不同干旱脅迫處理對大豆品種生長及逆境生理的影響

賈斯淳，王 娜，郝興宇，宗毓錚，張東升，李 萍

(山西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，山西 太谷 030801)

大豆是我國各地廣泛種植的一種重要的糧油作物，種植歷史悠久且種植范圍較大[1]。黃淮海平原是大豆的主產(chǎn)區(qū)之一，主要種植夏播大豆[2]，但黃淮海平原水資源相對匱乏，干旱多發(fā)[3]，作物產(chǎn)量極易受到影響，對居民收入和糧食安全都有嚴重影響[4]。影響大豆產(chǎn)量的因素有很多，如作物品種、土壤水分含量、施肥量、病蟲害以及田間管理措施等[5-7]，其中，水分是影響作物產(chǎn)量最重要的因素[8]，每年旱災造成的作物減產(chǎn)在總災害中占到1/2以上。近幾十年來，我國干旱面積不斷增大、頻率持續(xù)加快、災情逐漸加重。在未來氣候預測中，氣溫還有不斷上升的趨勢，這無疑會增加葉片蒸騰與土壤蒸發(fā)，使得干旱造成的作物減產(chǎn)更加嚴重[9]。

大豆根系不發(fā)達，且需水量較大，對水分脅迫十分敏感[10]。水分脅迫會降低大豆的蒸騰速率，從而破壞大豆體內(nèi)的正常代謝，影響大豆的產(chǎn)量和品質(zhì)[11-12]。研究干旱脅迫下大豆的生理響應是干旱風險評價、干旱造成的社會經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境影響實時評估的重要基礎[13]。目前，有關大豆干旱的研究很多，但大多研究都集中在持續(xù)干旱對大豆的生長及逆境生理的影響上[14-15]，階段性干旱對不同品種大豆的生長及逆境生理影響的相關研究較少。

本試驗不僅研究了持續(xù)干旱的影響，還研究了苗期極端干旱和鼓粒期干旱對大豆的抗逆指標及生理特性的影響，旨在為全面了解大豆抗旱機制提供一定理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西農(nóng)業(yè)大學試驗基地進行，試驗地點位于山西省晉中市太谷縣(37.42°N，112.58°E)，試驗中所用土壤為過篩翻耕后的褐潮土。

1.2 供試材料

供試的2個大豆品種分別為晉大早春2號和晉大74，均由山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院大豆研究室培育。

1.3 試驗設計

采用盆栽試驗，將大豆播種于55 cm×40 cm×35 cm的塑料整理箱中，整理箱底部有5個直徑1 cm左右的小孔用于排水，整理箱內(nèi)裝有深約28 cm的褐質(zhì)土。每個整理箱中播種8穴，每個穴播3粒大豆，出苗后進行間苗處理，保證每穴留苗1株。

出苗30 d后開始進行水分處理，2個品種分別設置濕潤(CK)、輕度干旱(T1)、中度干旱(T2)3組處理，每個品種16盆，共計32盆，其中，濕潤(CK)設置8盆重復，其余每組設置4盆重復，將其平均放置在2個旱棚中，旱棚的面積均為16 m2，旱棚的位置、朝向等相同且均不受建筑物遮蔽。土壤水分含量設置分別為濕潤(CK)(80%～100%的田間最大持水量)、輕度干旱T1(45%～55%的田間最大持水量)以及中度干旱T3(35%～40%的田間最大持水量)3個水平；鼓粒期，將1/2濕潤處理大豆(4盆大豆)進行干旱處理(停止灌溉直至葉片出現(xiàn)萎蔫)，模擬鼓粒期干旱的情況。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 抗逆生理指標的測定 分別在2017年大豆的分枝期、開花期以及鼓粒期(中度干旱處理僅測試了分枝期，因該處理開花期后部分死亡，存活植株葉片株高、葉片特別小，不能進行該生理指標測定)，每箱隨機選取有代表性的大豆3株，每株選取頂端倒三葉完全展開葉片，摘取帶回室內(nèi)，測定其丙二醛(MDA)含量、過氧化物酶(POD)活性、糖類含量(還原糖、可溶性總糖、淀粉、纖維素)以及光合色素含量(葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素)。其中，MDA含量的測量采用硫代巴比妥酸法，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法進行測定，葉綠素含量采用浸提法進行測定，葉片中糖含量采用蒽酮比色法進行測定，具體的試驗方法參照高俊鳳[16]的方法進行。

