鹽堿脅迫下大豆生理特性與干物質(zhì)的相關(guān)研究

張春蘭1，曹 帥，滿麗莉1，向殿軍，李志剛，劉 鵬

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028042；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028042)

全世界有將近三分之一的土地為鹽堿地，我國約有0.172億hm2，其中鹽堿地耕地約有920.9萬hm2[1]。NaHCO3和Na2CO3是內(nèi)陸蘇打鹽堿土的主要成分，生長在此類土壤上的植物受到Na+、低水勢和高pH值(pH>9)的多重脅迫[2-3]。鹽堿地會嚴(yán)重制約植物的生長與品質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低或絕產(chǎn)[4-5]。在大豆的整個生育期，任何生物和非生物脅迫都會對大豆造成不同程度的影響，鹽害是其中一種主要的非生物脅迫[6]。大豆作為中度耐鹽作物，鹽害會影響大豆的營養(yǎng)生長和正常光合作用[7]、破壞抗氧化防御系統(tǒng)[8]。劉玉蘭等研究表明，在堿性鹽脅迫下，隨著鹽濃度的增加，小粒大豆的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均呈現(xiàn)降低的趨勢，氣孔限制值表現(xiàn)出隨著鹽濃度的增加先升高再降低的趨勢，但低濃度的改變不明顯[7]。牛陸研究表明，鹽、堿脅迫下輝南野生大豆可溶性糖含量隨鹽、堿濃度升高而下降，而通榆野生大豆則升高，兩地野生大豆葉綠素含量下降，脯氨酸含量急劇升高[9]。光合作用對植物正常生長具有重要的意義，它可以直接影響植物的代謝過程，可有效地反映出抗逆性的強弱[10-11]。作物的光合作用對鹽堿脅迫反應(yīng)極為敏感，堿脅迫會阻礙植物蛋白合成，葉片凈光合速率(Pn)降低[12-13]；堿性鹽脅迫下作物受到高pH值、滲透脅迫和低水勢脅迫等對作物造成的傷害超過中性鹽脅迫[14]。且少量或單一的指標(biāo)不能全面的反映出大豆的耐堿性，不同品種大豆耐鹽機制不同，對不同指標(biāo)反映程度也不相同[15]。因此，本試驗以不同濃度混合堿溶液處理前期篩選出的耐堿性品種雜交豆5號和堿敏感性品種吉育256為試驗材料，選用生理指標(biāo)和光合參數(shù)等共10個指標(biāo)，進(jìn)行耐堿性大豆和堿敏感性大豆生理特性和光合參數(shù)與干物質(zhì)量的相關(guān)性研究，初步闡明耐堿性大豆和堿敏感性大豆的差異和各生理指標(biāo)與干物質(zhì)之間關(guān)系，明確不同耐堿性大豆品種響應(yīng)堿脅迫在生理特性和光合參數(shù)等方面的差異，為進(jìn)一步闡明大豆耐堿的分子機理、提高大豆耐堿性和鹽堿地的有效利用提供參考。

表1 不同濃度堿脅迫對2個品種大豆生理指標(biāo)的影響

注：不同的字母表示在 0.05 水平上差異顯著。下同 。

1 材料和方法

1.1 材 料

試驗選用2個大豆品種，雜交豆5號和吉育256均由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。這2個品種是由內(nèi)蒙古民族大學(xué)作物種質(zhì)資源研究與利用實驗室從18份大豆品種經(jīng)混合堿(NaHCO3和Na2CO3)脅迫后篩選鑒定出來的。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2017年6—8月在內(nèi)蒙古民族大學(xué)試驗基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行，采用水培方式種植。每個品種均挑選大小一致、無蟲害的飽滿籽粒，在5%的次氯酸鈉溶液消毒5 min，自來水沖洗3次、去離子水沖洗3次后，將種子表皮水分吸干，置于培養(yǎng)皿中進(jìn)行發(fā)芽。待胚根生長至1.5 cm左右移栽至水培盒內(nèi)，在規(guī)格為32.5 cm×26 cm×11.5 cm的網(wǎng)盤中等距離相間擺放，每品種每盤20株。從移栽結(jié)束后開始計時5 d后(第1片復(fù)葉長出)開始澆灌Hoagland營養(yǎng)液，25 d開始脅迫處理。本試驗根據(jù)前人研究大豆的耐受鹽堿濃度范圍[8,16]及內(nèi)蒙古通遼市主要鹽堿地鹽堿組成成分[17]，共設(shè)置0(ck)、30 mmol·L-1、60 mmol·L-1、90 mmol·L-1混合堿(NaHCO3∶Na2CO3的摩爾比為9∶1、pH值9.11±0.104)溶液進(jìn)行脅迫處理。各種溶液均在1/2 Hoagland營養(yǎng)液(pH為7.8)基礎(chǔ)上進(jìn)行配制。處理7 d后選取生長健壯的幼嫩葉片進(jìn)行生理和光合特性等指標(biāo)的測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1葉綠素含量測定

