普通菜豆抗旱性品種篩選

周 丹，邢國(guó)明，鄭少文

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷030801）

普通菜豆（Phaseolus vulgaris L.）（簡(jiǎn)稱菜豆）的染色體2n＝22，別名為四季豆、蕓豆等，植物學(xué)分類上屬于豆科（Leguminosae）蝶形花亞科（Papilionoideae）菜豆屬（Phaseolus）[1]。菜豆是豆類蔬菜的重要作物之一，是許多國(guó)家和地區(qū)的主要植物蛋白來源之一[2]。

菜豆因其生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜多樣，生產(chǎn)中受多種生物和非生物因素限制，其中，干旱影響尤為嚴(yán)重。全球每年約有60%的普通菜豆因水分虧缺而減產(chǎn)，一些地區(qū)在遭遇突然干旱時(shí)，減產(chǎn)率高達(dá)80%[3-4]。隨全球氣候變化，普通菜豆產(chǎn)區(qū)的干旱情況將日益加劇[5]。因此，普通菜豆抗旱性研究備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，成為育種工作的重要目標(biāo)之一[6-7]。目前，針對(duì)山西省旱作菜豆的專用品種選育已成為首要目標(biāo)。

本研究以山西當(dāng)?shù)爻Ｓ玫?0個(gè)菜豆品種為試材，通過盆栽水分脅迫試驗(yàn)對(duì)菜豆的形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在初步篩選出耐旱菜豆品種和敏感菜豆品種，探索耐旱品種和敏感品種之間的差異，為山西當(dāng)?shù)夭硕巩a(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年10月至2019年1月在山西省太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝站溫室內(nèi)進(jìn)行。海拔790 m，經(jīng)度 112°37′26″，緯度 37°29′17″。試驗(yàn)地處山西北方，冬天氣溫較低，每年11月開始需棉被保溫，每天早上8：30掀起棉被，17：30放下棉被，晴天光照時(shí)間為8 h左右[8]。試驗(yàn)栽培基質(zhì)選用包裝育苗基質(zhì)（由山東魯浩農(nóng)業(yè)科技有限公司提供的潤(rùn)農(nóng)豐牌基質(zhì)）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試菜豆品種為盛譽(yù)天驕、極早一尺嫩、極早皇后、綠霸、中華綠、綠劍、早鮮嫩、盛譽(yù)王中王、赤選株八斤、中華豆霸、虎霸豆冠一號(hào)、豆霸冠軍王、紅霸無筋王、超早一尺秀、泰國(guó)無筋架豆王、新泰國(guó)架豆王、王中王架豆、特優(yōu)特?zé)o筋架豆、白玉8號(hào)、紅籽壓塌架等20個(gè)，依次編號(hào)為1～20，均購于山西太原農(nóng)資市場(chǎng)。選擇大小一致、無病蟲害、無損、自然風(fēng)干的20個(gè)品種的菜豆種子各100多粒進(jìn)行溫湯浸種，然后播種至塑料花盆中（盆高27 cm，內(nèi)徑35 cm），盆底鋪一層紗布，以防土壤漏出，每盆16芽，每盆裝基質(zhì)8 kg，并輕拍盆身使土壤緊實(shí)度均勻一致。播前每盆澆底水至田間持水量的80%，播種后覆土0.5 kg，置于溫室中。

待菜豆長(zhǎng)至三葉一心時(shí)（20 d）開始進(jìn)行干旱脅迫處理。采用二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置正常供水和干旱脅迫處理，其中，干旱脅迫處理采用自然干旱法，參照曾輝等[9]的方法進(jìn)行，即干旱脅迫處理前統(tǒng)一用自來水澆灌花盆，對(duì)照每隔15d澆水一次，正常供水處理土壤含水量為田間持水量的80%±5%；干旱脅迫處理不澆水，30 d后，處理出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，正常供水處理和干旱脅迫處理同時(shí)澆水，干旱脅迫處理前期土壤含水量為田間持水量的30%±5%，干旱處理后期土壤含水量降至田間持水量的20%±5%，3次重復(fù)，期間以稱重法保持土壤含水量。干旱脅迫處理重復(fù)2次后，萎蔫現(xiàn)象較嚴(yán)重，干旱脅迫結(jié)束。