1.4.2 農(nóng)藝性狀測定 在大豆鼓粒期，將整株大豆拔出，剪去根以下部分，帶回實驗室，對所有植株進行農(nóng)藝性狀株高、莖粗、節(jié)數(shù)等指標的測定，再將莖干和葉片分別進行烘干，記錄其單株干質(zhì)量(莖質(zhì)量、葉質(zhì)量)等指標。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)的整理以及圖表的繪制工作均采用Excel完成。處理之間的比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD)，結果小于LSD 0.05的視為顯著，結果小于LSD 0.01的視為極顯著。

2 結果與分析

2.1 不同程度干旱脅迫對大豆葉片光合色素的影響

從表1可以看出，分枝期時，輕度干旱處理(T1)下晉大早春2號葉綠素a和葉綠素b顯著上升，分別較CK上升了57.6%和146.7%，類胡蘿卜素含量顯著下降，中度干旱處理(T2)的葉綠素含量上升幅度更大，分別較CK上升了62.8%和197.7%，類胡蘿卜素含量顯著下降；開花期時，輕度干旱使晉大早春2號葉綠素a、葉綠素b含量分別較CK上升了11.5%和41.7%，類胡蘿卜素沒有顯著變化；鼓粒期時，晉大早春2號輕度干旱處理(T1)及后期干旱處理(T3)的葉綠素含量沒有顯著變化，中度干旱的類胡蘿卜素含量較CK顯著上升了32.1%。

晉大74在分枝期時，干旱處理(T1)的葉綠素a、葉綠素b含量顯著上升，分別較CK上升了13.5%和49.2%，其上升程度不如晉大早春2號的上升程度明顯，類胡蘿卜素含量顯著下降，中度干旱處理(T2)的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量均顯著下降；晉大74在開花期時，葉綠素a、葉綠素b含量顯著下降，分別較CK下降了12.9%和17.3%；晉大74在鼓粒期時，類胡蘿卜素含量顯著升高干旱處理(T1)的葉綠素含量都沒有顯著變化，后期干旱處理(T3)的葉綠素顯著上升，分別較CK上升了35.5%和177.9%，類胡蘿卜素含量沒有顯著變化。

在分枝期、開花期及鼓粒期時，葉綠素a、葉綠素b含量的品種和干旱的交互作用顯著。分枝期，晉大早春2號2個干旱處理葉綠素a、葉綠素b含量均升高，而晉大74輕度干旱增加，中重度干旱下降。開花期，晉大早春2號干旱處理使葉綠素a、葉綠素b含量升高，而晉大74干旱使葉綠素含量下降。鼓粒期，持續(xù)輕度干旱使晉大早春2號葉綠素a、葉綠素b含量均升高，而后期干旱使葉綠素a、葉綠素b含量均下降，持續(xù)輕度干旱使晉大74葉綠素a含量升高、葉綠素b含量下降，而后期干旱使其葉綠素a、葉綠素b含量均上升。

表1 不同程度干旱處理對大豆葉片光合色素含量的影響Tab.1 Effects of drought treatment on photosynthetic pigment content in soybean leaves mg/g

注:測量值=平均值±標準差；同一列數(shù)字后不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。表2-4同。

Note:Measured value=Mean±s;Values followed by different small letters in the same column are significantly different atP<0.05. The same as Tab.2-4．

2.2 不同程度干旱脅迫對大豆葉片抗逆指標的影響

從圖1可以看出，分枝期時，與CK相比，晉大早春2號的輕度干旱處理(T1)和中度干旱處理(T2)的POD活性(以鮮質(zhì)量計)沒有顯著變化，MDA含量顯著上升，分別較CK上升54.3%和53.5%；在開花期時，輕度干旱處理(T1)的POD活性顯著上升，較CK上升69%，MDA(以鮮質(zhì)量計)顯著下降，較CK下降13%；在鼓粒期，輕度干旱處理(T1)和后期干旱處理(T3)的POD顯著下降，MDA含量均顯著上升。

