低溫脅迫對大豆花期葉片蔗糖代謝及產量的影響

趙晶晶，周 濃，鄭殿峰

（1重慶三峽學院生物與食品工程學院，三峽庫區(qū)道地藥材綠色種植與深加工重慶市工程實驗室，重慶404120；2廣東海洋大學，廣東湛江524088）

0 引言

在制約植物地理分布和作物生產力的諸多因素中，低溫脅迫是最重要的一項[1]。東北平原是中國最重要的大豆產區(qū)，即使在全球變暖的背景下，低溫脅迫仍是東北平原作物生產的主要非生物脅迫，會影響作物的正常生長發(fā)育和產量形成[2-3]。因此，研究低溫脅迫對大豆花期葉片蔗糖代謝及產量的影響，對指導東北地區(qū)大豆生產實踐具有重要的意義。

碳代謝是指作物體內有機物質合成、轉化和降解的代謝過程[4]，該過程能夠為作物新組織提供所需的碳源[5]，其代謝強度在作物生長發(fā)育過程中的動態(tài)變化直接影響著光合產物形成、運輸以及礦質營養(yǎng)吸收等[6]。大豆光合產物以淀粉的形式儲存在葉片中，夜間經(jīng)碳代謝作用分解為蔗糖運輸?shù)礁髌鞴僦袨樾陆M織提供所需的碳源，故整個碳水化合物的合成和水解過程都需要多種酶的參與。轉化酶和蔗糖合成酶(SS)可以將蔗糖水解為己糖進入各種代謝途徑[7]，從而完成物質在源-庫器官之間的代謝轉運過程。Erdal[8]發(fā)現(xiàn)短暫的鹽脅迫會使玉米葉片內淀粉和蔗糖含量迅速下降，葡萄糖和果糖含量升高，葉片內合成酶活性降低、分解酶活性升高[9]，致使蔗糖的生物合成過程受阻。前人對于大豆苗期[10]、花期[11]、結莢期[12]和籽粒充實期[13]的低溫脅迫已取得了一定的研究成果。產量是衡量作物生長狀況的重要指標，也是作物對非生物脅迫響應的綜合體現(xiàn)，Matsukawa[13]以及Yamamoto和Narikawa[14]認為低溫脅迫致使豆類作物減產的原因主要概括為三個方面：（1）豆科作物苗期發(fā)生低溫脅迫會延緩其前期的生長發(fā)育，致使植株長勢弱小，葉片出現(xiàn)萎蔫脫水現(xiàn)象；（2）在豆科作物的花期發(fā)生低溫脅迫會影響葉片光合產物的輸出，使總狀花序的花和莢不能從葉片（源器官）得到充足的光合同化物，致使頂端的花莢發(fā)育不良，甚至大量脫落；（3）籽粒充實期發(fā)生低溫脅迫會造成植株的籽粒充實不良，這就是低溫脅迫造成豆科作物減產的主要原因。莢數(shù)是豆類作物高產的關鍵因素，因為單株莢數(shù)直接影響其產量，間接影響單株籽粒數(shù)，但其對環(huán)境脅迫十分敏感，如低溫、干旱、淹水或高溫等非生物脅迫均不同程度地影響其數(shù)量的多少[15]。王萍等[16-17]以3個不同熟期大豆品種為試驗材料，發(fā)現(xiàn)大豆花期遭遇低溫脅迫會使產量降低的主要原因是三粒莢數(shù)和單株莢數(shù)減少，導致單株粒數(shù)下降，并且恒溫低溫處理對大豆單株莢數(shù)和單株粒數(shù)形成的影響遠大于變溫低溫處理。Funatsuki等[18]發(fā)現(xiàn)花期冷害脅迫可以使耐寒、中度敏感和冷害敏感品種的產量依次減少35.56%、55.00%和67.34%，花期冷害除了導致豆科作物的莢數(shù)減少，還會導致子粒發(fā)育不良，空癟莢數(shù)增加。Bernacchi等[19]和Morgan等[20]認為，源和庫共同控制作物的產量形成，源活性的增強需伴隨庫強度潛力的增加，保證光合源（葉片）具有較強的光合物質生產能力是大豆獲得高產的前提，花期是決定大豆產量高低的關鍵生育期，而關于低溫脅迫對大豆花期葉片蔗糖代謝及產量的研究較少[11]，故本研究于大豆花期進行低溫脅迫，通過測定葉片蔗糖代謝相關指標及產量的變化，填補該方面的空白。光合作用是作物碳代謝的物質生產和決定環(huán)節(jié)，低溫脅迫主要通過損傷作物碳代謝進程影響作物產量。本試驗采用自然與人工模擬環(huán)境相結合的手段，從蔗糖含量以及代謝相關酶活性兩方面揭示了大豆應激花期低溫脅迫的代謝機制，豐富了相關的理論研究，對指導東北地區(qū)大豆的生產實踐具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

