干旱脅迫對大豆種子萌發(fā)和幼苗生理的影響

徐芬芬，王愛斌

（上饒師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334000）

干旱是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的主要環(huán)境因子之一。在我國干旱和半干旱區(qū)約占國土總面積的1/2 以上，其危害接近于其他多種自然災(zāi)害影響的總和［1］。特別是近幾年來，在我國北方大部地區(qū)，發(fā)生干旱的頻率達到70%左右［2］；而南方一些地區(qū)，出現(xiàn)干旱天氣的頻率也日趨增高，影響也越來越大，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失嚴(yán)重。在2019年7月16日至10月21日期間，江西省平均無雨日數(shù)81 天，較常年同期偏多16.8 天，創(chuàng)歷史同期新高。種子萌發(fā)對干旱脅迫的響應(yīng)反映了其適應(yīng)局地環(huán)境的生態(tài)機制。因此，對作物種子萌長期進行耐旱性評價，篩選耐旱品種，對我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

菜用大豆種植過程中需水量高，根系不發(fā)達，成為豆類中對干旱脅迫最為敏感的作物［3］。大豆不同品種對干旱的抗性不同，因此許多學(xué)者對大豆種子萌發(fā)期的耐旱性評價進行了研究。高小寬等［4］比較了聚乙二醇模擬干旱脅迫對野生大豆與栽培大豆萌發(fā)的影響。研究結(jié)果表明，野生大豆的抗旱性強于栽培大豆。周玉麗等［5］研究了30 個栽培大豆品種的耐旱性，發(fā)現(xiàn)大豆不同品種的耐旱指數(shù)和脅迫指數(shù)存在明顯差異。本試驗采用PEG-6000 模擬干旱脅迫的方法，對目前江西省廣泛栽培的四個大豆品種進行抗旱性比較，通過測定它們種子發(fā)芽狀況及相關(guān)生理指標(biāo)，對這些品種進行早期耐旱性鑒定，為菜用大豆提供新的耐旱種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試大豆品種為“鶴豐”、“遼鮮1號”、“滬寧”和“毛豆29-2”等，種子購于市場。

1.2 試驗方法

配制濃度為5%、10%、20%的PEG-6000 溶液（分別代表正常、輕度、中度和重度干旱脅迫），以蒸餾水作對照。分別選取顆粒大小一致、整齊飽滿、無病蟲害的大豆種子，將大豆種子用70%的酒精浸泡30～60 s，蒸餾水沖洗2～3 次后，置于以直徑9 cm 的玻璃培養(yǎng)皿，每皿鋪一層濾紙，每皿放置50粒，然后分別加入不同濃度的20 mLPEG-6000，常溫培養(yǎng)。每處理設(shè)置3次重復(fù)。培養(yǎng)過程每天更換1次溶液，以保證試驗過程中PEG濃度的恒定。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 萌發(fā)情況

12 h后開始觀察，以后每天記錄一次發(fā)芽情況，3 d 后統(tǒng)計發(fā)芽勢，7 d 后統(tǒng)計發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)計算公式如下：

發(fā)芽率（%）=（第5天全部發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100%；

發(fā)芽勢（%）=n/N×100%式中，n為前3次的發(fā)芽種子數(shù)，N為種子總數(shù)100；

發(fā)芽指數(shù)（GI）=∑Gt/Dt，式中，Gt 為第t 天種子發(fā)芽數(shù)，Dt為對應(yīng)的種子發(fā)芽的天數(shù)。

1.3.2 抑制率

各萌發(fā)指標(biāo)的抑制率IR（%）=（對照值-處理值）/對照值×100。

1.3.3 最大根長、根冠比

待幼苗長到三片真葉時，每處理隨機選取10株測量最長根長，用烘干稱重法測定根冠比。

1.3.4 根系生理指標(biāo)

待幼苗長到三片真葉時，取各品種20%的PEG-6000處理和CK的大豆根系測定如下生理指標(biāo)：脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法測定［6］；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）和過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性測定參照李合生的方法［5］，丙二醛（Methylene dioxyamphetamine，MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸比色法［6］。以上各指標(biāo)重復(fù)3次，結(jié)果取其平均值。

