淹水脅迫及外源脫落酸對紅小豆幼苗莖部生理及產(chǎn)量的影響

李 琬，李 博，項洪濤，何 寧，王曼力，劉 佳

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 耕作栽培研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150086）

紅小豆(Vigna angularis)，又名紅豆、赤小豆、小豆等，是豆科豇豆屬1年生草本植物，對環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)，在瘠薄地、鹽堿地、干旱地均可生長[1]，屬于典型的救災(zāi)作物和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整作物，在我國廣泛種植，尤其華北地區(qū)和東北地區(qū)面積較大。但紅小豆對淹水脅迫較敏感，易受澇害。

近年來，受全球氣候變化影響，我國異常天氣變化情況增多，突發(fā)低溫以及降雨次數(shù)和強(qiáng)度發(fā)生不規(guī)律，尤其是臺風(fēng)帶來的強(qiáng)降雨引起洪澇災(zāi)害面積擴(kuò)大，造成作物生長受阻并制約高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[2]。黑龍江省屬于氣候變化敏感和生態(tài)脆弱地區(qū)，農(nóng)田澇漬災(zāi)害多發(fā)，澇害已經(jīng)成為黑龍江省重要的自然災(zāi)害之一[3]。淹水脅迫抑制植株生長，造成植株個體生理差異，最終降低作物產(chǎn)量，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4]。施用植物生長調(diào)節(jié)劑是緩解作物非生物脅迫的重要措施之一[5]。脫落酸（Abscisic acid，ABA）于20世紀(jì)中葉被發(fā)現(xiàn)，在植物生育進(jìn)程及抵御非生物脅迫等方面具有重要作用[6]。研究表明，施用外源ABA可通過調(diào)節(jié)活性氧（Reactive oxygen species，ROS）類物質(zhì)積累、提高抗氧化酶活性等途徑來抵御逆境脅迫，這在干旱[7]、高鹽[8]、低溫[9-10]、高溫[11]等逆境脅迫和植物衰老[12]研究中均得到證實。同時，王金強(qiáng)等[7]指出，水分脅迫下外源ABA可使甘薯產(chǎn)量顯著提高28.60%；屈春媛等[13]指出，水分脅迫下，外源ABA顯著提高了大豆產(chǎn)量。

莖是紅小豆重要的營養(yǎng)器官，是“流”的重要依靠組織，起到支撐和運輸養(yǎng)分的重要作用。紅小豆遭到淹水脅迫時，莖的形態(tài)和生理會受到較大影響，同化物通過韌皮部向下運輸、無機(jī)養(yǎng)分通過木質(zhì)部向上運輸都會不同程度地受阻，進(jìn)而影響幼苗建植，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。有關(guān)淹水脅迫的研究大多集中在大宗糧食作物上，在食用豆類作物上鮮有報道。鑒于此，于幼苗期對紅小豆進(jìn)行淹水處理，開展淹水脅迫及預(yù)噴施ABA對紅小豆抗逆生理及產(chǎn)量的影響研究，旨在分析苗期淹水對紅小豆幼莖生育和生理生化指標(biāo)的影響，以及預(yù)噴施外源ABA對紅小豆逆境的緩解效應(yīng)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

紅小豆品種龍小豆4號（LXD 4）和天津紅（TJH），由國家食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系栽培生理崗位專家團(tuán)隊提供。供試外源激素為脫落酸（ABA），純度≥99.0%，購自Sigma公司。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所盆栽場以及陽光型人工氣候室開展。采用盆栽土培方式，試驗用盆規(guī)格為25 cm（直徑）×23 cm（高），每盆裝自然風(fēng)干土5.5 kg，播后均勻覆蓋表土200 g，采用稱質(zhì)量法控制土壤含水量，每盆保留紅小豆幼苗15株。2019年4月18日于陽光型人工氣候室內(nèi)進(jìn)行人工播種，2個紅小豆品種均播種100盆，選取長勢均勻的幼苗盆栽進(jìn)行下一步試驗，試驗共設(shè)3個處理，每個處理3次重復(fù)，具體設(shè)計方案見表1。

表1 試驗設(shè)計方案Tab.1 Experiment design

紅小豆生長至幼苗期（真葉展開，第1片復(fù)葉開始露頭）進(jìn)行噴施處理。上午9:00，采取葉面噴施的方式施用ABA，質(zhì)量濃度為20 mg/L[9]，30盆用液量為33 mL。噴施24 h后進(jìn)行淹水處理，處理方式為套盆模式，以淹水平面高出土壤表面1.5～2.0 cm為宜，以適宜相對土壤含水量（70%～80%）為對照。淹水24 h后開始第1次取樣，連續(xù)5 d每天9:00進(jìn)行取樣。每天取樣的同時，各處理取3盆解除淹水脅迫，逐漸自然恢復(fù)適宜土壤含水量，以測定后期產(chǎn)量。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 生理指標(biāo) 分別取各處理紅小豆莖部材料后放入液氮中進(jìn)行速凍，試驗材料經(jīng)充分冷凍后存于-80℃冰箱備用。

