PEG脅迫對大豆分枝期生理特性的影響

曹 帥 包烏日娜 劉 鵬

（內(nèi)蒙古民族大學農(nóng)學院，通遼 028042）

干旱對作物生長發(fā)育是一種環(huán)境脅迫，特別是在生殖階段受到干旱影響時，可導致糧食產(chǎn)量大幅度下降，通常下降30%～40%，在極度干旱脅迫下甚至絕收[1]。近年來隨著全國氣候變化，降雨減少、地下水位持續(xù)下降，水資源嚴重不足，導致干旱面積和頻率都在不斷上升，這些因素嚴重影響并制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。當作物在干旱環(huán)境下生長，自身會做出對生長發(fā)育等方面的適應性反應，以此來適應干旱環(huán)境[3]。已有學者對大豆種質(zhì)資源的篩選和鑒定的方法進行研究[4]。董興月等[5]、楊小環(huán)等[6]研究表明，大豆葉片游離脯氨酸和可溶性糖含量在水分脅迫下均呈升高趨勢；王敏等[7]、紀展波等[8]研究表明，丙二醛含量和大豆根系活性在水分脅迫下呈顯著升高趨勢。植物種類不同，對干旱的適應能力不同，即使同種作物的不同品種，對干旱的反應也存在差異[9]，在追求高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全等多個目標協(xié)同發(fā)展的同時，篩選耐旱作物種質(zhì)資源[10]，提高干旱情況下作物的產(chǎn)量和品質(zhì)一直是科研人員重要的研究方向。

大豆[Glycine max L.]原產(chǎn)于中國，是最重要的經(jīng)濟作物之一。它不僅是人類獲取蛋白質(zhì)、油脂和微量營養(yǎng)素的重要來源，而且還是生物柴油生產(chǎn)最具有吸引力的作物[11]。大豆生長易受極端溫度、干旱、養(yǎng)分缺乏和土壤酸度等不利環(huán)境因素的影響，這些因素構(gòu)成了大豆生產(chǎn)的主要制約因素[12-13]。大豆在整個生育期對水分都極其敏感，因此耐旱大豆種質(zhì)的篩選在栽培和育種領域的研究都具有重要意義。本研究以4個大豆品種為試驗材料，在大豆分枝期測定葉片游離脯氨酸和丙二醛含量等指標，分析大豆對干旱脅迫的生理生化反應，以期為篩選和鑒定抗旱品種提供合理依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料試驗材料選用由吉林省農(nóng)業(yè)科學院大豆研究所提供的4個大豆品種：雜交豆2號、雜交豆5號、吉育88和吉育72。

1.2 試驗設計試驗在內(nèi)蒙古民族大學農(nóng)場防雨棚中進行。挑選籽粒飽滿、大小相似的種子，用5%的次氯酸鈉消毒后，用無菌水沖洗3次。2017年5月17日將種子種植于直徑30cm、高19cm、桶底帶有直徑1cm圓孔的花盆中，用草炭土、珍珠巖、蛭石（體積比4∶3∶3）的混合物為基質(zhì)。每盆種植7株，干旱脅迫前將高分子聚乙二醇6000（PEG6000）進行高溫滅菌處理后，密封放好待第2天使用。于分枝期（播種后30d）開始干旱脅迫處理，4個處理分別為：CK（營養(yǎng)液）、輕度水分脅迫（營養(yǎng)液+5%的PEG6000）、中度水分脅迫（營養(yǎng)液+10%的PEG6000）、重度水分脅迫（營養(yǎng)液+15%的PEG6000）。處理后第10天開始取樣，選取長勢一致、節(jié)位一致、生長健壯的幼葉測定各項指標。采用完全隨機排列設計，3次重復。

