不同耐旱型大豆根系生理生化特性對(duì)不同降雨氣候條件的響應(yīng)

閆春娟， 宋書(shū)宏， 王文斌， 王昌陵， 張立軍， 曹永強(qiáng)， 孫旭剛， 武麗石， 王雅珍， 陳艷秋， 韓毅強(qiáng)

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，遼寧沈陽(yáng) 110161； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶 163319)

大豆是一種需水較多的作物，干旱是限制遼寧省西部地區(qū)大豆生長(zhǎng)的最主要自然災(zāi)害，在土壤干旱脅迫條件下，作物最先感受脅迫的器官是根系，通過(guò)根系生長(zhǎng)和代謝的相應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)逆境脅迫，因此根系抗逆機(jī)制的研究日益引起重視[1-2]。植株的抗旱性是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累、膜脂成分的變化、自由基的清除以及蛋白的誘導(dǎo)形成激素調(diào)節(jié)等綜合因素作用的結(jié)果[3]。滲透調(diào)節(jié)和細(xì)胞膜穩(wěn)定性在提高根系吸水和保水能力方面起著至關(guān)重要的作用，是植物抵御干旱脅迫的2種重要方式。干旱條件下植株體內(nèi)積累較多的脯氨酸、甜菜堿和可溶性糖等有機(jī)調(diào)節(jié)物質(zhì)，以降低植株的滲透勢(shì)，防止水分流失[4-5]。許多研究表明，生物膜特別是質(zhì)膜在植物抗性方面起著非常重要的作用[6]，膜脂過(guò)氧化是造成膜受損的關(guān)鍵因素，主要是由活性氧等自由基物質(zhì)所引發(fā)的，超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)等是膜脂過(guò)氧化酶促防御系統(tǒng)的重要保護(hù)酶，能有效清除活性氧，減輕膜脂過(guò)氧化作用[7]。目前，關(guān)于干旱脅迫對(duì)大豆生理生化指標(biāo)影響的研究較少，且主要集中于植株葉片滲透調(diào)節(jié)和抗氧化酶活性變化對(duì)水分脅迫的響應(yīng)[8-9]。而有關(guān)干旱脅迫環(huán)境對(duì)大豆根系滲透調(diào)節(jié)和抗氧化系統(tǒng)的保護(hù)作用的研究報(bào)道較少。本研究以不同耐旱型大豆為試驗(yàn)材料，探討不同降雨特征下大豆根系抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，以期進(jìn)一步完善大豆的抗旱機(jī)制，為大豆抗旱品種的選育和節(jié)水高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種為耐旱型品種遼豆14和干旱敏感型品種遼豆21，二者均為遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的優(yōu)良大豆品種。遼豆14，亞有限結(jié)莢習(xí)性，株高89.3 cm，白花，灰毛。遼豆21，亞有限結(jié)莢習(xí)性，株高87.6 cm，紫花，灰毛。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年在遼寧省半干旱地區(qū)阜新(42°13′N(xiāo)，121°72′E)和濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)(41°49′ N，123°32′ E)進(jìn)行，阜新屬北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量 500 mm，年均氣溫7.2 ℃，≥10 ℃活動(dòng)積溫3 298.3 ℃，無(wú)霜期150 d。沈陽(yáng)處于松遼平原南部的中心地帶，屬溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量716.2 mm，年均氣溫 6～8 ℃，≥10 ℃活動(dòng)積溫3 300～3 400 ℃，無(wú)霜期155～180 d。

試驗(yàn)將耐旱型品種遼豆14和非耐旱型品種遼豆21分別種植在半干旱地區(qū)阜新和濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)。試驗(yàn)共4個(gè)處理，分別為：F14：干旱地區(qū)阜新+遼豆14；F21：干旱地區(qū)阜新+遼豆21；S14：濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)+遼豆14；S21：濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)+遼豆21。小區(qū)設(shè)8行區(qū)，行長(zhǎng)7 m，壟距0.6 m，小區(qū)面積33.6 m2，每個(gè)處理重復(fù)3次。密度設(shè) 16.67萬(wàn)株/hm2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

分別在大豆的4節(jié)期(V4)、盛花期(R2)、盛莢期(R4)、鼓粒期(R6)取樣，測(cè)定植株根部可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、脯氨酸含量、MDA含量，SOD、POD、CAT活性?？扇苄蕴呛繙y(cè)定采用蒽酮比色法，可溶性蛋白質(zhì)測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)比色法，脯氨酸含量測(cè)定采用茚三酮顯色法，MDA含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法，SOD活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法，POD活性測(cè)定采用Sigma法，CAT活性測(cè)定參考Beers和Sizer改進(jìn)法，以1 min內(nèi)引起D240 nm減少0.1的酶量為1個(gè)酶活性單位。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖分析，用統(tǒng)計(jì)分析軟件DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降水特征下不同耐旱性大豆可溶性糖含量的變化