使用過氧化氫（H2O2）檢測試劑盒測定H2O2含量。采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定MDA含量，采用氮藍(lán)四唑（NBT）法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性，采用分解過氧化氫含量速率法測定過氧化氫酶（CAT）活性，具體參考李合生等[14]的測定方法；脯氨酸含量測定采用茚三酮比色法[15]；可溶性糖含量測定采用硫酸蒽酮比色法[15]；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[14]。

1.3.2 產(chǎn)量 各處理分別進(jìn)行摘莢取樣，每盆為1個重復(fù)，用天平稱質(zhì)量，測量單盆產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行錄入整理并作圖，使用DPS軟件選擇新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖活性氧物質(zhì)積累及胞膜損傷的影響

2.1.1 H2O2含量 從圖1可以看出，隨淹水脅迫時間延長，紅小豆幼莖H2O2含量呈上升趨勢，預(yù)噴施外源ABA減緩了淹水脅迫后幼莖H2O2含量的上升。龍小豆4號淹水1—5 d均表現(xiàn)為T2＞T3＞T1；淹水1—5 d，T2處理較T1處理分別顯著提高26.07%、49.36%、76.68%、93.49%、154.09%；T3處理較T2處理分別下降9.68%、8.27%、6.64%、7.99%、20.68%，其中淹水2、5 d均達(dá)到顯著差異水平。天津紅淹水1—5 d幼莖H2O2含量也均表現(xiàn)為T2＞T3＞T1；淹水1—5 d，T2處理較T1處理分別顯著提高21.64%、49.50%、74.65%、114.80%、159.62%，T3處理較T2處理分別下降5.81%、11.67%、10.56%、9.58%、19.29%，其中淹水2、3、5 d均達(dá)到顯著差異水平。

圖1 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖H 2O2含量變化的影響Fig.1 Changes of H 2O2 content in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.1.2 MDA含量 由圖2可知，隨淹水脅迫時間延長，紅小豆幼莖MDA含量呈上升趨勢。龍小豆4號和天津紅均表現(xiàn)為淹水處理（T2）顯著高于T1。預(yù)噴施ABA（T3處理）可緩解淹水紅小豆幼莖MDA含量的增加。淹水2—5 d時，龍小豆4號T3處理幼莖MDA含量較T2處理分別顯著下降12.98%、11.71%、17.87%、28.54%，天津紅分別顯著下降14.73%、23.77%、23.26%、18.79%。

圖2 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖MDA含量變化的影響Fig.2 Changes of MDA content in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.2 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖保護(hù)酶活性的影響

2.2.1 SOD活性 由圖3可知，隨淹水脅迫時間延長，紅小豆幼莖SOD活性呈先升后降，在淹水3 d達(dá)到最高值。龍小豆4號淹水1—3 d，T2處理較T1處理分別顯著提高13.26%、27.94%、48.86%，淹水4、5 d，T2處理較T1處理分別降低1.10%、17.09%；淹水1—5 d，T3處理較T2處理分別提高5.75%、12.98%、11.43%、29.81%、16.15%，其中淹水2、4、5 d均達(dá)到顯著水平。天津紅淹水1—4 d，T2處理較T1處理分別提高16.42%、45.60%（P＜0.05）、64.87%（P＜0.05）、6.81%，淹水5 d降低6.75%；預(yù)噴施ABA對天津紅幼莖SOD活性的調(diào)控?zé)o明顯規(guī)律。

圖3 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖SOD活性變化的影響Fig.3 Changesof SOD activity in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.2.2 POD活性 圖4表明，隨淹水脅迫時間延長，紅小豆幼莖POD活性呈先升后降的趨勢，預(yù)噴施ABA提高淹水脅迫紅小豆幼莖的POD活性。龍小豆4號淹水1—5 d，T2處理較T1處理分別顯著提高33.46%、84.60%、150.44%、84.23%、40.36%，T3處理較T2處理分別提高30.25%、34.29%、7.04%、107.69%、128.76%，其中淹水1、2、4、5 d均達(dá)到顯著差異水平。淹水1—5 d，天津紅均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，其中，淹水2—4 d，T2處理較T1處理分別顯著提高了84.07%、176.19%、81.71%；淹水1—5 d，T3處理較T2處理分別顯著提高78.57%、58.45%、38.41%、98.55%、82.09%。

