前一種植年份收獲的種子的隨機(jī)樣本。每年均在6月10—20日播種，開(kāi)花時(shí)間穩(wěn)定在7月底到8月20日左右，讓這些品種接受高溫逆境的自然考驗(yàn)，并在后來(lái)檢驗(yàn)其耐熱性機(jī)制的自然積累程度。2010年，將連續(xù)種植過(guò)10次的6個(gè)品種編號(hào)為XH1（岔路口1號(hào)）、XH2（金大332）、XH3（蘇豐）、XH4（58-161）、XH5（蘇系5號(hào)）、XH6（蘇豆1號(hào)）。

將存放在冷庫(kù)，僅種植過(guò)2次的6個(gè)大豆品種編號(hào)為PT1（岔路口1號(hào)）、PT2（金大332）、PT3（蘇豐）、PT4（58-161）、PT5（蘇系5號(hào)）、PT6（蘇豆1號(hào)）。

1.2 試驗(yàn)方法

2011年在南京六合江蘇省農(nóng)科院實(shí)驗(yàn)基地，采用4個(gè)長(zhǎng)40m、寬8m的大棚種植上述材料。大棚內(nèi)試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)行長(zhǎng)4m，4行區(qū)，行距0.5m，穴距0.2m，留苗1株，重復(fù)3次。2個(gè)大棚作高溫處理，即在大豆播種后30 d開(kāi)始，將大棚頂部蓋上塑料薄膜，使得大棚內(nèi)溫度白天控制在37℃，夜間控制在30℃，溫度的控制依靠開(kāi)關(guān)大棚左右兩側(cè)的塑料薄膜和預(yù)先裝備的尼龍網(wǎng)紗，溫度不夠時(shí)，密封塑料薄膜。另外2個(gè)大棚一直不加蓋塑料薄膜，大豆完全生長(zhǎng)在自然環(huán)境下，作為對(duì)照。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

大豆成熟時(shí)，收獲各小區(qū)的全部植株，并稱取每個(gè)小區(qū)的實(shí)際干籽粒產(chǎn)量。收獲前，在每個(gè)小區(qū)的中間行連續(xù)隨機(jī)取樣10株進(jìn)行室內(nèi)考種，以3個(gè)重復(fù)，共30個(gè)植株的平均值代表該品種相關(guān)農(nóng)藝性狀的表征值。考種后單株籽粒產(chǎn)量稱重后并入相應(yīng)小區(qū)。各處理、各品種之間農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的差異顯著性以新復(fù)極差分析法表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫栽培下耐熱馴化品種和未馴化品種的小區(qū)籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)

2.1.1 高溫脅迫栽培對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量的影響 由表1和表2可見(jiàn)，試驗(yàn)環(huán)境（高溫脅迫栽培和常溫栽培）之間的差異達(dá)極顯著水平，F(xiàn)=13939，說(shuō)明采用塑料薄膜大棚加熱，實(shí)行白天（8:00～18:00）37℃、夜間（18:00～8:00）30℃的高溫栽培，對(duì)檢驗(yàn)?zāi)蜔狁Z化品種的耐熱性積累響應(yīng)是有效的。

高溫脅迫對(duì)全部參試材料具有顯著的負(fù)向效應(yīng)。綜合計(jì)算，高溫脅迫栽培下的大豆產(chǎn)量平均為1 303 g，比常溫栽培的產(chǎn)量2 047 g下降了57.10%，達(dá)極顯著水平。分類計(jì)算，經(jīng)過(guò)耐熱馴化的大豆產(chǎn)量下降了33.06%，未經(jīng)耐熱馴化的大豆品種的籽粒產(chǎn)量下降了95.60%。

表1 高溫栽培下馴化品種與未馴化品種的產(chǎn)量比較

表2 常溫栽培下馴化品種與未馴化品種的產(chǎn)量比較

2.1.2 高溫栽培下馴化品種和未馴化品種的產(chǎn)量表現(xiàn) 6個(gè)品種的整體抗熱性增強(qiáng)。在高溫逆境下，經(jīng)過(guò)馴化的6個(gè)品種，其小區(qū)平均籽粒產(chǎn)量是1 603 g，未經(jīng)馴化的品種，平均產(chǎn)量是1 002 g，馴化品種增產(chǎn)了59.98%。在常溫栽培環(huán)境下，高溫馴化品種的平均產(chǎn)量是2 133 g，比未馴化品種的1 960 g增產(chǎn)8.83%，達(dá)顯著水平（見(jiàn)表1和表2）。