利用便攜式葉綠素儀SPAD-502 Plus測量大豆植株頂端自上向下數(shù)第3片復(fù)葉中間葉片，每一葉片隨機選取10處測量并取平均值。同一品種大豆3次重復(fù)。

1.3.2生理指標(biāo)的測定

MDA含量、SOD活性、CAT活性、可溶性糖含量和脯氨酸含量測定參照李合生[18]和張志安[19]的方法。

1.3.3光合指標(biāo)的測定

鹽脅迫處理7 d后09：00-11：00時，用LI-6400(Li-Cor.公司)型便攜式光合作用測定系統(tǒng)，對2個品種大豆葉片光合氣體交換參數(shù)進(jìn)行測定，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。測定時采用固定紅藍(lán)光源進(jìn)行試驗，光強為1 200μmol·(m2·s)-1，為避免測定時環(huán)境CO2濃度的變化對測定結(jié)果的干擾，將儀器的進(jìn)氣口與裝有恒定CO2濃度的鋼瓶相接，鋼瓶CO2濃度配制成370μmol·mol-1，溫度設(shè)定為25 ℃，空氣流速為0.5 L·min-1，相對濕度60%。各處理選取3株大豆，在主莖的第3個復(fù)葉中間小葉片上測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和圖表制作，采用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)方差統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果分析

2.1 混合堿脅迫對大豆葉片生理特性的影響

從表1可知，混合堿脅迫第7天，吉育256葉片SOD活性均顯著低于對照，相比對照分別降低20.42%、24.94%和28.62%。雜交豆5號葉片SOD活性均高于對照，且在60 mmol·L-1和90 mmol·L-1堿濃度下差異顯著，在60 mmol·L-1堿濃度下達(dá)到最大值311.65，相比對照增加19.58%。吉育256葉片CAT活性均顯著低于對照，且在90 mmol·L-1堿濃度下達(dá)到最低值，比對照降低47.06%。雜交豆5號葉片CAT活性在30 mmol·L-1堿濃度下顯著高于對照，且增加32.52%，其余2個處理雖高于對照，但差異不顯著；吉育256葉片可溶性糖和脯氨酸含量在各個脅迫濃度下均顯著低于對照，相比對照，可溶性糖含量分別降低28.88%、35.35%和39.96%；脯氨酸含量分別降低了64.37%、43.255%和48.43%。雜交豆5號葉片可溶性糖含量在60 mmol·L-1和90 mmol·L-1堿濃度下顯著高于對照，分別比對照增加34.60%和29.80%，脯氨酸含量除在30 mmol·L-1堿濃度下顯著高于對照外，其余2個處理均低于對照，但差異不顯著；吉育256葉片丙二醛含量變化趨勢為一直上升，在60 mmol·L-1和90 mmol·L-1堿濃度下顯著高于對照，相比對照增加17.76%和27.71%；雜交豆5號葉片丙二醛含量在各脅迫處理下變化趨勢為先降低后升高，且均顯著低于對照，相比對照分別下降7.96%、16.45%和13.25%。

表2 不同濃度堿脅迫對2個品種大豆光合指標(biāo)的影響

2.2 混合脅迫對大豆葉片光合特性的影響

從表2可知，吉育256葉片SPAD值在各脅迫處理下呈一直下降趨勢，且均顯著低于對照，在90 mmol·L-1堿濃度下急速下降，SPAD值僅為13.7，相比對照下降65.78%。雜交豆5號葉片SPAD值變化趨勢為先升高后降低，且在60 mmol·L-1堿濃度下顯著高于對照，在90 mmol·L-1堿濃度下顯著低于對照，升降幅度分別為7.80%和40.47%。

吉育256葉片凈光合速率(Pn)在各個堿濃度處理下均顯著低于對照，相比對照分別下降23.11%、41.69%和40.84%。胞間CO2濃度(Ci)均顯著高于對照，相比對照分別增加10.78%、14.52%和24.58%；雜交豆5號葉片凈光合速率(Pn)和胞間CO2濃度(Ci)在各個堿處理下變化趨勢均為一直下降，凈光合速率(Pn)除在90 mmol·L-1堿濃度下顯著低于對照外，其余2個堿濃度變化均不顯著。胞間CO2濃度(Ci)在各個堿濃度處理下均顯著低于對照，相比對照下降7.21%、14.69%和20.96%。

