外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下大豆抗性的影響

劉云峰宋志啟祁志倫李文金

（1.青島市即墨區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 山東 青島 266200；2.泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 山東 泰安 271000）

大豆是我國(guó)重要的油料作物和糧食作物，需水量較大，但是根系較少，因此常受到干旱脅迫的傷害，干旱脅迫是影響大豆產(chǎn)量的重要環(huán)境因子[1]。研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致大豆葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度[2]、最大光化學(xué)效率的下降[3]，生長(zhǎng)受到顯著抑制[4]。尋找提高植物抗旱性的方法及探究其機(jī)理對(duì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的意義。

水楊酸是一種重要的內(nèi)源信號(hào)分子，不僅可以誘導(dǎo)相關(guān)蛋白表達(dá)提高植物的抗病性，還可以提高植物的抗旱性、抗鹽性、抗冷性[5]。在逆境條件下提高植株的抗氧化酶活性，降低活性氧含量[6]，減輕逆境對(duì)膜脂的傷害，減少電解質(zhì)的外滲，從而提高植物對(duì)逆境的抵抗能力[7]。另外，一定濃度的水楊酸可以提高逆境條件下植物的葉綠素含量、最大光化學(xué)效率、氣孔導(dǎo)度，從而改善植物的光合性能，提高光合速率[8]。

本文作者以大豆為試驗(yàn)材料，采用自然干旱并結(jié)合噴施水楊酸的處理方法，從氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、相關(guān)酶活性等方面，研究水楊酸在干旱脅迫下對(duì)光能分配調(diào)控的生理功能及作用機(jī)制，為水楊酸在植物生產(chǎn)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以魯豆11為試驗(yàn)材料，大豆生長(zhǎng)的土壤用育苗基質(zhì)和沙土按1∶2的比例配成。土壤裝入直徑25 cm、高30 cm的塑料盆中。試驗(yàn)在泰安市岱岳區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局科教站的試驗(yàn)田里進(jìn)行，2020年5月8日將大豆種于盆中，每盆留苗3株，置于防雨棚下，采用常規(guī)管理。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)對(duì)照組（CK）、自然干旱處理、自然干旱結(jié)合葉片噴施水楊酸處理共3個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。對(duì)照組通過(guò)稱(chēng)量法控制土壤相對(duì)含水量在最大含水量的80%左右，每天中午和傍晚進(jìn)行補(bǔ)水，每天試驗(yàn)前通過(guò)稱(chēng)量法測(cè)定2個(gè)處理組的相對(duì)含水量。6月8日開(kāi)始試驗(yàn)處理，干旱水楊酸處理組葉片噴施水楊酸，對(duì)照組和自然干旱處理組葉片噴施清水，試驗(yàn)一共進(jìn)行5 d。取功能葉進(jìn)行氣體交換參數(shù)、熒光參數(shù)和相關(guān)酶活性的測(cè)定。

氣體交換參數(shù)采用便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)Ciras-1進(jìn)行測(cè)定，光強(qiáng)通過(guò)內(nèi)置光源設(shè)定為1 000 μmol/（m2·s），參比二氧化碳濃度設(shè)定為360 μmol/mol，記錄凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）。葉綠素?zé)晒鈪?shù)使用調(diào)制熒光儀FMS-2進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)FMS-2的內(nèi)置程序設(shè)定作用光為1 000 μmol/（m2·s），光照10 min，測(cè)定穩(wěn)態(tài)熒光Fs和光適應(yīng)下最大熒光Fm′。葉片暗適應(yīng)15 min后測(cè)定Fo和Fm，并計(jì)算最大光化學(xué)效率Fv/Fm。通過(guò)測(cè)得數(shù)據(jù)，按如下公示計(jì)算相關(guān)參數(shù)：實(shí)際光化學(xué)效率ФPSⅡ=（Fm′-Fs）/Fm′，最大光化學(xué)效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm，非光化學(xué)淬滅NPQ=Fm/Fm′-1。

對(duì)于氮代謝和米勒反應(yīng)的能量，通過(guò)便攜式光合系統(tǒng)和調(diào)制式熒光儀的聯(lián)用進(jìn)行測(cè)定。按公式Je（PSII）=PFD×ΦPSII×α計(jì)算總能量Je（PSII）；按公式Ja=Je（PSII）-[Je（PCR）+Je（PCO）]計(jì)算額外能量Ja，而Je（PCR）+Je（PCO）=（Pn+Rd）×（4Ci+8Γ）/（Ci-Γ），其中Rd為暗呼吸速率，Γ為CO2補(bǔ)償點(diǎn)。測(cè)定出大氣條件（21% O2，360 μmol/mol CO2）與自 配低氧 氣 體（2%O2，360 μmol/mol CO2）條件下的Ja和Ja′，根據(jù)以下公式計(jì)算用于米勒反應(yīng)的能量：米勒反應(yīng)［Ja（O2-depend）］=Ja-Ja′，而用于氮代謝的能量Ja（O2-independ）=Ja′。

于每天上午的9:00～11:00取樣測(cè)定相關(guān)酶活性等生理指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下土壤相對(duì)含水量的影響

由圖1可知，對(duì)照土壤的相對(duì)含水量變化不大，干旱脅迫顯著降低了土壤的相對(duì)含水量，至處理第5天相對(duì)含水量為44.1%，干旱+水楊酸處理的土壤相對(duì)含水量較干旱處理的略低。

圖1 外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下土壤相對(duì)含水量的影響

2.2 外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下大豆葉片氣體交換參數(shù)及熒光參數(shù)的影響