在干旱脅迫的第0天、第12天、第24天以及復(fù)水后的第12天進(jìn)行取樣及相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

植株葉面積測(cè)定采用Li-3000C便攜式葉面積儀（北京雅欣理儀科技有限公司，型號(hào)為：YX-1241-16-225）測(cè)定；從各處理隨機(jī)選取3盆，從第1側(cè)根發(fā)生處將植株主莖剪斷，稱量主莖及葉片質(zhì)量作為莖葉鮮質(zhì)量（g）；將植株沖洗后于105℃殺青30min，80℃烘48 h，至恒質(zhì)量時(shí)測(cè)定干質(zhì)量；取植株從上往下數(shù)第3～5節(jié)位成熟葉片，采用丙酮研磨法[10]測(cè)定葉綠素（Chl）含量（mg/L）。

隨機(jī)抽取一株植株（3個(gè)重復(fù)），采用LCPro-SD便攜式智能光合儀（易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司），于晴天 9：00—11：00 測(cè)定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）等參數(shù)[11]。測(cè)量部位為第3片完全展開葉的中間葉片，測(cè)定時(shí)采用紅藍(lán)光源，溫度為（30±2）℃，光量子通量密度（PFD）設(shè)定為1 000 μmol/（m2·s），葉室CO2濃度為（380±10）μmol/mol，葉片至少在1 000 μmol/（m2·s）的光強(qiáng)下活化20 min。

葉片相對(duì)含水量（RWC）測(cè)定采用飽和稱量法，每個(gè)材料選取3株，每株取相同葉位新鮮葉片1片，葉片取自植株第3～5片完全展開葉，迅速稱取鮮質(zhì)量（FW）后，將植物葉片放在蒸餾水中，黑暗中放置24 h后稱飽和質(zhì)量（SW），經(jīng)105℃、30 min殺青后，75℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量（DW），3次重復(fù)。計(jì)算葉片相對(duì)含水量（RWC），取平均值即為該次取樣植物葉片的相對(duì)含水量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行處理，采用SPSS 25.0軟件分析處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)不同菜豆品種干、鮮質(zhì)量的影響

從表1可以看出，不同菜豆品種之間生長(zhǎng)狀況不一致，在處理0 d時(shí)，綠劍和紅籽壓塌架的鮮質(zhì)量顯著高于盛譽(yù)王中王和紅霸無筋王，而其他品種之間差異不顯著，紅籽壓塌架的鮮質(zhì)量比紅霸無筋王的大36.41%，達(dá)到了最大，說明紅籽壓塌架的生長(zhǎng)比較旺盛；在處理12 d時(shí)，20個(gè)品種之間的鮮質(zhì)量無顯著性差異，但紅霸無筋王的鮮質(zhì)量表現(xiàn)最高，為37.24 g，特優(yōu)特?zé)o筋架豆的鮮質(zhì)量表現(xiàn)最低，為23.61 g，20個(gè)品種的鮮質(zhì)量整體要比處理0 d時(shí)的高，說明菜豆在這12 d中生長(zhǎng)速度較快，此時(shí)的干旱對(duì)菜豆的生長(zhǎng)影響不大；在處理24 d時(shí)，20個(gè)品種之間存在顯著性差異，紅霸無筋王的鮮質(zhì)量表現(xiàn)為最高，為24.83 g，超早一尺秀的鮮質(zhì)量也相對(duì)較高，而王中王架豆的鮮質(zhì)量最低，為12.29 g，極早一尺嫩的鮮質(zhì)量也相對(duì)較低，相比處理12 d的菜豆，處理24 d的菜豆鮮質(zhì)量有所下降，說明此時(shí)的干旱影響了菜豆的生長(zhǎng)；在復(fù)水12 d后，20個(gè)品種之間的鮮質(zhì)量無顯著性差異，但有些品種的鮮質(zhì)量比處理24 d的低，有些比處理24 d的高，說明有些品種不抗旱，有些品種較抗旱。