吉育256葉片蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)在各個堿濃度處理下變化趨勢均為一直下降，且均顯著低于對照，相比對照，蒸騰速率(Tr)分別下降17.19%、21.24%和27.89%；氣孔導(dǎo)度(Gs)分別下降了12.75%、22.33%和36.22%；雜交豆5號葉片蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)變化趨勢為先升高后降低，并且在30 mmol·L-1堿濃度下均高于對照，在60 mmol·L-1、90 mmol·L-1堿濃度下均低于對照，但葉片蒸騰速率(Tr)差異不顯著，葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)除在30 mmol·L-1堿濃度下顯著高于對照外，在60 mmol·L-1、90 mmol·L-1堿濃度處理下差異不顯著。

2.3 混合堿脅迫對大豆干物質(zhì)的影響

干物質(zhì)是產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)，由圖1可見，堿脅迫后2個大豆品種干物質(zhì)變化趨勢相同，均為先降低后升高再降低，但吉育256在各個脅迫濃度下干物質(zhì)重量均顯著低于對照，在90 mmol·L-1堿濃度下達(dá)到最低值，相比對照下降45.92%；雜交豆5號干物質(zhì)重量均顯著高于對照，且在60 mmol·L-1堿濃度下達(dá)到最大值，相比對照增加35.68%。

圖1 不同濃度堿脅迫對大豆地上干物質(zhì)的影響

2.4 混合堿脅迫下大豆各性狀間相關(guān)分析

對混合堿脅迫下大豆11個性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。從表3可以看出，干物質(zhì)與各性狀的相關(guān)系數(shù)按絕對值大小排序為可溶性糖含量(0.982)>SOD活性(0.977)>Ci(-0.971)>MDA(-0.970)>CAT(0.918)>Tr(0.909)>Gs(0.878)>Pn(0.858)>脯氨酸含量(0.661)>SPAD(0.488)，除了脯氨酸含量和SPAD值與干物質(zhì)沒有顯著相關(guān)性外，干物質(zhì)與其他性狀均呈極顯著相關(guān)水平。SPAD值除與氣孔導(dǎo)度(Gs)達(dá)到顯著相關(guān)外，與其他指標(biāo)均沒有顯著相關(guān)，脯氨酸與各性狀之間均未達(dá)到顯著相關(guān)水平，其余各性狀之間均呈極顯著相關(guān)水平。

表3 混合堿脅迫下各性狀與干物質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

注：“*”和“**”分別表示在0.05和0.01水平上相關(guān)顯著。下同。

表4 混合堿脅迫下各性狀相關(guān)系數(shù)的通徑分析

由表4可以看出，各性狀對干物質(zhì)重量的正向作用大小順序為可溶性糖含量(1.061)>MDA含量(0.489)>Gs(0.333)>CAT活性(0.330)>SOD活性(0.199)>脯氨酸含量(0.091)>SPAD值(0.020)>Ci(-0.074)>Pn(-0.278)>Tr(-0.288)，除Ci、Pn和Tr對干物質(zhì)重量沒有直接的積極作用，其余性狀均對干物質(zhì)重量有直接的積極作用。凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)直接系數(shù)雖為負(fù)值，但間接系數(shù)分別為1.138和1.196，主要是通過其他性狀間接對干物質(zhì)重量產(chǎn)生積極作用。