由圖1可以看出，同一處理、不同時(shí)期可溶性糖含量表現(xiàn)為R2期和R4期的值高于V4期和R6期。一般而言，半干旱地區(qū)阜新各處理的可溶性糖含量高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)，但多重比較結(jié)果表明，只有R2期處理F21顯著高于處理S14和S21，而其他各時(shí)期處理間差異均不顯著。相同降水條件下，遼豆21的可溶性糖含量高于遼豆14，但處理間均未達(dá)到顯著差異水平。

2.2 不同降水特征下不同耐旱性大豆可溶性蛋白質(zhì)含量的變化

由圖2可以看出，同一處理、不同時(shí)期可溶性蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為莢期(R4)和鼓粒期(R6)的值高于4節(jié)期(V4)和花期(R2)的值。一般情況下，半干旱地區(qū)阜新的可溶性蛋白質(zhì)含量高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)，但只有在R4期半干旱地區(qū)阜新的值顯著高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)。品種間可溶性蛋白質(zhì)含量的變化則因取樣時(shí)期和取樣地點(diǎn)的不同而表現(xiàn)出不同的特征。

2.3 不同降水特征下不同耐旱性大豆脯氨酸含量的變化

由圖3可以看出，半干旱地區(qū)阜新的脯氨酸含量高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)，且多數(shù)情況下差異達(dá)顯著或極顯著水平。相同降水條件下，阜新地區(qū)除V4期外不耐旱品種遼豆21的脯氨酸含量高于耐旱品種遼豆14；沈陽(yáng)地區(qū)，在V4期、R2期、遼豆21的脯氨酸含量高于耐旱品種遼豆14，在R4、R6期，則遼豆14的脯氨酸含量高于遼豆21。

2.4 不同降水特征下不同耐旱性大豆丙二醛(MDA)含量的變化

由圖4可以看出，同一處理、不同時(shí)期MDA含量表現(xiàn)為V4期值最低。一般情況下，半干旱地區(qū)阜新的MDA量高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)，V4期以F21的MDA值最高，且顯著高于其他處理；R2、R4期處理間差異均未達(dá)到顯著水平；R6期阜新地區(qū)2品種的MDA含量顯著高于沈陽(yáng)地區(qū)的值。一般而言，相同降水條件下遼豆21的MDA含量高于遼豆14。

2.5 不同降水特征下不同耐旱性大豆根酶活性的變化

2.5.1 不同降水特征下不同耐旱性大豆SOD活性的變化 由圖5可以看出，一般而言，同一處理不同時(shí)期SOD活性表現(xiàn)為V4和R2期值略高。一般而言，半干旱地區(qū)阜新的SOD活性值高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)，但只有在R6期處理間差異才顯著。品種對(duì)SOD活性的影響則因取樣時(shí)間和地點(diǎn)的不同而表現(xiàn)出差異。

2.5.2 不同降水特征下不同耐旱性大豆POD活性的變化 由圖6可以看出，一般而言，同一處理不同時(shí)期POD活性表現(xiàn)為V4期值最低。一般情況下，半干旱地區(qū)阜新的POD活性值高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)，且在R4期處理間差異達(dá)顯著水平。與其他各項(xiàng)指標(biāo)不同的是，一般而言，同一地區(qū)遼豆14的POD活性高于遼豆21，但處理間未達(dá)到顯著差異水平。

2.5.3 不同降水特征下不同耐旱性大豆CAT活性的變化 由圖7可以看出，一般而言，同一處理不同時(shí)期CAT活性表現(xiàn)為R4期和R6期的值略高。一般情況下，半干旱地區(qū)阜新的CAT活性值高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)，且只在R4期同一品種處理間差異達(dá)顯著水平。品種對(duì)CAT活性的影響則因取樣時(shí)期和地點(diǎn)的變化而各異，且處理間差異不顯著。

2.6 遼中濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候(沈陽(yáng))和遼西半干旱氣候(阜新)對(duì)不同耐旱型大豆產(chǎn)量的影響

由表1可以看出，無(wú)論在沈陽(yáng)還是阜新，遼豆14的產(chǎn)量均高于遼豆21；同一品種，濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)的產(chǎn)量均高于半干旱地區(qū)阜新的產(chǎn)量，但耐旱基因型大豆遼豆14產(chǎn)量下降得更少。由表1可以看出，單株莢數(shù)的數(shù)據(jù)與產(chǎn)量數(shù)據(jù)一致，而每莢粒數(shù)與百粒質(zhì)量的數(shù)據(jù)與產(chǎn)量數(shù)據(jù)有一定差異，說(shuō)明本試驗(yàn)中大豆產(chǎn)量的差異主要是由單株莢數(shù)決定的。比較不同地點(diǎn)對(duì)單株莢數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)，濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)的產(chǎn)量顯著高于半干旱地區(qū)阜新的產(chǎn)量；而比較品種對(duì)其影響發(fā)現(xiàn)，遼豆14單株莢數(shù)顯著高于遼豆21。方差分析結(jié)果表明，基因型顯著影響了每莢粒數(shù)，阜新的每莢粒數(shù)值高于沈陽(yáng)，但差異不顯著；遼豆14的每莢粒數(shù)顯著高于遼豆21。地點(diǎn)和基因型均顯著影響大豆的百粒質(zhì)量，半干旱地區(qū)阜新的百粒質(zhì)量顯著高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)；而遼豆21的百粒質(zhì)量顯著高于遼豆14。