表1 干旱脅迫下不同菜豆品種鮮質(zhì)量的變化 g

由表2可知，在處理0 d的20個(gè)品種之間的干質(zhì)量大部分無顯著差異，極少數(shù)存在顯著差異，其中，盛譽(yù)天驕、中華綠、綠劍、早鮮嫩、中華豆霸、新泰國(guó)架豆王和紅籽壓塌架的干質(zhì)量顯著高于王中王架豆。其中，中華綠和中華豆霸的干質(zhì)量達(dá)最高，均為0.54 g，王中王架豆的鮮質(zhì)量最低，為0.25 g；在處理12 d時(shí)，干質(zhì)量相對(duì)比處理0 d有明顯的增加，說明此時(shí)菜豆的干物質(zhì)積累量較高，在此時(shí)20個(gè)品種之間也存在顯著性差異，中華豆霸的干質(zhì)量最高，為5.38 g，而王中王架豆的干質(zhì)量最低，為2.55 g；在處理24 d時(shí)，20個(gè)品種的干質(zhì)量顯著低于處理12 d，說明此時(shí)干旱對(duì)菜豆品種產(chǎn)生了影響，且消耗了干物質(zhì)積累量，中華豆霸的干質(zhì)量最高，為2.15 g，而王中王架豆的干質(zhì)量最低，為1.04 g；在復(fù)水12 d時(shí)，20個(gè)品種的干質(zhì)量有所恢復(fù)，中華豆霸的干質(zhì)量最大，為3.23 g，王中王架豆的干質(zhì)量最低，為1.59 g。

表2 干旱脅迫下不同菜豆品種干質(zhì)量的變化 g

2.2 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)不同菜豆品種葉面積的影響

從表3可以看出，在不同處理時(shí)期，不同菜豆品種之間的葉面積差異比較明顯。在處理0 d時(shí)，紅籽壓塌架的葉面積為110.31 cm2，達(dá)到了最大，而盛譽(yù)天驕的葉面積為102.66 cm2，為最?。辉谔幚?2 d時(shí)，紅籽壓塌架的葉面積還是最大，達(dá)到124.20 cm2，綠霸的葉面積達(dá)到最小，為107.76 cm2；處理24 d時(shí)，不同菜豆品種的葉面積與處理12 d不同菜豆的葉面積之間變化較小，但不同品種的葉面積有增大和減小之分，不同菜豆品種在處理24 d時(shí)，品種之間存在顯著性差異，除赤選株八斤和白玉8號(hào)之外，紅籽壓塌架的葉面積顯著高于其他品種，紅籽壓塌架的葉面積最大，達(dá)到125.44 cm2，極早皇后的葉面積最小，為110.62 cm2；在復(fù)水12 d后，菜豆不同品種的葉面積變化不同，有繼續(xù)增大之勢(shì)，也有降低之勢(shì)；紅籽壓塌架的葉面積最大，達(dá)到130.53 cm2，而王中王架豆的葉面積最小，為106.84 cm2，比處理24 d時(shí)降低了3.95%。綜上所述，紅籽壓塌架品種較其他品種的生長(zhǎng)旺盛，對(duì)干旱脅迫相對(duì)不敏感，王中王架豆對(duì)干旱脅迫比較敏感。

