高溫干旱雙重脅迫對大豆光合特性的影響

摘要：在人工氣候箱中，以豫豆１９為材料，通過盆栽試驗，研究高溫條件下不同干旱水平大豆光合特性的變化。結果表明，在高溫干旱脅迫條件下，大豆幼苗的生長受到一定程度的抑制。高溫干旱雙重脅迫使大豆葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和葉綠素含量均呈下降趨勢，而游離脯氨酸（Ｐｒｏ）含量顯著增加，丙二醛（ＭＤＡ）含量先下降后升高，胞間ＣＯ２含量先大幅度降低然后小幅回升。

關鍵詞：大豆；高溫；干旱；光合特性

中圖分類號：Ｓ９４５．７８文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）10－1971-04

大豆作為世界五大作物之一，是人類優質蛋白質和食用油脂的重要來源，而作為我國大豆主要產區之一的黃淮海地區，是我國干旱面積最大的區域。未來氣候條件下，全球總降水量會有所增加，但由于氣溫和土壤溫度的升高，植物蒸騰耗水量和土壤的蒸發量都會增加，將導致土壤有變干的趨勢［１］。聯合國政府間氣候變化專門委員會（ＩＣＰＰ）預測１００年后全球氣溫將升高１．４～５．８ ℃，同時諸如高溫等極端性天氣的發生也將更加頻繁，且持續時間更長［２，３］。因此，大豆受到的高溫脅迫也將會逐漸加劇，而一般情況下，高溫的發生也往往伴隨水資源的匱乏，大豆是需水較多的作物，水分對大豆的產量形成具有重要的作用［４］。黃淮海地區大豆播種期多在６月中下旬的高溫夏季，有研究表明，３８ ℃持續高溫顯著抑制大豆幼苗的生長，即高溫不利于幼苗生長［５］。

前人研究表明，水分虧缺造成大豆葉片氣孔關閉，ＣＯ２擴散阻力增加，葉綠素合成受阻，光合作用急劇下降；核酸合成減弱，分解加強，代謝過程遭到破壞；蛋白質合成減弱，分解作用增強，游離氨基酸（尤其是脯氨酸）增多；由于細胞脫水破壞了細胞膜的結構，引起細胞受害甚至死亡［６］。在生長箱控制溫度條件下的研究發現，在種子開花和結莢期每天溫度從３０ ℃提高到３５ ℃明顯降低每株大豆種子產量，溫度超過４０ ℃時大豆坐莢率將降低［７］。大豆生殖生長過程中，氣溫超過３２ ℃并伴有干旱環境將對開花和受精過程有影響［１］。

大豆苗期經常遭遇高溫伏旱并非單一的高溫或者干旱脅迫，而是高溫與干旱的復合脅迫。已往的相關研究多集中于單因素對比試驗，關于溫度與干旱交互作用對大豆影響的研究目前還很少。選用河南地區大面積種植的豫豆１９為試驗材料，探討高溫干旱雙重脅迫對大豆苗期葉片光合特性和生理指標的影響，了解高溫干旱對大豆傷害的生理生化機制，為防御大豆熱害和高溫傷害提供科學依據；同時也為進一步研究在高溫干旱環境下大豆的抗性機制和主要營養成分的變化規律打下基礎，從而推動大豆優質育種和制定栽培調控措施。

１材料與方法

１．１試驗時間和地點

試驗材料選用河南省大面積種植的大豆品種豫豆１９，購買于河南省農業科學院種子公司，大豆生長的土壤用營養土和農田土按質量比１∶３的比例配成，土壤的最大田間持水量為４２％。將土壤裝入內徑為２２ ｃｍ、高度為２５ ｃｍ的塑料盆中，選取子粒飽滿、大小一致、無病蟲的種子于２０１０年５月２０日進行播種，播種后放于實驗室外的陽臺上，每盆種１０株，每個處理４次重復，在生長過程中保持充足的水分供應。

１．２試驗材料的處理

當大豆生長到一定高度時進行定苗，每盆保留５株生長基本一致的種苗。分別選取發育進程與長勢基本一致的材料，水分梯度及控制于高溫處理前開始，土壤水分含量用稱重法控制，設置３個水分梯度：正常（ＣＫ）、中度干旱（Ｌ）（土壤飽和含水量的４０％～５０％）和重度干旱（Ｍ）（土壤飽和含水量的３０％～４０％）。在大豆長至幼苗期時，將其放置于２個人工氣候箱在（３８±０．５）℃／（２６±０．５）℃（８∶００～１９∶００／１９∶００～８∶００）進行高溫處理，從移入人工氣候箱的第２天開始測試，以后每天測試一次。