本研究以敏感品種（‘合豐50’）和耐冷品種（‘墾豐16’）為研究材料，兩供試品種均為中熟品種、亞有限結莢習性、生育期相同。于2017年在黑龍江省農業(yè)科學院進行盆栽試驗，種子播種在桶口直徑28.0 cm、桶底直徑20.0 cm、高23.0 cm的塑料桶內，呈五角星型種植，每穴2粒種子，大豆子葉期(VC)定苗5株，以盆為試驗單元，各處理采用完全隨機試驗設計。

試驗土壤類型為草甸黑鈣土，土壤基本狀況為：堿解氮含量為166.1 mg/kg，有效磷含量為38.1 mg/kg，速效鉀含量為173.0 mg/kg，有機質含量為35.1 g/kg，pH 6.75。然后按N:P:K=1:2.49:1.66比例，一次性施入0.15 kg硫酸銨（含N 21%）、0.13 kg硫酸鉀（含K 50%）和磷酸二銨（含P 46%～48%），充分混勻。

于花期進行低溫處理1～4天，低溫條件為晝夜15℃恒溫[5,7]，相對濕度為75±2%，光照條件正常，自然環(huán)境生長為對照(CK)，即‘合豐50’和‘墾豐16’的CK表示為H-CK和K-CK，C表示低溫處理，1～4表示處理天數(shù)，即‘合豐50’的低溫處理表示為H-C1～H-C4、‘墾豐16’的低溫處理表示為K-C1～K-C4。低溫處理第4天后，將低溫處理的植株搬到自然環(huán)境下進行恢復1～4天，連續(xù)進行取樣用于生理生化指標的測定，處理和對照各設4次重復。

1.2 取樣及測定項目

1.2.1 產量及其構成因素測定 大豆成熟期（R8期）時，各處理隨機選取10株植株進行株高、底莢高度、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)以及單株粒重（產量）等的測定。

1.2.2 碳代謝相關指標的提取及測定 于供試品種低溫處理后第1天開始第1次取樣，以后連續(xù)取8天。各處理選取大小均勻一致的5株植株帶回室內，取大豆的功能葉片（倒三葉）速凍于液氮中，再放入-20℃冰箱中貯存，待樣品全部收集完畢后，使用蒽酮比色法測定淀粉含量[21]；使用間苯二酚法測定蔗糖和果糖含量[21]；使用3,5-二硝基水楊酸法測定葉片內酸性轉化酶(AI)、中性轉化酶活性(NI)、蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶活性(SPS)[21]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)的錄入、整理以及繪圖，用SPSS 19.0做方差分析。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對大豆產量及其構成因素的影響

由表1可以看出，與對照（H-CK和K-CK）相比，低溫處理均顯著降低了大豆產量，其大小順序依次為CK＞C1＞C2＞C3＞C4，不同品種間呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，其中，‘合豐50’的減產率依次分別為10.29%、21.70%、27.35%和30.88%，‘墾豐16’的減產率依次分別為9.58%、18.08%、22.60%和24.22%，除H-C1處理外，其他處理與對照（H-CK和K-CK）間均達到顯著差異。此外，‘合豐50’和‘墾豐16’的單數(shù)莢數(shù)和單株粒數(shù)也有不同程度的減少，其中，低溫脅迫4天時，‘合豐50’的單株莢數(shù)和單株粒數(shù)較H-CK分別減少了26.56%和34.45%，‘墾豐16’的單株莢數(shù)和單株粒數(shù)較K-CK分別減少了14.74%和35.40%，方差分析可知，處理與對照（H-CK和K-CK）之間差異均達到了顯著差異，這說明花期遭遇低溫脅迫不利于大豆單株莢數(shù)和單株粒數(shù)的形成，而大豆單數(shù)莢數(shù)或單株粒數(shù)任何一個因素減少，均會造成大豆單株產量降低。