1.3.5 根系傷流量

待幼苗長到三片真葉時，傷流液的收集從19：00 開始到次日7：00 結(jié)束，距根部2 cm 處剪去地上部，用套有保鮮膜的脫脂棉包裹莖基部準(zhǔn)確收集傷流液12 h。傷流液流量通過差減稱量法計算［6］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 軟件分析，采用新復(fù)極差法進行差異顯著性測驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG脅迫下不同品種大豆種子萌發(fā)情況

由表1 數(shù)據(jù)分析可知，5%PEG 促進了“鶴豐”和“遼鮮1號”兩個品種的發(fā)芽。其中，“鶴豐”發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)分別較CK 提高2.95%、12.55%、2.54%，“遼鮮1 號”的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)分別較CK 提高2.94%、32.84%、12.41%，且“遼鮮1 號”的發(fā)芽勢較CK極顯著提高（P＜0.01）。“滬寧”和“毛豆29-2”兩個品種各發(fā)芽指標(biāo)則均受到了抑制?！皽麑帯卑l(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)等均表現(xiàn)為極顯著抑制。10%PEG 脅迫下，“遼鮮1 號”發(fā)芽仍受到促進（其發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)分別較CK 提高1.76%、10.92%、8.87%），其它品種發(fā)芽率均受到極顯著抑制。20%PEG 脅迫下“遼鮮1 號”發(fā)芽率受到極顯著抑制，但發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均無顯著影響，其它三個品種在20%PEG脅迫下種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均表現(xiàn)為極顯著抑制。PEG 顯著抑制“鶴豐”、“毛豆29-2”、“遼鮮”和“滬寧”發(fā)芽率的濃度分別為：10%、5%、20%和5%。由上述分析可知，四個品種以“遼鮮1號”抗旱性最強，“鶴豐”其次，“滬寧”和“毛豆29-2”抗旱性較差。

表1 不同濃度PEG脅迫對大豆種子萌發(fā)的影響Tab. 1 Effects of different concentration of PEG treatments on soybean germination

2.2 20%PEG 處理下大豆幼苗根系脯氨酸含量和抗氧化系統(tǒng)

脯氨酸是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以降低細(xì)胞的滲透勢，保護細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，在干旱逆境條件下可以提高植物的抗逆能力，也是評價植物抗旱性的重要生化指標(biāo)［7］。MDA 是細(xì)胞膜脂過氧化的產(chǎn)物，其含量的高低在一定程度上反映了植物在干旱脅迫下的受傷害程度。由表2 分析可知，20%PEG 脅迫下，不同品種大豆根系的脯氨酸含量、SOD 活性、CAT 活性、POD 活性以及MDA 含量等均較CK 提高。但不同品種的增幅不同，脯氨酸含量、SOD 活性、CAT 活性、POD 活性等均以“遼鮮1號”增幅最大（分別為123.32%、27.29%、78.00%、71.82%），“鶴豐”其次（分別為83.18%、26.42%、54.81%、59.81%），MDA 含量則以“遼鮮1 號”和“鶴豐”增幅較?。ǚ謩e為7.86%和7.81%），“毛豆29-2”和“滬寧”MDA 含量增幅較大分別為8.68%和10.33%。

表2 20%PEG處理對各品種大豆幼苗根系脯氨酸含量和抗氧化系統(tǒng)的影響Tab. 2 Effects of 20%PEG treatments on Pro content and antioxidant system of different soybean varieties

2.3 幼苗根系生長和傷流量

由表3 可知，20%PEG 脅迫下各品種最大根長、根冠比和根系傷流量均較CK 降低。根系傷流下降反映了根系活力的降低。這說明水分脅迫導(dǎo)致根系生長受到抑制的同時根系活力也受到抑制。不同品種根系最大根長、根冠比和根系傷流量等降低幅度均以“遼鮮1號”最低（分別為：14.64%、12.50%、9.52%），“鶴豐”其次（分別為：19.57%、18.52%、25.33%），“毛豆29-2”最大（分別為：72.06%、40.91%、45.08%）。說明根系受PEG 脅迫影響的大小為：“遼鮮1 號”＜“鶴豐”＜“滬寧”＜“毛豆29-2”，以“遼鮮1號”受影響程度最小。