1.3 測定項目及方法葉綠素含量的測定 用SPAD-502葉綠素儀在分枝期（6月20日）定點選取葉片，測定不同葉位的SPAD值。在每個葉片的前、中、后各測1次，最后取平均值。游離脯氨酸（Pro）含量測定 參照李合生等[14]的方法稍加改良。稱取0.5g葉片放入具塞試管，加3%磺基水楊酸5mL，于沸水浴中提取10min，離心，取上清液2mL加入冰醋酸2mL、酸性茚三酮2mL，沸水浴顯色30min，520nm波長處比色測定?？扇苄蕴呛康臏y定 采用蒽酮比色法[15]。丙二醛（MAD）含量的測定 采用硫代巴比妥酸（TBA）法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel 2003和DPS16.05進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG脅迫對大豆葉片SPAD值的影響圖1所示，與正常供水（CK）相比，隨著PEG濃度增加，吉育88、吉育72和雜交豆2號的葉綠素含量均先下降再上升，但變化幅度很小，從最高值到最低值分別降低了2.63%、2.65%和6.42%；雜交豆2號在輕度干旱處理下SPAD值極顯著高于中度和重度水分脅迫處理（P〈0.01）。雜交豆5號SPAD值在不同濃度干旱下變化趨勢為先升高再降低，在中度干旱情況下，SPAD值極顯著高于輕度脅迫（P〈0.01），顯著高于重度水分脅迫（P〈0.05）。吉育72和雜交豆2號在輕度、中度和重度干旱下SPAD值與對照相比分別下降2.33%、4.59%、1.89%和3.04%、10.11%、8.16%。在輕度干旱脅迫下，4個品種大豆SPAD值大小依次為吉育88〉雜交豆5號〉雜交豆2號〉吉育72；中度脅迫下SPAD值大小依次為雜交豆5號〉吉育88〉吉育72〉雜交豆2號；重度干旱脅迫下SPAD值大小依次為吉育88〉雜交豆5號〉吉育72〉雜交豆2號。經(jīng)上述分析得出，干旱脅迫對吉育88和雜交豆5號的SPAD值影響較小，說明這2個品種對干旱反應不敏感，對水分脅迫有較強的耐受性。

2.2 PEG脅迫對大豆葉片脯氨酸含量的影響圖2所示，在不同濃度水分脅迫下，吉育72葉片脯氨酸含量變化趨勢為先下降后上升，其他3個品種大豆葉片脯氨酸含量變化趨勢均為下降—上升—下降。在正常供水情況下，吉育88葉片脯氨酸含量極顯著高于輕度水分脅迫（P〈0.01），顯著高于重度水分脅迫（P〈0.05）；吉育72和雜交豆2號葉片脯氨酸含量在不同干旱脅迫處理下均極顯著低于對照（P〈0.01）；雜交豆5號葉片脯氨酸含量在不同干旱脅迫處理下均顯著低于對照（P〈0.05）。且吉育88葉片脯氨酸含量在各處理下均高于吉育72和雜交豆2號，雜交豆5號葉片脯氨酸含量除在重度脅迫（PEG濃度15%）處理下低于吉育72外，其余各處理均與吉育88表現(xiàn)出相同趨勢，因此吉育88和雜交豆5號具有較強耐旱性。

圖1 不同處理對大豆葉片SPAD值的影響

2.3 PEG脅迫對大豆葉片可溶性糖含量的影響由圖3可知，在不同濃度PEG脅迫下，吉育72和雜交豆2號葉片可溶性糖含量均低于對照，吉育72和雜交豆2號在重度脅迫處理下葉片可溶性含量達到最低值，相比對照分別下降7.4%和38.22%。隨著脅迫濃度的增加，雜交豆5號葉片可溶性糖含量變化趨勢為先上升后下降；吉育88葉片可溶性糖含量變化趨勢為先下降再上升。在不同濃度PEG模擬干旱脅迫處理下吉育88和雜交豆5號葉片可溶性糖含量均高于吉育72和雜交豆2號?？扇苄蕴鞘且环N細胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，含量高有助于調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的滲透壓，延緩細胞由于受到干旱等逆境脅迫而導致的大量失水。上述分析得出，雜交豆5號和吉育88抵御干旱能力較強。

圖3 不同處理對大豆葉片可溶性糖含量的影響

2.4 PEG脅迫對大豆葉片丙二醛含量的影響如圖4所示，4個大豆品種在不同濃度PEG脅迫下，葉片丙二醛含量均高于對照組。雜交豆2號在重度脅迫處理下葉片丙二醛含量高達88.67nmol/g，比吉育88、吉育72和雜交豆5號丙二醛含量分別高出63.03%、35.04%和54.93%。吉育72在輕度、中度和重度干旱脅迫下葉片丙二醛含量比吉育88分別高9.64%、21.23%和17.39%，比雜交豆5號分別高31.63%、15.30%和3.32%。丙二醛含量過高易使細胞膜受到傷害，說明吉育88和雜交豆5號對干旱脅迫反應不敏感。