表1 低溫脅迫對大豆產量及產量構成因素的影響

如表2所示，隨著低溫處理時間的延長，植株的株高逐漸降低，而底莢高度逐漸升高，低溫脅迫對大豆基部莖粗沒有顯著影響。各處理株高的大小順序依次為CK＞C1＞C2＞C3＞C4，‘合豐 50’株高的降低率分別為1.81%、2.03%、2.18%和7.05%，‘墾豐16’株高的降低率分別為3.00%、3.68%、7.98%和8.52%，方差分析可知，H-C4與H-CK、K-C3與K-CK、K-C4與K-CK之間差異極顯著。就底莢高度而言，C1處理起負調節(jié)作用，C2、C3和C4處理起正調節(jié)作用，不同品種間呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，底莢高度的增加不利于植株下部產量的形成，進而降低了植株的單株籽粒重。

表2 低溫處理對大豆植株形態(tài)指標的影響

大豆在花期遭遇低溫脅迫時，不僅單株莢數(shù)和單株粒數(shù)有不同程度地減少，其粒莢數(shù)構成也發(fā)生了較大變化（圖1）?！县S50’花期遭遇低溫脅迫時，其空癟莢、二粒莢數(shù)、三粒莢數(shù)和四粒莢數(shù)均大幅度下降，而一粒莢數(shù)略有增加；‘墾豐16’花期遭遇低溫脅迫時，其空癟莢、一粒莢數(shù)、二粒莢數(shù)、三粒莢數(shù)和四粒莢數(shù)均不同程度地減少，花期低溫脅迫對冷敏感‘合豐50’莢粒數(shù)的影響較耐冷‘墾豐16’嚴重，推斷其可能是大豆減產的主要因素之一。

圖1 低溫處理對大豆單株莢粒數(shù)的影響

如圖2所示，低溫處理后，‘合豐50’各處理的第10節(jié)和11節(jié)產量對總產量的貢獻率高于CK，其增加幅度為1.30%～28.70%；C1和C3的第5節(jié)～8節(jié)、C2和C4的第12節(jié)～14節(jié)產量對總產量的貢獻率一直低于CK。低溫處理后，‘墾豐16’各處理的第4節(jié)～6節(jié)產量對總產量的貢獻率高于CK，其增加幅度為16.45%～69.88%；C1的第9節(jié)～12節(jié)、C2的第7節(jié)～14節(jié)、C3的第11節(jié)和第12節(jié)產量對總產量的貢獻率低于CK?？傊?，不同的大豆品種，其減產原因不同。

圖2 低溫處理對大豆不同節(jié)位產量貢獻率的影響

2.2 低溫脅迫對大豆葉片碳水化合物含量的影響

從圖3可以看出，大豆花期進行低溫脅迫可以導致葉片中淀粉和蔗糖含量減少，隨著處理時間的延長，其下降幅度逐漸增加；果糖含量隨著處理時間的延長逐漸提高，不同基因型品種間呈現(xiàn)相同的變化趨勢。低溫脅迫1～4天時，與對照相比（H-CK和K-CK），‘合豐50’葉片蔗糖含量分別依次減少了33.23%、41.44%、59.80%和66.74%，‘墾豐16’葉片蔗糖含量分別依次減少了23.27%、42.51%、51.98%和55.34%，可見，冷敏感品種對低溫脅迫響應更敏感。

圖3 低溫脅迫大豆葉片碳水化合物含量的影響

隨著低溫脅迫后恢復時間（5～8天）的延長，葉片中淀粉和蔗糖含量逐漸增加，始終高于對照，果糖含量逐漸減少，始終低于對照，其中，葉片蔗糖含量在恢復4天后可恢復到對照水平，而淀粉和果糖含量在短時間內難以恢復到對照（H-CK和K-CK）水平，不同基因型品種間呈現(xiàn)相同的變化趨勢。

2.3 低溫脅迫對大豆葉片蔗糖代謝相關酶活性的影響

由圖4分析可知，低溫脅迫增加了葉片內酸性轉化酶(AI)、中性轉化酶(NI)和SS活性，低溫脅迫第4天，與對照相比（H-CK和K-CK），‘合豐50’上述指標依次增加了59.92%、17.12%和168.18%，‘墾豐16’上述指標依次增加了45.27%、80.62%和150.23%；降低了SPS活性，隨著低溫脅迫時間的延長，SPS活性降低幅度逐漸增加，低溫脅迫對耐冷品種葉片內蔗糖代謝相關酶活性的調控效應影響小于敏感品種。