基礎(chǔ)耐熱水平不同的品種，經(jīng)過(guò)耐熱馴化后，耐熱性提高的程度有很大差異。本試驗(yàn)在高溫和常溫栽培下，比較了基礎(chǔ)耐熱水平不同的品種，經(jīng)過(guò)10次高溫種植后，與未馴化品種相比，大豆籽粒產(chǎn)量的差異，以產(chǎn)量的高低間接代表高溫馴化后的耐熱機(jī)制積累情況，結(jié)果表明，基礎(chǔ)耐熱性較強(qiáng)的品種，高溫馴化后，耐熱性增加了40.50%；基礎(chǔ)水平中等的品種，經(jīng)過(guò)高溫馴化后，耐熱性增強(qiáng)了47.44%；基礎(chǔ)水平較差的品種，經(jīng)過(guò)耐熱馴化后，耐熱性增強(qiáng)了114.25%。因此，我們初步認(rèn)為，高溫馴化可以顯著提高大豆的耐熱性；基礎(chǔ)耐熱性水平不同的品種對(duì)高溫馴化的響應(yīng)也不同，基礎(chǔ)耐熱性較強(qiáng)的品種，高溫馴化后，耐熱性提高的速度較慢，基礎(chǔ)耐熱性較差的品種，高溫馴化后，耐熱性增強(qiáng)的效果更好。

2.2 高溫脅迫栽培對(duì)耐熱馴化品種和未馴化品種農(nóng)藝性狀的影響

2.2.1 高溫脅迫栽培對(duì)品種農(nóng)藝性狀的影響 高溫脅迫對(duì)全部參試品種的農(nóng)藝性狀影響為，單株平均產(chǎn)量下降了35.82%，為16.39 g；單株莢數(shù)平均下降了30.11%，為40.29個(gè)；每莢粒數(shù)平均下降了12.40%，為1.74粒；百粒重上升了1.4%，達(dá)到22.73 g（見(jiàn)表3）。

2.2.2 高溫栽培對(duì)耐熱馴化品種和未馴化品種農(nóng)藝性狀的影響 由表3和表4分析可見(jiàn)，高溫栽培對(duì)耐熱馴化品種和未馴化品種農(nóng)藝性狀均有不同程度的影響。

對(duì)單株產(chǎn)量的影響：馴化品種比未馴化品種增產(chǎn)62.66%，達(dá)到20.30 g，未馴化品種平均是12.48 g?；A(chǔ)耐熱性強(qiáng)的品種，單株產(chǎn)量比未馴化品種增加46.03%，達(dá)到23.00 g，未馴化品種是15.75 g；基礎(chǔ)耐熱水平中等的品種，單株產(chǎn)量增加了49.61%，達(dá)到19.15 g，未馴化品種是12.80 g；基礎(chǔ)水平差的品種，單株產(chǎn)量增加了111.79%，達(dá)到18.85 g，未馴化品種是8.90 g。

表3 高溫栽培下馴化品種與未馴化品種的產(chǎn)量性狀比較

表4 常溫栽培下馴化品種與未馴化品種的產(chǎn)量性狀比較

對(duì)單株莢數(shù)的影響：馴化品種增加了43.70%，達(dá)到41.8個(gè)，未經(jīng)馴化的品種平均是30.07個(gè)。基礎(chǔ)耐熱性強(qiáng)的品種，經(jīng)過(guò)馴化莢數(shù)提高了20.59%，達(dá)到49.5個(gè)，未馴化品種，平均是41.05個(gè)；基礎(chǔ)耐熱性中等品種，馴化后莢數(shù)提高了34.11%，達(dá)到43.05個(gè)，未馴化品種平均32.1個(gè)；基礎(chǔ)耐熱性差的品種，馴化后莢數(shù)提高了91.94%，達(dá)到50個(gè)，未馴化品種是26.05個(gè)。