表1 不同基因型大豆產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素對(duì)遼西半干旱氣候和遼中濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候的響應(yīng)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)、大寫(xiě)字母分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著。

3 結(jié)論與討論

當(dāng)土壤干旱時(shí)，作物根系首先感受到脅迫并迅速發(fā)出信號(hào)，使整個(gè)植株對(duì)干旱作出反應(yīng)，同時(shí)作物還以變化的根系形態(tài)適應(yīng)土壤干旱。因此，根系是研究作物抗旱性的一個(gè)重要組成部分。水分脅迫首先對(duì)植物生理代謝產(chǎn)生影響，使?jié)B透調(diào)節(jié)物質(zhì)和保護(hù)酶系統(tǒng)作出響應(yīng)，最終對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響通過(guò)形態(tài)特征表現(xiàn)出來(lái)。許多研究都指出干旱條件下植株體內(nèi)積累較多的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而降低植株的滲透勢(shì)，提高植株的抗旱性[10-12]。膜脂過(guò)氧化是造成膜受損的關(guān)鍵因素，丙二醛(MDA)是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物之一，干旱脅迫提高M(jìn)DA含量[13]。超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)等是膜脂過(guò)氧化酶促防御系統(tǒng)的重要保護(hù)酶，干旱脅迫提高SOD、POD和CAT的活性，減輕膜脂過(guò)氧化作用[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，半干旱地區(qū)阜新大豆的可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸、MDA含量均高于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)，即干旱脅迫增加了它們的含量，這與前人研究結(jié)果一致，但筆者發(fā)現(xiàn)本試驗(yàn)中多數(shù)時(shí)期處理間差異并不顯著，這一方面可能與田間試驗(yàn)中干旱脅迫并不嚴(yán)重有關(guān)，另一方面田間試驗(yàn)可控性更差一些、試驗(yàn)誤差更大，導(dǎo)致處理間差異不顯著。同樣與前人一致的是干旱脅迫提高SOD、POD和CAT的活性，但本試驗(yàn)結(jié)果仍然是多數(shù)處理間差異并未達(dá)到顯著水平。品種對(duì)各項(xiàng)生理指標(biāo)的影響則因取樣時(shí)間和地點(diǎn)的不同而表現(xiàn)出差異，一般情況下，除POD活性外，其他指標(biāo)均是常規(guī)品種遼豆21值略高于耐旱品種遼豆14，但一般情況下，處理間未達(dá)到顯著差異水平。然而前人的許多研究中都指出，耐旱品種的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、SOD、POD、CAT活性高于常規(guī)品種[15-16]。試驗(yàn)差異產(chǎn)生的原因可能與本試驗(yàn)為田間試驗(yàn)，干旱脅迫程度較低且可控性較小有關(guān)。

大豆產(chǎn)量是單株莢數(shù)、每莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量的綜合體現(xiàn)，這些因素在大豆的發(fā)育期間先后連續(xù)地表現(xiàn)出來(lái)，只有這些性狀綜合表現(xiàn)良好，產(chǎn)量才能相應(yīng)地提高。干旱脅迫會(huì)降低大豆的產(chǎn)量[17-18]，但產(chǎn)量的下降程度與品種的抗旱性有關(guān)[19]。本試驗(yàn)中，同一品種均是半干旱地區(qū)阜新的產(chǎn)量低于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)沈陽(yáng)，但非耐旱品種遼豆21產(chǎn)量下降得更多。任一地點(diǎn)遼豆14的產(chǎn)量均高于遼豆21。本研究發(fā)現(xiàn)大豆植株單株莢數(shù)的變化趨勢(shì)與產(chǎn)量變化趨勢(shì)更為一致，說(shuō)明各處理間產(chǎn)量的差異主要是由單株莢數(shù)決定的；遼豆14的每莢粒數(shù)顯著高于遼豆21；遼豆21的百粒質(zhì)量顯著高于遼豆14，阜新地區(qū)的百粒質(zhì)量也顯著高于沈陽(yáng)地區(qū)，說(shuō)明并不是百粒質(zhì)量越高產(chǎn)量越高。