由圖2可知，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照的凈光合速率變化不明顯，干旱脅迫顯著降低了凈光合速率，至處理第5天已經(jīng)是對(duì)照的8.8%，外施水楊酸大幅提高了干旱脅迫下的凈光合速率，至處理第5天為對(duì)照的46.2%。對(duì)照的氣孔導(dǎo)度有輕微波動(dòng)，干旱脅迫下的氣孔導(dǎo)度一直呈下降趨勢(shì)，而外施水楊酸顯著減緩了干旱脅迫下氣孔導(dǎo)度的下降。對(duì)照的胞間二氧化碳濃度變化不大，干旱脅迫下的胞間二氧化碳濃度在處理第2天達(dá)到最低值，隨后一直呈上升趨勢(shì)，至處理第5天已經(jīng)為對(duì)照的119.1%，外施水楊酸后的氣孔導(dǎo)度與對(duì)照相比有輕微幅度的下降。

圖2 外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下大豆葉片氣體交換參數(shù)的影響

由圖3可知，對(duì)照的最大光化學(xué)效率在試驗(yàn)過(guò)程中有輕微波動(dòng)，干旱脅迫下最大光化學(xué)效率在處理第1天下降幅度較小，而在后期下降幅度較大，外施水楊酸則顯著緩解了干旱脅迫下最大光化學(xué)效率的下降。對(duì)照的實(shí)際光化學(xué)效率變化不大，干旱脅迫顯著降低了實(shí)際光化學(xué)效率，而外施水楊酸顯著緩解了干旱脅迫下實(shí)際光化學(xué)效率的下降，至處理第5天干旱脅迫和干旱脅迫+水楊酸分別為對(duì)照的69.3%和82.3%。對(duì)照的非光化學(xué)淬滅變化不明顯，干旱脅迫大幅度提高了非光化學(xué)淬滅，而外施水楊酸則顯著減弱了干旱逆境對(duì)非光化學(xué)淬滅的提高。

圖3 外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下大豆葉片熒光參數(shù)的影響

2.3 外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下大豆葉片用于米勒反應(yīng)和氮代謝能量的影響

由圖4可知，對(duì)照葉片用于米勒反應(yīng)的能量在試驗(yàn)后期有輕微提高，而在整個(gè)處理過(guò)程中，干旱脅迫下用于米勒反應(yīng)的能量一直呈上升趨勢(shì)，至處理第5天約為對(duì)照的3.6倍，外施水楊酸顯著緩解了干旱脅迫下的這種上升趨勢(shì)，至處理第5天僅為對(duì)照的1.9倍。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照葉片用于氮代謝的能量有幅度不大的波動(dòng)，而干旱處理顯著降低了用于氮代謝的能量，至處理第5天僅為對(duì)照的12.4%，外施水楊酸減緩了這種下降，至處理末期為對(duì)照的60.4%。

圖4 外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下大豆葉片用于米勒反應(yīng)和氮代謝能量的影響

2.4 外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下大豆葉片相關(guān)酶活性及過(guò)氧化氫含量的影響

由圖5可知，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，氮代謝的關(guān)鍵酶硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性變化不大，而干旱脅迫顯著降低了這3種酶的活性，至處理第5天分別為對(duì)照的17.5%、31.7%和49.8%，外施水楊酸緩解了干旱脅迫下這3種酶活性的降低，至處理第5天分別為對(duì)照的51.3%、64.0%和64.3%。對(duì)照的超氧化物歧化酶活性在試驗(yàn)中變化不明顯，干旱脅迫的超氧化物歧化酶活性在處理第2天達(dá)到峰值，以后呈下降趨勢(shì)，至處理第5天已經(jīng)顯著低于對(duì)照，外施水楊酸后，在處理的前2 d略高于干旱脅迫下的酶活性，在處理后期下降幅度顯著小于干旱脅迫下的酶活性，至處理第5天仍然顯著高于對(duì)照。對(duì)照的過(guò)氧化氫酶變化也不明顯，干旱脅迫下的過(guò)氧化氫酶在處理第1天達(dá)到峰值，以后呈下降趨勢(shì)，至處理第5天為對(duì)照的73.1%，外施水楊酸后顯著減緩了處理后期干旱脅迫對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的降低，至處理第5天，干旱+水楊酸處理的過(guò)氧化氫酶活性仍然顯著高于對(duì)照。對(duì)照的過(guò)氧化氫含量在試驗(yàn)過(guò)程中變化不顯著，干旱脅迫顯著增加了大豆葉片中過(guò)氧化氫的含量，而外施水楊酸減緩了這種增加，至處理第5天分別為對(duì)照的2.11倍和1.44倍。

圖5 外施水楊酸對(duì)干旱脅迫下大豆葉片相關(guān)酶活性及過(guò)氧化氫含量的影響

3 結(jié)論

干旱脅迫顯著降低了大豆葉片的碳同化，雖然外施水楊酸后干旱脅迫下的土壤相對(duì)含水量有輕微的下降（可能是外施水楊酸后氣孔導(dǎo)度下降有所緩解所致），但是外施水楊酸減緩了干旱脅迫下碳同化的降低。

外施水楊酸以后，與單純的干旱脅迫相比，用于氮代謝的能量有了大幅度提高。由于水楊酸處理后光合能量較多地用于碳同化和氮同化，使得米勒反應(yīng)大幅度減小，米勒反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧也大幅度下降。水楊酸從活性氧的產(chǎn)生和清除2個(gè)方面來(lái)降低活性氧的含量，減小了活性氧對(duì)植物的傷害。水楊酸對(duì)干旱脅迫下超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶活性的降低有顯著的緩解作用。

因此，水楊酸使更多的光合能量分配到碳氮合成途徑，減小了米勒反應(yīng)和過(guò)氧化氫的產(chǎn)生，提高了大豆對(duì)干旱脅迫的抗性。