圖4 低溫脅迫對大豆葉片蔗糖代謝相關酶活性的影響

低溫脅迫后恢復期間（5～8天），葉片中AI、NI和SS活性逐漸減少，但始終高于對照，其中，恢復第4天，與對照相比（H-CK和K-CK），‘合豐50’上述指標依次增加了16.03%、17.11%和33.03%，‘墾豐16’上述指標依次增加了17.29%、49.64%和21.94%；SPS活性逐漸增加，但始終低于對照，不同基因型品種間呈現(xiàn)相同的變化趨勢。

3 討論

許多學者已從不同的生理機制驗證了低溫脅迫導致作物減產的原因，認為花期低溫脅迫造成大豆產量損失的原因是低溫脅迫影響了葉片光合產物的輸出，致使大豆的總狀花序的花和莢不能從源器官（葉片）內獲得充足的光合同化物，使植株頂端的花莢發(fā)育不良，嚴重時甚至大量脫落[9]。本研究也得到了相似的結果，低溫脅迫降低了大豆的株高和產量，提高了其底莢高度，其中，‘合豐50’和‘墾豐16’的減產范圍分別為10.29%～30.88%和9.58%～24.22%，底莢高度的增加不利于植株下部產量的形成，并且受脅迫植株的二粒莢數(shù)、三粒莢數(shù)和四粒莢數(shù)顯著降低，這導致大豆的單株莢數(shù)和單株籽粒數(shù)有不同程度地減少，這與前人的研究結果相同[16-17]。

碳代謝作為植物體內有機物質合成、轉化和降解的主要代謝途徑，其代謝強度在作物的正常生長發(fā)育過程中的動態(tài)變化直接影響著植物體內光合產物形成、運輸以及礦質營養(yǎng)的吸收等。短暫的干旱脅迫或者遮光可以使植株葉片內淀粉和蔗糖含量迅速下降接近為零，果糖含量升高，庫器官內蔗糖合成酶活性降低而分解酶活性升高，使植物葉片內的蔗糖生物合成過程受阻[22]。Miao 等[23]和 Qi等[1]以番茄為試驗材料，經(jīng)低溫脅迫后，發(fā)現(xiàn)番茄葉片內淀粉、蔗糖和果糖含量升高，轉化酶和SS活性降低，SPS活性被顯著提高，而脅迫恢復過程中的葉片內淀粉含量和AI活性難以恢復到對照水平[24]。木薯葉片在低溫脅迫初期，其葉片內會積累較多的碳水化合物，但隨著氣溫的逐漸降低，葉片內碳水化物的積累量會逐漸減少[24]。SPS作為催化蔗糖合成中的關鍵酶，在低溫脅迫環(huán)境下，月季成熟葉片內SPS和AI活性呈下降的趨勢，Martindale等[25]認為作物葉片內蔗糖積累的主要原因是蔗糖合成能力增強。本研究結果表明，大豆花期進行低溫脅迫導致葉片中淀粉和蔗糖含量減少，果糖含量增加，提高了AI、NI和SS活性，抑制了SPS活性，其中，‘合豐50’葉片蔗糖下降幅度為33.23%～66.74%，‘墾豐16’葉片蔗糖下降幅度為23.27%～55.34%，低溫脅迫后恢復期間，上述指標呈相反的變化趨勢，不同基因型品種間呈現(xiàn)相同的變化趨勢。低溫脅迫造成大豆葉片內蔗糖含量減少的主要原因是蔗糖合成途徑受到抑制，而分解途徑加快，從源庫角度來看，源器官（葉片）內蔗糖含量的減少不利于其向外運輸，花作為大豆花期的主要庫器官，無法從源器官得到充足的光合同化物，致使其大量脫落[13]，導致最終產量降低。這與Martindale等[25]的研究結果不同，這說明植物對低溫脅迫的響應受自身遺傳條件、脅迫強度、脅迫時期等因素影響。

4 結論

大豆花期低溫脅迫后，隨低溫脅迫時間的延長，葉片淀粉和蔗糖含量逐漸減小，果糖含量逐漸增加，葉片內AI、NI和SS活性提高，SPS活性被抑制；低溫恢復期間上述指標呈現(xiàn)相反的變化趨勢，這說明大豆花期遭遇低溫脅迫，加快了蔗糖的分解代謝，而抑制了其合成途徑，致使葉片內的蔗糖含量急劇減少，并且其危害不能在短時間（自然環(huán)境下恢復4天）內恢復，致使單株莢數(shù)或單株粒數(shù)均有不同程度的減少，最終降低了大豆的單株產量。