對(duì)每莢粒數(shù)的影響：馴化品種每莢粒數(shù)提高了13.37%，達(dá)到1.85粒，未經(jīng)高溫馴化的品種平均是1.63粒。基礎(chǔ)耐熱性強(qiáng)的品種，經(jīng)過(guò)馴化后，每莢粒數(shù)提高了20.61%，達(dá)到1.99粒，未馴化品種是1.65粒；基礎(chǔ)耐熱性中等的品種，經(jīng)過(guò)高溫馴化后，提高了2.01%，達(dá)到1.78粒，未馴化品種是1.74粒；基礎(chǔ)耐熱性差的品種，馴化后提高了18.54%，達(dá)到1.79粒，未馴化品種是1.51粒。

對(duì)百粒重的影響：6個(gè)品種平均馴化后百粒重下降了2.74%，達(dá)到了22.45 g，未馴化品種為23.08 g?；A(chǔ)耐熱性強(qiáng)的品種，馴化后百粒重下降了2.92%，為23.25 g，未馴化品種為23.95 g；基礎(chǔ)耐熱性中等品種，馴化后增加了1.08%，為23.40 g，未馴化品種為23.15 g；基礎(chǔ)耐熱性差的品種，馴化后下降了6.55%，達(dá)到20.70 g，未馴化品種為22.15 g。

綜上所述，在高溫脅迫栽培環(huán)境下，耐熱馴化品種比未經(jīng)馴化品種具有更好的抗逆境能力，在全部參試品種的水平上，單株產(chǎn)量、單株莢數(shù)和每莢粒數(shù)分別增加62.89%、43.70%和13.37%。百粒重則下降了2.74%?；A(chǔ)耐熱性強(qiáng)的品種，在單株產(chǎn)量、單株莢數(shù)和每莢粒數(shù)上分別增加了46.03%、20.59%和20.61%?；A(chǔ)耐熱性中等的品種，相應(yīng)增加了49.61%、34.11%和2.01%；基礎(chǔ)耐熱性差的品種，則相應(yīng)增加了111.79%、91.79%和18.54%。說(shuō)明基礎(chǔ)耐熱性不同的品種，高溫馴化的效果具有很大差異，越是基礎(chǔ)耐性差的材料，高溫馴化的效果就越好。

3 討論

3.1 高溫逆境下，花器是最敏感的受害部位

大量研究表明，在高溫逆境下，作物的雄性花器是最敏感的受害部位。湯日圣等2006年用4個(gè)水稻品種進(jìn)行高溫逆境處理[9]，郭晶心等2010年對(duì)不同品種水稻進(jìn)行高溫試驗(yàn)[10]，李訓(xùn)貞等2003年對(duì)水稻花粉活力的研究都說(shuō)明了這一點(diǎn)[11]。本次試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)高溫馴化的材料比未馴化材料增產(chǎn)69.38%，進(jìn)一步分析得知，基礎(chǔ)耐熱性較強(qiáng)的材料，經(jīng)過(guò)馴化后增產(chǎn)了40.50%，基礎(chǔ)耐熱性中等的材料增產(chǎn)了47.38%，基礎(chǔ)耐熱性較差的材料馴化后增產(chǎn)了114.25%。產(chǎn)量的增加主要來(lái)源于單株莢數(shù)的增加。通過(guò)產(chǎn)量構(gòu)成因素可以看到，馴化品種的單株莢數(shù)平均增加了43.70%，每莢粒數(shù)僅增加了13.37%，而莢數(shù)的增加首先需要的是大豆花粉粒正常，受精條件良好。未馴化品種的產(chǎn)量較低，原因較多，但花粉粒生活力不強(qiáng)、受精環(huán)境不好肯定是重要原因之一。