１．３指標的測定

葉片脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測定［８］；葉片丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定［９］；葉綠素含量采用浸提法測定［１０］；凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和胞間ＣＯ２含量用ＬＩ－６４００（美國，Ｌｉ－Ｃｏｒ公司）測定，所測指標均選用大豆的第３、４復葉為試驗材料，每日上午９∶００~９∶３０取樣，測定時３次重復，取平均值。

１．４數據整理與統計分析

采用Ｅｘｃｅｌ和ＳＰＳＳ軟件進行統計分析。圖中數據均為３次重復的平均值。

２結果與分析

２．１高溫干旱脅迫對大豆葉片丙二醛（ＭＤＡ）和脯氨酸（Ｐｒｏ）含量的影響

高溫干旱脅迫下丙二醛和脯氨酸的含量變化如圖１、圖２。圖１表明，隨脅迫時間的延長，對照和中度干旱處理的丙二醛含量都呈現先上升后下降再上升的趨勢，重度干旱脅迫下的丙二醛含量則一直處于直線上升的狀態，并且隨著干旱程度的增加和脅迫時間的延長，３種處理丙二醛含量的增加越來越明顯，其中對照和中度干旱脅迫在第４～６天的丙二醛含量急劇增加，重度干旱下的丙二醛含量與對照相比差異非常明顯。圖2表明，隨著脅迫時間的增加，脯氨酸的含量都呈現持續上升的趨勢，對照和中度脅迫下的脯氨酸含量幾乎呈現直線上升的趨勢，重度脅迫下的脯氨酸含量第３～４天急劇增加，隨后增加趨于平緩，３種處理下脯氨酸含量的差異隨時間的變化比較明顯，而且嚴重干旱的脯氨酸含量要比中度干旱更高，差異非常明顯。

２．２高溫干旱脅迫對大豆葉片葉綠素含量和凈光合速率的影響

由圖３、圖４可知，大豆葉片的葉綠素含量變化和凈光合速率變化是相似的，基本上是呈現持續下降的趨勢，且下降幅度明顯。在高溫脅迫條件下，不同的干旱處理隨著時間的推移也有一定的差異，中度和重度干旱脅迫下的葉綠素含量在第３~５天大幅度下降，而對照的葉綠素含量是比較平緩地下降，最終３種不同處理大豆葉片中的葉綠素含量和凈光合速率都大幅度下降，重度干旱降幅最大，其次是中度干旱，最后是對照。說明干旱高溫雙重脅迫加速了葉綠素的分解，對大豆幼苗的光合作用起到了嚴重的抑制作用，對大豆苗期的生長產生嚴重影響。

２．３高溫干旱脅迫對大豆葉片蒸騰速率和氣孔導度的影響

從圖５、圖６可以看出，隨脅迫時間的延長，大豆葉片的蒸騰速率逐漸減小，高溫干旱處理的蒸騰速率和凈光合速率變化趨勢很相似；中度和重度干旱脅迫條件下的蒸騰速率和氣孔導度的下降趨勢比對照要快一些，最終３種不同處理大豆葉片蒸騰速率和氣孔導度都大幅度地下降，嚴重干旱降幅最大，其次是中度干旱，最小是對照。

２．４高溫干旱脅迫大豆葉片胞間ＣＯ２含量的變化

高溫干旱脅迫條件下大豆葉片胞間ＣＯ２含量變化趨勢如圖７。圖７表明，隨著脅迫時間的延長３種處理的變化都呈現先下降后上升的趨勢，不同的干旱處理隨著脅迫時間的延長也有一定的差異，對照胞間ＣＯ２含量在第２~５天的下降較為平緩，而中度和重度干旱條件下胞間ＣＯ２含量在第２~４天的下降幅度很明顯。對照的胞間ＣＯ２含量在處理第５天以后上升，而中度和重度干旱條件下的胞間ＣＯ２含量在處理第４天以后上升。