圖4 不同處理對大豆葉片丙二醛含量的影響

2.5 PEG脅迫對大豆葉片谷胱甘肽還原酶活性的影響如圖5所示，在干旱脅迫下，雜交豆2號谷胱甘肽還原酶活性迅速下降，且在輕度和重度脅迫下極顯著低于對照組（P〈0.01），并在重度干脅迫下谷胱甘肽還原酶活性達到最低值0.049μmol/min，與對照相比下降70%。雜交豆5號和吉育88在不同濃度PEG處理下，谷胱甘肽還原酶活性變化趨勢均為上升—下降—上升，且均高于對照。吉育88在重度水分脅迫處理下谷胱甘肽還原酶活性最高為0.10μmol/min，比對照高17.14%。吉育72除在輕度干旱脅迫處理下谷胱甘肽還原酶活性高于對照外，在中度和重度水分脅迫下均低于對照，在中度脅迫下達到最低值0.058μmol/min，相比對照下降41.64%。因為谷胱甘肽還原酶是一種保護細胞免受氧化應激損壞的酶。在相同程度的干旱脅迫下，吉育88和雜交豆5號細胞氧化損傷較小，屬于耐旱型大豆品種。

圖5 不同處理對大豆葉片谷胱甘肽還原酶活性的影響

3 結(jié)論與討論

植物進化了復雜的機制來感知和適應水分虧缺。例如，植物可以通過最大限度地吸收水分，盡量減少水分損失或積累一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來應對壓力，從而避免干旱[1]。葉綠素相對含量（SPAD值）、可溶性糖含量、脯氨酸含量、丙二醛含量和谷胱甘肽還原酶活性是表征作物耐旱水平最主要的生理指標。有關干旱脅迫對作物生理指標的影響已經(jīng)有一些闡述。葉綠素是植物的光合色素，主要體現(xiàn)出植物對光能利用率[17]?？扇苄蕴呛透彼岷慷际羌毎麅?nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可溶性糖和脯氨酸含量高有利于調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的滲透壓，延緩細胞由于受到干旱等逆境脅迫而導致的大量失水[18]。當植物遇到逆境脅迫時，通常游離脯氨酸含量會大量積累[19]。盧瓊瓊等[20]研究干旱脅迫對大豆苗期光合生理特性的影響得出水分脅迫處理組葉片中的脯氨酸含量較對照都顯著增加。本研究表明大豆分枝期葉片脯氨酸含量均低于對照，這與盧瓊瓊等[20]研究結(jié)果恰好相反，還需進一步試驗論證。丙二醛作為膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，它的積累會嚴重地損傷生物膜結(jié)構(gòu)[21]。芮海英等[22]研究了苗期干旱脅迫對不同大豆品種葉片保護酶活性及丙二醛含量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫時間的延長MDA含量均有積累。本研究表明大豆干旱脅迫后丙二醛含量均高于對照，與前人研究結(jié)果一致。谷胱甘肽還原酶活性可以有效地保護細胞免受氧化應激損壞[23]，張騰國等[24]研究了10%的PEG模擬干旱脅迫下油菜谷胱甘肽還原酶活性的變化，發(fā)現(xiàn)2種油菜谷胱甘肽還原酶活性與對照相比顯著升高。本研究結(jié)果得出4個品種大豆SPAD值和葉片脯氨酸含量平均值大小均為雜交豆5號〉吉育88〉吉育72〉雜交豆2號；葉片可溶性糖含量和谷胱甘肽還原酶活性均值大小依次為吉育88〉雜交豆5號〉吉育72〉雜交豆2號；葉片丙二醛含量大小依次為雜交豆2號〉吉育72〉吉育88〉雜交豆5號。綜上所述，根據(jù)不同濃度PEG模擬干旱脅迫下4個品種大豆的綜合生理反應及表型特征，耐旱性品種表現(xiàn)為葉片葉綠素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量和谷胱甘肽還原酶活性均高于對干旱脅迫反應敏感品種，丙二醛含量呈現(xiàn)相反趨勢?？芍?8和雜交豆5號在分枝期表現(xiàn)出更強的耐旱能力。