圖4 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖POD活性變化的影響Fig.4 Changes of POD activity in young stem of adzuki bean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.2.3 CAT活性 從圖5可以看出，隨淹水脅迫時間延長，紅小豆幼莖CAT活性呈先升后降的趨勢。淹水1—5 d，龍小豆4號均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，T2處理較T1處理分別提高20.00%、69.23%、84.62%、28.57%、7.69%，T3處理比T2處理分別提高22.22%、31.82%、29.17%、33.33%、14.29%，其中處理2—4 d差異均達(dá)到顯著水平。淹水1—5 d，天津紅均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，其中處理1—4 d，T2處理較T1處理分別顯著提高了57.14%、86.67%、100.00%、50.00%，T3處理比T2處理分別提高45.45%、25.00%、10.00%、9.52%。

圖5 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖CAT活性變化的影響Fig.5 Changes of CAT activity in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.3 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

2.3.1 脯氨酸含量 由圖6可知，隨淹水脅迫時間延長，紅小豆幼莖脯氨酸含量呈先升后降的變化趨勢。淹水1—5 d，龍小豆4號均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，T2處理較T1處理分別顯著提高了33.26%、72.79%、201.44%、125.17%、28.13%，T3處理比T2處理分別提高了4.40%、36.94%、8.90%、11.61%、7.92%，其中淹水2、3 d差異達(dá)到顯著水平。淹水1—5 d，天津紅均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，淹水1—3 d，T2處理較T1處理分別顯著提高了46.88%、68.73%、91.91%，T3處理比T2處理分別顯著提高38.38%、26.52%、33.36%。

圖6 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖脯氨酸含量變化的影響Fig.6 Changes of proline content in young stem of adzuki bean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.3.2 可溶性糖含量 由圖7可知，隨淹水脅迫時間延長，紅小豆幼莖可溶性糖含量呈先升后降的變化趨勢。淹水1—4 d，龍小豆4號均表現(xiàn)為T2＞T1，其中淹水1、3、4 d，T2處理較T1處理分別顯著提高20.42%、42.94%、32.78%；淹水1、2、3、5 d，龍小豆4號表現(xiàn)為T3＞T2。淹水1—5 d，天津紅T2處理較T1處理分別提高68.36%、112.09%、150.20%、74.07%、28.13%，其中淹水1—4 d均達(dá)到顯著水平；淹水1—5 d，天津紅T3處理較T2處理分別提高15.40%、21.63%、17.67%、76.33%、27.96%，其中淹水2—5 d均達(dá)到顯著水平。

圖7 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖可溶性糖含量變化的影響Fig.7 Changes of soluble sugar content in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.3.3 可溶性蛋白含量 從圖8可以看出，隨淹水脅迫時間延長，幼莖內(nèi)可溶性蛋白含量表現(xiàn)為先升后降的變化規(guī)律。淹水1—3 d，龍小豆4號T2處理較T1處理分別顯著提高10.14%、17.08%、40.42%；淹水1、5 d，T3處理比T2處理分別顯著提高13.36%、29.83%。淹水處理2—4 d，天津紅T2處理較T1處理分別顯著提高29.81%、52.79%、13.91%；淹水3—5 d，T3處理較T2處理分別顯著提高6.71%、9.91%、21.08%。

圖8 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆幼莖可溶性蛋白含量變化的影響Fig.8 Changes of soluble protein content in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.4 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆產(chǎn)量的影響

由圖9可知，幼苗期淹水及噴施外源ABA對紅小豆產(chǎn)量有一定影響。幼苗期淹水1—2 d，2個品種均表現(xiàn)為T1、T2、T3處理間紅小豆產(chǎn)量差異不顯著。龍小豆4號淹水3—5 d，T2處理產(chǎn)量較T1處理分別顯著降低4.77%、7.57%、8.40%；淹水3 d和4 d，T3處理產(chǎn)量較T2處理分別顯著提高6.05%和6.95%，與T1處理差異不顯著，淹水5 d，T3、T2處理產(chǎn)量無顯著差異。天津紅淹水3—5 d，T2處理較T1處理分別顯著降低5.59%、8.00%、9.91%；淹水3 d和4 d，T3處理較T2處理分別顯著提高1.84%和4.46%。

圖9 苗期淹水及葉噴ABA對紅小豆產(chǎn)量的影響Fig.9 Effect of waterlogging and spraying ABA at seedling stage on yield per plot of adzuki bean