表3 干旱脅迫下不同菜豆品種葉面積的變化 cm2

2.3 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)不同菜豆品種葉片相對(duì)含水量的影響

從表4可以看出，不同菜豆品種在不同處理時(shí)間葉片相對(duì)含水量不同。在處理0 d時(shí)，20個(gè)品種間有顯著性差異，紅籽壓塌架的葉片相對(duì)含水量顯著高于豆霸冠軍王、泰國(guó)無筋架豆王、王中王架豆的葉片相對(duì)含水量，紅籽壓塌架的葉片相對(duì)含水量最大，為92%，王中王架豆的葉片相對(duì)含水量最小，為76%。在處理12 d時(shí)，盛譽(yù)天驕的葉片相對(duì)含水量達(dá)到了最大，為94%；豆霸冠軍王和王中王架豆的葉片相對(duì)含水量較低，分別為80%和81%；在處理24 d時(shí)，20個(gè)菜豆品種的葉片相對(duì)含水量顯著低于處理12 d，不同品種之間也有顯著性差異，紅籽壓塌架的葉片相對(duì)含水量較高，豆霸冠軍王的葉片相對(duì)含水量最低，達(dá)到61%；在復(fù)水12 d后，不同品種間的葉片相對(duì)含水量較處理24 d有升高和降低的區(qū)別，品種之間顯著性差異不明顯，紅籽壓塌架的葉片相對(duì)含水量顯著高于王中王架豆的葉片相對(duì)含水量，紅籽壓塌架的葉片相對(duì)含水量顯著高于王中王架豆，其他品種間差異不顯著。

2.4 干旱脅迫及復(fù)水對(duì)不同菜豆品種葉綠素含量的影響

從表5可以看出，20個(gè)品種葉綠素a的總體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)先降低后升高。在處理0 d時(shí)，20個(gè)品種葉綠素a含量間沒有顯著性差異；在處理12 d時(shí)，紅籽壓塌架的葉綠素a含量最高，達(dá)到7.32mg/L，顯著高于王中王架豆；在處理24 d時(shí)，紅籽壓塌架的葉綠素a含量顯著高于極早皇后，達(dá)到8.31 mg/L；在復(fù)水12 d時(shí)，20個(gè)品種的葉綠素a含量間沒有顯著性差異。

表4 干旱脅迫下不同菜豆品種葉片相對(duì)含水量的變化 %

由表6可知，在整個(gè)處理期，葉綠素b含量的總體變化呈先降低再升高的變化趨勢(shì)。在處理0d時(shí)，紅籽壓塌架的葉綠素b含量較高，達(dá)到2.64 mg/L，王中王架豆的葉綠素含量較低，為1.61 mg/L；在處理12 d時(shí)，綠霸、紅籽壓塌架和紅霸無筋王的葉綠素b含量較高，而王中王架豆的葉綠素b的含量最低；在處理24 d時(shí)，新泰國(guó)架豆王的葉綠素b含量達(dá)到最高，為1.53mg/L，而王中王架豆的葉綠素b含量依然是最低，為1.12 mg/L；在復(fù)水12 d時(shí)，20個(gè)品種的葉綠素b含量都有升高變化，但品種之間無顯著性差異。

從表7可以看出，不同品種間在不同處理期葉綠素總含量變化不同。在處理0 d時(shí)，20個(gè)品種葉綠素總含量間差異不顯著；在處理12 d時(shí)，紅籽壓塌架、綠霸、紅霸無筋王的葉綠素總含量顯著高于王中王架豆；在處理24 d時(shí)，紅籽壓塌架的葉綠素總含量達(dá)到最高，為9.82 mg/L，而極早皇后和王中王架豆的葉綠素總含量較低，分別為6.78、6.87mg/L；在復(fù)水12 d時(shí)，20個(gè)品種葉綠素總含量間無顯著性差異。

表6 干旱脅迫下不同菜豆品種葉綠素b的變化 mg/L

表7 干旱脅迫下不同菜豆品種葉綠素總含量的變化 mg/L

2.5 干旱脅迫及復(fù)水條件下各成分的主成分分析

主成分分析就是指在本試驗(yàn)中主要是通過降維從而把多個(gè)性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指數(shù)[12]，也就是通過幾個(gè)變化的量作為代表來表示所有的變量信息，從而減輕對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析，更有利于對(duì)數(shù)據(jù)的整理分析[13]。本試驗(yàn)對(duì)20個(gè)普通菜豆品種在處理24 d時(shí)的11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，其特征值和累積貢獻(xiàn)率如表8所示。從表8可以看出，其中前5個(gè)主要成分的貢獻(xiàn)率分別是30.53%、25.20%、13.17%、10.76%、7.15%，累積貢獻(xiàn)率為86.81%。這5個(gè)成分所包含的信息量可以反映原始11個(gè)指標(biāo)的大部分信息。