３討論

干旱和高溫的協同作用對大豆生長發育的影響目前研究很少，大多只做單一逆境處理，研究不同程度的高溫或者干旱對大豆種子萌發以及保護酶活性的影響［５，１１］，實際上二者多是同時存在的。高溫會加劇水分脅迫，水分脅迫也會加劇高溫傷害［１２］；干旱對冷地型草坪草細胞膜的傷害隨溫度的升高而加劇，高溫伴隨干旱對膜的傷害遠遠大于高溫、干旱單因子分別對膜造成的傷害［１３］。

ＭＤＡ是膜質過氧化的主要產物之一，其積累是活性氧毒害作用的表現，它的含量常被作為判斷膜脂過氧化作用的一個主要指標［１４］，它能與蛋白質氨基酸殘基或核酸反應生成Ｓｈｉｆｆ堿，ＭＤＡ的積累可對膜和細胞造成進一步的傷害，進而引起一系列生理生化改變［１５］。試驗結果表明，干旱高溫脅迫下，對照和中度干旱下丙二醛含量先上升后降低再升高，在重度干旱脅迫下丙二醛的含量一直處于上升趨勢，說明在高溫的情況下，大豆幼苗對中度干旱具有一定的耐受性，可能是體內的保護酶可以及時地消除一部分自由基，從而降低大豆幼苗的膜脂過氧化程度，但隨著脅迫時間的延長和干旱程度的加劇，大豆幼苗機體代謝紊亂，丙二醛的含量就顯著增加，膜系統的損傷程度也更加嚴重。滲透調節是植物適應干旱脅迫的一種重要生理保護機制，脯氨酸被認為是理想的滲透調節物質，它與其他有機溶質具有調節細胞滲透勢、維持膨壓、保護和穩定大分子物質的功能，從而使體內各種與膨壓有關的生理過程得以正常進行［１６］。從試驗結果可以看出，脯氨酸積累量與大豆的干旱脅迫程度及高溫干旱脅迫時間有著密切的聯系，干旱程度越嚴重，脅迫時間越長，脯氨酸的積累量就越明顯。

葉綠素是綠色植物吸收光能，將光能轉化為化學能的活性物質，葉綠素的含量將直接影響植物的光合作用，從而進一步影響植物的生長狀況和最終產量。研究表明，葉綠素含量隨干旱脅迫程度的加劇明顯降低，說明大豆葉片的光合潛力受到嚴重抑制，凈光合速率持續下降。蒸騰作用的強弱主要取決于土壤中可利用的水分、必需的能量以及葉片內外存在的水勢梯度，同時也受植物體內部結構和生理狀況的調節［１７］。試驗中，大豆的蒸騰速率隨著高溫干旱脅迫時間的延長，一直處于下降狀態。有研究表明，高溫脅迫下土壤干旱主要通過兩個限制因素抑制香根草葉片光合作用：一是氣孔因素，二是非氣孔因素制——葉綠體活性。前者是指高溫造成的水分脅迫使氣孔導度下降，ＣＯ２進入葉片受阻而使光合能力下降；后者是指光合器官光合活性的下降［１８］。氣孔是控制ＣＯ２進入葉肉細胞和水分蒸騰散失的重要門戶［１９］，氣孔導度反映了氣孔開度的大小，Ｆａｒｑｕｈａr等［２０］認為如果氣孔導度和胞間ＣＯ２含量均降低，則說明凈光合速率的降低主要是由氣孔因素引起；如果氣孔導度下降，而胞間ＣＯ２含量升高，則表明此時葉肉細胞光合能力的下降是凈光合速率下降的主要原因，即所謂的非氣孔限制。由此可以得出結論，對照凈光合速率下降的原因在試驗第５~６天主要是由非氣孔限制因素造成，而中度和重度干旱脅迫下凈光合速率下降的原因在第２~４天主要是由氣孔限制因素造成，第４~６天主要是由非氣孔因素造成。

綜上所述，高溫干旱對大豆苗期的生長造成了嚴重的傷害，研究只對高溫干旱脅迫下大豆苗期的光合特性和部分生理指標的變化做了研究，而對其體內保護酶活性的影響如何還有待進一步研究；另外，試驗的高溫脅迫是在人工氣候箱的條件下進行的，試驗數據不能說明高溫引發其他環境因子變化對大豆生理的綜合影響。由于大豆生長發育的整個階段都處在高溫夏季，因此開展高溫干旱雙重脅迫對大豆光合特性和生理指標影響方面的研究，可以為提高大豆的抗高溫干旱能力和優質高產提供理論依據。

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