3.2 高溫逆境下，作物會(huì)通過(guò)多種生理反應(yīng)進(jìn)行自我防御

黃英金等2004年報(bào)道耐熱型水稻品種在高溫脅迫時(shí)，劍葉的光合速率下降幅度明顯變小，脅迫解除后恢復(fù)也快，葉綠素含量、RuBpc的活性及內(nèi)源多胺含量的變化趨勢(shì)與光合速率相一致[12]，這些均是水稻耐高溫的重要生理特征。曹云英等2010年指出，高溫脅迫導(dǎo)致水稻葉片中蛋白質(zhì)的變化呈4種狀態(tài)，新蛋白質(zhì)的產(chǎn)生、一些蛋白質(zhì)的表達(dá)量上調(diào)、一些蛋白質(zhì)的表達(dá)被抑制、一些蛋白質(zhì)的表達(dá)量下降[13]。路子顯等1998年指出，高溫脅迫下，大豆體內(nèi)的熱激蛋白含量會(huì)明顯提高[14]。上述研究都從一個(gè)側(cè)面報(bào)道了作物在高溫脅迫下的自我調(diào)節(jié)和自我防御方法。實(shí)際上，作物在高溫脅迫下，首先受害的還是生殖器官，因?yàn)樯称鞴俦戎疇I(yíng)養(yǎng)器官具有更大的逆境敏感性。作物在逆境下，優(yōu)先考慮的是拋棄那些沒(méi)有自養(yǎng)能力、且活力脆弱的組織和器官，這也是逆境下，生殖器官受害更重的原因之一。

3.3 大豆耐熱機(jī)制的積累可能主要來(lái)源于沉默基因被不斷激活

據(jù)初步研究，大豆一共有5萬(wàn)多個(gè)基因，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的基因通過(guò)一系列非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)型控制，決定著大豆數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀的形成和表達(dá)。大豆在一生中，能夠表達(dá)出來(lái)的性狀很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5萬(wàn)個(gè)基因所能發(fā)揮的作用。很多基因在一般情況下都處于沉默狀態(tài)，沒(méi)有特定的環(huán)境、沒(méi)有特定的刺激，這些基因?qū)⒉粫?huì)被激活，那些關(guān)閉的基因并不影響作物正常的生理功能。在我們的試驗(yàn)中，通過(guò)連續(xù)10年的高溫季節(jié)種植，大豆的耐熱性得到了明顯的積累，和未經(jīng)馴化的品種相比，產(chǎn)量有了顯著提高，這種積累是一個(gè)逐步的和緩慢的過(guò)程。是什么造成了這種積累？我們推測(cè)，在大豆開(kāi)花結(jié)莢期，每次遇到高溫天氣，就會(huì)有一部分耐熱基因從沉默狀態(tài)被激活，這種激活是不可逆的，一旦被激活，它將在后代得到穩(wěn)定的遺傳和表達(dá)。

大豆耐熱基因的激活具有積累性和遞增性，即先前被激活的基因是閾值較低的沉默基因，只有在低閾值基因全部被激活后，高能量閾值基因才會(huì)被激活。所以，經(jīng)過(guò)多年的高溫自然馴化，大豆耐高溫的高能量閾值基因被不斷激活，并不斷積累和遺傳下去，這樣就使得大豆的耐高溫能力不斷加強(qiáng)。我們?cè)O(shè)想，在作物生長(zhǎng)早期，讓其經(jīng)受多種逆境的鍛煉和考驗(yàn)，可能會(huì)及早喚醒多種沉默基因，使其及早對(duì)多種逆境具有很好的抗性。轉(zhuǎn)基因技術(shù)使人類的遺傳育種事業(yè)翻開(kāi)了嶄新的一頁(yè)，那么，通過(guò)多種刺激，喚醒多種沉默的、生物體內(nèi)本身已經(jīng)具備的基因也值得我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

4 結(jié)論

連續(xù)高溫馴化可以顯著提高大豆的耐熱性，表現(xiàn)為在高溫條件下，產(chǎn)量增加60%左右，在產(chǎn)量因素中，增加的效應(yīng)依次為單株莢數(shù)大于每莢粒數(shù)大于百粒重，說(shuō)明耐熱性的增強(qiáng)反應(yīng)在農(nóng)藝性狀上，主要是單株莢數(shù)的增加，即提高了花器官的耐熱性和受孕能力。

不少農(nóng)家品種的耐熱性強(qiáng)于以產(chǎn)量為主要選擇目標(biāo)的大豆新品種，這是大豆經(jīng)過(guò)高溫馴化后耐熱性逐步增強(qiáng)的佐證之一。

作物新品種的產(chǎn)量和抗性穩(wěn)定性是作物的遺傳型與所處的生態(tài)環(huán)境不斷磨合、不斷適應(yīng)的結(jié)果，為減少作物新品種由于較大的產(chǎn)量選擇壓帶來(lái)的遺傳脆弱性，品種的更新不宜過(guò)于頻繁。

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