由表9可知，提取其前4個(gè)主成分進(jìn)行分析，其中，成分1中起主要作用的是凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度3個(gè)指標(biāo)，特征向值的絕對(duì)值較大；成分2中起主要作用的是葉綠素a和總?cè)~綠素含量，具有絕對(duì)值較大的特征向量；成分3中起主要作用的是葉片相對(duì)含水量；成分4中起主要作用的是葉綠素b含量，特征向量的絕對(duì)值較大。以上的4個(gè)成分共同決定了普通菜豆品種間的抗旱性。

表9 成分矩陣

綜上所述，對(duì)于凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素含量、葉片相對(duì)含水量紅籽壓塌架、新泰國(guó)架豆王、紅霸無筋王這3個(gè)品種相對(duì)較高，而王中王架豆相對(duì)較低。

3 結(jié)論與討論

普通菜豆的抗旱性研究在大多數(shù)地區(qū)都有著較長(zhǎng)的歷史[14-15]，本試驗(yàn)通過對(duì)20個(gè)普通菜豆品種在干旱脅迫下的部分生理性狀的測(cè)定及分析發(fā)現(xiàn)，不同菜豆品種之間生長(zhǎng)勢(shì)不同，對(duì)干旱的敏感程度也不同。本研究共篩選得到葉片相對(duì)含水量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量7個(gè)指標(biāo)與抗旱性相關(guān)，這也說明普通菜豆的抗旱性是由多種生理調(diào)節(jié)機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。

植物的葉片相對(duì)含水量能間接反映植物在干旱脅迫下水分虧缺的程度，干旱脅迫下抗旱品種的葉片相對(duì)含水量較高且抗旱品種的葉片相對(duì)含水量較敏感品種的下降幅度小，因此，葉片相對(duì)含水量是鑒定作物品種抗旱性的重要指標(biāo)[16]。本研究表明，紅籽壓塌架的葉片相對(duì)含水量較王中王架豆的葉片相對(duì)含水量高，說明紅籽壓塌架比王中王架豆更抗旱。

葉綠素含量也能用來鑒定作物的抗旱能力。據(jù)WENTWORTH 等[17]、李龍等[18]研究表明，葉綠素含量可用來作為鑒定普通菜豆的抗旱能力。在本研究中，通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，葉綠素含量是和抗旱相關(guān)的指標(biāo)。而紅籽壓塌架的葉綠素含量在整個(gè)處理期都相對(duì)較高，新泰國(guó)架豆王的葉綠素含量次之，王中王架豆的葉綠素含量相對(duì)較低。

光合作用是植物體生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，本研究通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，光合指標(biāo)也是鑒定植物抗旱性的主要指標(biāo)之一。李龍[19]研究表明，干旱脅迫下普通菜豆的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率是受環(huán)境影響的主要指標(biāo)，與本研究結(jié)果一致。當(dāng)水分虧缺時(shí)，可利用的CO2減少，導(dǎo)致光合原料供應(yīng)不足。ROSALES等[20]研究也指出，普通菜豆保持體內(nèi)水分平衡的主要機(jī)制是氣孔調(diào)節(jié)，本研究20個(gè)品種的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率在干旱條件下也不同，這4個(gè)指標(biāo)在普通菜豆中的具體作用還需進(jìn)一步探討。

本研究結(jié)果顯示，在20個(gè)菜豆品種中，紅籽壓塌架的各指標(biāo)相對(duì)較高，抗旱性也較好；綠霸次之，王中王架豆各指標(biāo)相對(duì)較低，抗旱性也較弱。由于本研究對(duì)菜豆只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的生理指標(biāo)測(cè)定，對(duì)菜豆抗旱機(jī)制還需進(jìn)一步研究。