分枝期時，晉大74的輕度干旱處理(T1)的POD活性沒有顯著變化，中度干旱處理(T2)的POD活性較CK顯著上升，較CK上升了50.9%，二者的MDA含量都顯著上升，分別較CK上升84.4%和161.4%；開花期和鼓粒期，輕度干旱處理(T1)和后期干旱處理(T3)下POD活性和MDA含量都沒有顯著性變化。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Different letters meant significant difference at 0.05 level.

2.3 不同程度干旱脅迫對大豆葉片糖類含量的影響

從表2可以看出，晉大早春2號在分枝期輕度干旱處理(T1)以及中度干旱處理(T2)中的還原糖、可溶性糖和淀粉含量均增加，纖維素含量均顯著下降，且干旱程度對其的影響差別不大；在開花期時，輕度干旱處理(T1)纖維素含量顯著上升；在鼓粒期時，輕度干旱處理(T1)和后期干旱處理(T3)的還原糖、可溶性糖含量有顯著上升，且輕度干旱處理(T1)的上升幅度更大，輕度干旱處理(T1)的淀粉含量也顯著上升。

晉大74在分枝期時，輕度干旱處理(T1)只有可溶性糖含量顯著上升，中度干旱處理(T3)的還原糖含量顯著下降，可溶性糖及纖維素含量顯著上升；在開花期時，輕度干旱處理(T1)的糖含量都有顯著上升；在鼓粒期時，輕度干旱處理(T1)只有纖維素含量顯著升高，后期干旱處理(T3)糖含量均有顯著上升。

在分枝期時，纖維素的品種和干旱的交互作用顯著，晉大早春2號2個干旱處理的纖維素水平均下降，而晉大74輕度干旱不變，中、重度干旱顯著上升；開花期時還原糖和可溶性糖的品種和干旱的交互作用顯著，晉大早春2號干旱處理的還原糖及可溶性糖含量沒有顯著變化，而晉大74干旱處理的還原糖及可溶性糖含量都顯著上升；鼓粒期可溶性糖及淀粉含量的品種和干旱的交互作用顯著，持續(xù)輕度干旱使晉大早春2號的可溶性糖及淀粉含量均升高，而后期干旱條件下可溶性糖含量升高，淀粉含量沒有顯著性變化，持續(xù)輕度干旱條件下晉大74的可溶性糖含量升高、淀粉含量不變，而后期干旱條件下其可溶性糖及淀粉含量均上升。

表2 不同程度干旱處理對大豆葉片糖含量的影響Tab.2 Effects of drought treatment on sugar content in soybean leaves mg/g

2.4 不同程度干旱處理對大豆形態(tài)結構的影響

從表3,4可以看出，在濕潤條件下晉大早春2號的株高、莖粗、節(jié)數(shù)、單株葉質(zhì)量、單株莖質(zhì)量以及葉占比方面都明顯低于晉大74，且2個品種的大豆在開花期以及鼓粒期時，輕度干旱(T1)的各項指標均下降。2個品種的后期干旱(T3)的各項指標比其濕潤對照有一定程度下降，但并不顯著。

在開花期，株高、單株莖質(zhì)量和單株葉質(zhì)量的品種和干旱的交互作用顯著，晉大74的株高下降程度更明顯，晉大早春2號的單株葉質(zhì)量、單株莖質(zhì)量等指標下降程度更明顯；在鼓粒期，株高、莖粗的品種和干旱的交互作用顯著，晉大74的下降程度更明顯。

表3 不同程度干旱處理對大豆形態(tài)結構的影響Tab.3 Effects of drought treatment on morphology and structure of soybean

表4 不同程度干旱處理對大豆干質(zhì)量的影響Tab.4 Effect of different drought treatments on dry weight of soybean