3 結(jié)論與討論

淹水脅迫誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生自由基，引起ROS代謝失衡，導(dǎo)致H2O2等物質(zhì)過度積累，并誘導(dǎo)MDA含量增加，破壞生物膜結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致細(xì)胞膜選擇性吸收能力喪失和細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)的滲漏[16]，從而影響細(xì)胞的物質(zhì)代謝[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，紅小豆苗期淹水脅迫使其幼苗莖H2O2和MDA的含量升高，對幼莖細(xì)胞膜造成損傷，影響細(xì)胞代謝，對產(chǎn)量形成造成潛在威脅，與張洪鵬等[18]在大豆、朱進(jìn)等[19]在白菜上的研究結(jié)果一致。外源ABA具有緩解逆境脅迫的生理功能，項洪濤等[9]指出，逆境脅迫下外源ABA能有效降低水稻體內(nèi)MDA的積累，維持膜的完整性；李長寧等[20]指出，水分脅迫下外源ABA能有效緩解甘蔗體內(nèi)MDA和H2O2的積累，提高逆境條件下的抗氧化保護(hù)能力。本研究表明，淹水脅迫下噴施外源ABA可以抑制紅小豆幼莖H2O2和MDA的增加，減輕淹水對細(xì)胞膜的損傷，提高紅小豆的抗淹水能力，這可能與外源ABA具有提高保護(hù)酶活性的生理功能有關(guān)；淹水脅迫下，紅小豆莖內(nèi)的SOD、POD和CAT活性不同程度提高，這與潘兵青等[21]和圖攀峰等[22]的報道結(jié)果類似。噴施外源ABA增強(qiáng)植物體內(nèi)的保護(hù)酶活性，以清除過量的H2O2和MDA，降低對細(xì)胞膜的損傷。李長寧等[20]指出，水分脅迫下外源ABA能有效提高甘蔗葉片內(nèi)CAT活性；郭貴華等[23]研究指出，水分脅迫下，外源ABA處理能夠提高水稻葉片的SOD活性。本研究結(jié)果表明，噴施ABA能夠顯著提高紅小豆幼莖CAT和POD活性，通過一系列酶促作用，POD和CAT可清除或降解多余的H2O2，從而降低植株因逆境脅迫導(dǎo)致的傷害[24]。在逆境中，植物細(xì)胞具有主動積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的功能，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢，以維持植物體內(nèi)各種細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)和功能，保證相應(yīng)的理化進(jìn)程正常進(jìn)行[25]。本研究結(jié)果表明，幼苗期淹水脅迫引起紅小豆莖內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量提高，有效緩解了淹水傷害；噴施ABA具有提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的生理效應(yīng)，尤其顯著提高了脯氨酸的含量。淹水脅迫引起作物產(chǎn)量降低，研究表明，淹水脅迫導(dǎo)致大豆單株莢數(shù)和產(chǎn)量明顯降低[26]；周青云等[27]研究表明，拔節(jié)期淹水顯著降低玉米籽粒產(chǎn)量；李穎等[28]研究表明，不同時期淹水對花生產(chǎn)量均造成顯著影響。本研究結(jié)果顯示，紅小豆幼苗期淹水3 d可使產(chǎn)量降低4.77%以上，預(yù)噴施外源ABA可緩解淹水逆境對紅小豆產(chǎn)量造成的不良影響；淹水3 d，預(yù)噴施ABA的紅小豆產(chǎn)量與T1(CK)無顯著差異，說明噴施ABA可有效延長受淹時間而不降低產(chǎn)量。

綜上，淹水脅迫導(dǎo)致紅小豆幼莖H2O2和MDA含量顯著增加，對細(xì)胞膜造成損傷；同時，淹水脅迫也誘導(dǎo)紅小豆幼莖SOD、POD和CAT活性的提高，以及脯氨酸和可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增加，提高了紅小豆的抗逆性，但隨淹水時間延長最終引起產(chǎn)量下降。ABA預(yù)噴施處理可有效緩解淹水脅迫對紅小豆細(xì)胞膜的損傷程度，減緩紅小豆幼莖中H2O2和MDA含量因淹水脅迫而上升的趨勢，增強(qiáng)CAT和POD的活性，促進(jìn)脯氨酸和可溶性蛋白含量升高，進(jìn)而相對提高了紅小豆在淹水條件下的產(chǎn)量。有關(guān)噴施ABA緩解淹水脅迫的激素水平變化、細(xì)胞膜組分變化等生理機(jī)制仍需繼續(xù)開展深入的研究。