3 結(jié)論與討論

在植物正常生長狀態(tài)下，植物的非酶抗氧化劑和抗氧化酶組成的抗氧化防御系統(tǒng)會輕易把植物本身產(chǎn)生存在的葉綠體和線粒體中的活性氧清除[20]，但當(dāng)培養(yǎng)液或土壤中存在抑制植物正常生長因素過多時，會導(dǎo)致植物抗氧化防御系統(tǒng)遭到破壞，產(chǎn)生過量的活性氧來誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，其中，活性氧包括單個氧、超氧化物、過氧化氫等[20-21]。SOD是抗氧化系統(tǒng)控制活性氧的第一道防線，它可以使有毒的超氧化物轉(zhuǎn)化為毒性較輕的過氧化氫[23-24]，CAT和過氧化物酶(POD)轉(zhuǎn)化H2O2為H2O和O2，幫助植物細(xì)胞防止氧化損傷[25]。本研究顯示，隨著堿濃度的增加，吉育256 SOD活性和CAT活性均顯著低于對照，雜交豆5號在30 mmol·L-1鹽濃度處理下CAT活性顯著高于對照，其余2個處理變化均不顯著，SOD活性在60 mmol·L-1、90 mmol·L-1鹽濃度處理下顯著高于對照，說明高濃度的鹽處理使常規(guī)大豆品種的抗氧化系統(tǒng)遭到破壞，但對雜交大豆影響較小，尤其是SOD活性，在高堿處理下活性顯著增強，提高了清除活性氧的能力。MDA是膜脂過氧化的終產(chǎn)物，是用來衡量膜質(zhì)過氧化程度的指標(biāo)之一，大量學(xué)者研究表明，植物葉片MDA含量隨鹽濃度升高而增加[26-27]，本研究顯示，吉育256葉片MDA含量均高于對照，說明堿脅迫導(dǎo)致膜質(zhì)過氧化；而經(jīng)鹽脅迫處理的雜交豆5號葉片MDA含量卻低于對照，且差異顯著，這與趙俊香等[28]研究結(jié)果相似。脯氨酸和可溶性糖均作為細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)保護劑，部分學(xué)者認(rèn)為，在逆境條件下多種植物會累積脯氨酸[29-30]，本研究結(jié)果顯示，在堿處理下，吉育256葉片脯氨酸含量均低于對照，雜交豆5號除在30 mmol·L-1堿濃度下顯著高于對照外，其余兩濃度也均低于對照，這與前人研究結(jié)果不同。雜交豆5號葉片可溶性糖含量在60 mmol·L-1、90 mmol·L-1堿濃度下顯著高于對照，而吉育256葉片可溶性糖含量在各個堿處理濃度下均低于對照。

植物生長通過光合作用產(chǎn)物的積累實現(xiàn)，光合系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)是植物生長發(fā)育的保障[31]。凈光合速率是鑒定植物耐鹽堿性的重要指標(biāo)，它可直接反映植物光同化能力。本研究表明，吉育256與雜交豆5號葉片凈光合速率(Pn)均低于對照，與郭金博等[32]研究結(jié)果一致。吉育256葉片胞間CO2濃度(Ci)均顯著高于對照，雜交豆5號呈現(xiàn)相反趨勢。兩品種葉片蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)除雜交豆5號在30 mmol·L-1堿濃度下高于對照外，其余處理均低于對照，與趙海燕等[33]研究結(jié)果略有不同，與王慶惠等[34]研究結(jié)果基本一致。堿脅迫下大豆各性狀的相關(guān)分析與通徑分析顯示，除SPAD值和脯氨酸含量外，其余各性狀之間均存在極顯著相關(guān)水平，除胞間CO2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)外。其余性狀均對干物質(zhì)重量有直接的積極作用，凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)直接系數(shù)雖為負(fù)值，但均通過其他性狀間的相互協(xié)調(diào)作用間接影響干物質(zhì)的形成。

綜上所述，堿分脅迫不同程度的影響了大豆養(yǎng)分吸收，吉育256除MDA含量升高外，其余所有指標(biāo)均降低，雜交豆5號SOD活性、CAT活性、可溶性糖含量、SPAD值均升高，其他指標(biāo)均有不同程度下降，且下降程度小于吉育256。30 mmol·L-1濃度的堿性鹽對耐堿型大豆生長具有一定的促進(jìn)作用，對堿敏感型大豆抑制不明顯，光合速率下降的原因可能是氣孔限制，在60 mmol·L-1堿性鹽脅迫濃度下，堿敏感型大豆品種各指標(biāo)均低于對照，對耐堿型大豆各指標(biāo)影響各有不同，此濃度可能為大豆耐堿性脅迫的臨界點，在90 mmol·L-1濃度堿性鹽脅迫下對大豆幼苗存在很大影響，光合速率下降的原因可能是非氣孔限制，耐堿型品種對鹽脅迫的適應(yīng)能力強于堿敏感品種。堿分脅迫對雜交豆5號的影響程度小于吉育256，同時凸顯雜交種在抗逆性方面的雜種優(yōu)勢。同時，本研究認(rèn)為，生理特性和光合作用可作為大豆品種耐鹽性的重要指標(biāo)，鹽堿地種植大豆應(yīng)選用堿濃度低于60 mmol·L-1的耕地，同時避免使用胞間CO2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)能力差的品種，可有效提高鹽漬土地利用，增加大豆產(chǎn)量。