3 結論與討論

干旱脅迫不僅會大幅降低葉片的含水量，使細胞膜滲透壓上升，影響植物正常的生理活動，而且還會導致膜結構改變，使植株受到嚴重損傷[17]。膜脂的過氧化程度主要是通過 MDA含量的變化來表現(xiàn)[18]。因此，可以用MDA的含量來表示植物對逆境的反應強弱以及植物遭受逆境傷害的程度。為了減少過氧化作用帶來的損傷，受到干旱脅迫的植株會增加保護膜的含量，其中，POD就是一種最常見的保護膜，它在干旱脅迫中起到非常重要的作用。在本試驗中，晉大74在分枝期干旱處理的MDA含量顯著上升且特干對照MDA含量上升更顯著，隨著干旱脅迫時間的增加，鼓粒期干旱處理下葉片MDA含量沒有明顯變化，晉大74在分枝期時中度干旱處理的POD活性顯著增加，表明其在中度干旱時抗旱能力較高。隨著干旱脅迫時間的增加，干旱處理的晉大早春2號的MDA含量增加，POD活性呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，表明干旱脅迫導致該品種的膜脂過氧化程度增加，POD的減少也表明晉大早春2號抗旱能力較低，尤其是鼓粒期抗旱能力較低。

在干旱脅迫下，植物可通過調(diào)節(jié)滲透勢來維持穩(wěn)態(tài)，因此，受到干旱脅迫的葉片可溶性糖以及還原糖的含量會增加[19]，以抵御干旱帶來的不良影響以及保持細胞水分[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，濕潤條件下，晉大74的可溶性糖和還原糖含量高于晉大早春2號，而且隨著干旱脅迫時間的增加，2個品種的還原糖以及可溶性糖含量呈現(xiàn)上升趨勢，尤其是晉大74鼓粒期干旱增加更顯著。表明晉大74鼓粒期抗旱能力更強。

本試驗中，在分枝期干旱處理和中度干旱處理使晉大早春2號葉綠素a、葉綠素b含量均顯著上升，類胡蘿卜素與葉綠素含量比值顯著下降；而晉大74的干旱處理葉綠素含量雖然上升，但幅度要比晉大早春2號小很多，甚至中度干旱處理葉綠素含量低于對照。在鼓粒期時，持續(xù)干旱對晉大早春2號的葉綠素含量影響不顯著，鼓粒期干旱甚至使其葉綠素含量小幅下降，而持續(xù)干旱和鼓粒期干旱使晉大74的葉綠素含量明顯上升，鼓粒期干旱上升幅度更大。這與POD、 MDA及可溶性糖的結果基本一致，表明晉大74抗旱能力較高，尤其是鼓粒期抗旱能力更高[21]。

干旱脅迫對植株的生理性狀方面也有一些影響，主要表現(xiàn)為植株瘦小、枝條稀疏以及葉片減小等[22]，雖然作物可以通過可溶性糖以及保護酶的作用提高其抗旱能力，但干旱脅迫引起的過氧化作用以及滲透壓的失衡還是會對植株造成嚴重的影響，比如干旱脅迫會使大豆株高、莖粗降低，莖、葉質(zhì)量減少。 植株減小，葉片總量下降可以減少水分的消耗，提高其抗旱性，也是作物對干旱的適應[23]。本研究表明，干旱造成大豆株高、節(jié)數(shù)、莖粗和生物量下降，但不同品種存在差異，如開花期，晉大74的株高下降程度更明顯，晉大早春2號的葉質(zhì)量、莖質(zhì)量等指標下降程度更明顯。在鼓粒期，晉大74的株高、莖粗下降更明顯，從而減少其水分消耗，因此，其在鼓粒期抗逆性優(yōu)于晉大早春2號。

綜上所述，干旱會影響大豆的生長發(fā)育。大豆可以通過自身的適應提高其抗旱性，且不同大豆品種抗旱能力不同，晉大74在持續(xù)干旱條件下可以通過降低植株高度，減少水分消耗提高其抗旱能力，且其在鼓粒期干旱(非持續(xù)干旱)條件下抗旱能力也較晉大早春2號高，表明不同品種的大豆對干旱的適應能力可能與其遺傳基因有關，其機制還有待進行更深入的研究。