表3 20%PEG處理對不同品種根系形態(tài)和傷流量的影響Tab.3 Effects of 20%PEG treatments on Pro content and morphology and bleeding sap amount of roots of different soybean varieties

3 結(jié)論與討論

作物抗旱鑒定就是按作物品種（品系）的抗旱能力大小進行篩選、評價和歸類的過程。通過抗旱鑒定可以為抗旱育種提供優(yōu)異種質(zhì)［8］。前人已經(jīng)做了很多關(guān)于大豆耐旱品種篩選方面的研究。高小寬等［4］研究了聚乙二醇模擬干旱脅迫對野生大豆與栽培大豆萌發(fā)的影響。結(jié)果表明，野生大豆的抗旱能力強于栽培大豆。周玉麗等［5］研究了30 個栽培大豆品種的耐旱性，舒英杰［9］研究了大豆發(fā)芽期耐旱性的適宜濃度，初步確定室內(nèi)采用PEG-6000 浸種法模擬干旱脅迫鑒定大豆發(fā)芽期耐旱性的適宜濃度為20%～25%。趙振寧等［10］研究了不同濃度PEG 處理對3 個大豆品種種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)18%PEG 處理為合適的干旱脅迫條件。本研究分別采用5%、10%、20%PEG-6000模擬干旱脅迫處理四個品種大豆種子。結(jié)果表明，5%PEG 脅迫下，僅遼鮮發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均受到促進，其它品種均表現(xiàn)為抑制。10%PEG 脅迫對除“遼鮮”外的其他3 個品種的發(fā)芽率均表現(xiàn)出極顯著抑制。20%PEG 脅迫對四個品種的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均表現(xiàn)為極顯著抑制。因此在本試驗條件下，PEG 模擬干旱脅迫鑒定大豆發(fā)芽期耐旱性的適宜濃度為應(yīng)在10%～20%之間，此數(shù)據(jù)低于周玉麗［5］和王國夫［11］的研究結(jié)果，可能與品種的地域性有關(guān)。發(fā)芽指標(biāo)中以發(fā)芽率對PEG 濃度最敏感，因此，發(fā)芽率可作為大豆抗旱品種評價的首選指標(biāo)。本試驗采用的四個大豆品種抗性大小結(jié)果為：“遼鮮1 號”抗旱性最強，“鶴豐”其次，“滬寧”和“毛豆29-2”抗旱性較差。因此，在江西旱季或干旱地區(qū)大豆種植可優(yōu)先選擇“遼鮮1號”。

根系的生理指標(biāo)分析結(jié)果表明，20%PEG 脅迫下，四個品種大豆幼苗根系脯氨酸含量、SOD 活性、CAT 活性和POD 活性等較CK 增加，但不同品種增加幅度不同，增加幅度大小順序為：“遼鮮1號”＞“鶴豐”＞“滬寧”＞“毛豆29-2”。MDA 含量增加幅度大小順序則相反為：“遼鮮1 號”＜“鶴豐”＜“滬寧”＜“毛豆29-2”。20%PEG 脅迫下各品種大豆幼苗的最大根長、根冠比和根系傷流量均較CK 降低，但不同品種降低幅度不同，降低幅度大小順序為：“遼鮮1號”＜“鶴豐”＜“滬寧”＜“毛豆29-2”。說明“遼鮮1 號”這個品種在干旱脅迫條件下能通過積累更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、提高保護酶活性和增強根系活力等來減少傷害。干旱脅迫下“遼鮮1號”幼苗滲透調(diào)節(jié)能力和酶促抗氧化能力較強，這與大豆突變體M18 抗旱生理機制表現(xiàn)一致［12］，說明在干旱地區(qū)可以推薦種植這個大豆品種。下一步研究擬對“遼鮮1號”抗旱相關(guān)的基因進行深入研究，對揭示大豆基因的功能、利用基因工程技術(shù)改良大豆抗旱性等具有重要意義。