大豆生長發(fā)育與根瘤形成的關(guān)系

方海燕 寸植賢 陳建斌 何霞紅 湯東生

摘要：為明確根瘤生長發(fā)育與大豆生長發(fā)育的關(guān)系，通過溫室盆栽試驗持續(xù)觀察和研究了不同生長時期大豆根長、根系生物量、株高、植株生物量、根瘤重量和數(shù)量的變化關(guān)系。結(jié)果表明，大豆整個生育期內(nèi)株高、植株干重、根系干重和根瘤鮮重的變化均從緩慢增長、迅速增加、到迅速下降、再到緩慢下降的過程。株高、植株干重、根系干重和根瘤鮮重的最大值分別出現(xiàn)在苗后的66天、72天、66天和60天。根長在出苗后一直處于較快增長期，至出苗后48天到78天均維持在一個不顯著的緩慢增長期。而根瘤數(shù)量在出苗后的20天至30天迅速激增，然后經(jīng)過一個緩慢增殖期，至54天達(dá)到最大值后開始下降。由此得出，大豆根瘤數(shù)量在植株生長早期迅速增長且在最大值附近維持較長時期；而根瘤鮮重生長規(guī)律同植株地下部或地上部干重的增殖規(guī)律相似。

關(guān)鍵詞：大豆；生長；根瘤數(shù)量；根瘤重量

中圖分類號：S184文獻標(biāo)志碼：A論文編號：2013-0779

0引言

豆科作物的根系與土壤中的根瘤菌進行特異性的識別后，經(jīng)過相互作用形成能固氮的根瘤，是豆科作物區(qū)別于其他作物的重要特征[1-2]。豆科作物利用固氮根瘤將空氣中的N2轉(zhuǎn)化為植物可以利用的NH4+-N從而減少對土壤氮肥的需求，其結(jié)瘤固氮機制一直是生物科學(xué)家試圖破解的科學(xué)難題[3-4]。前人已從豆科植物和根瘤菌的相互識別過程[5]、根瘤形成的形態(tài)變化[6]、信號傳導(dǎo)和物質(zhì)合成過程[7-8]等方面進行了大量探索。然而單就豆科作物而言，在整個生育期其根系的數(shù)量、體積、活力及根系分泌能力均要經(jīng)歷由弱至強再到衰退的過程[9-10]。多種內(nèi)外因素相互作用控制著根系的發(fā)育過程，而且植物在不同發(fā)育階段對環(huán)境因子量的多寡的反應(yīng)也不同[11-13]。總之，豆科作物的結(jié)瘤水平是植物與環(huán)境因子不斷相互作用的結(jié)果。因此，從豆科植物與環(huán)境因子相互作用方面研究結(jié)瘤的生態(tài)機制將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有更加現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

馬霞等[14]的研究表明，田間氮肥用量在低用量時促進苜蓿的根瘤數(shù)量和重量的增加。國內(nèi)也有許多文獻報道向土壤中補充磷[15]和鈣[16]、鋅、鉬[17]肥可顯著提高根瘤數(shù)量、重量及現(xiàn)瘤時間，同時也有關(guān)間作[18-19]影響豆科作物結(jié)瘤的報道。國外在肥料[20-21]和農(nóng)藥[22-23]使用上對豆科作物結(jié)瘤也有一些報道。這些報道從各自側(cè)面研究了環(huán)境因素或農(nóng)田管理對豆科作物結(jié)瘤的作用，對深入了解豆科作物結(jié)瘤生態(tài)機制具有重要意義。

豆科植物根系的結(jié)瘤時期占豆科植物生育期一半以上的周期，是個較長的過程。然而從未見從豆科作物整個生育期去系統(tǒng)的剖析結(jié)瘤的發(fā)生發(fā)展過程和植物不同生長階段植物與環(huán)境的互作調(diào)節(jié)結(jié)瘤的報道。過去大多數(shù)學(xué)者對豆科植物的根瘤的研究往往集中在植物生長的某個點，要么僅考查數(shù)量要么僅考查重量，或者簡單的規(guī)定幾個時期進行測定，缺乏根瘤形成、數(shù)量和質(zhì)量的動態(tài)變化過程中根瘤的形成與植物的生長發(fā)育的關(guān)系研究。為明確大豆生長發(fā)育與其結(jié)瘤質(zhì)和量的動態(tài)變化的相互關(guān)系，筆者通過持續(xù)測量大豆不同生長階段根系上根瘤數(shù)量和質(zhì)量的變化，旨為大豆結(jié)瘤和固氮的生態(tài)學(xué)研究提供理論參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試大豆品種為‘滇豆6號購自云南省農(nóng)科院經(jīng)作所。

1.2試驗設(shè)計

試驗于2011年6—9月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗溫室進行。試驗選在寬2 m，長6 m的種植槽內(nèi)進行。種植槽的土壤條件為：有機質(zhì)24.51%，堿解氮138.6 mg/kg，速效磷29.6 mg/kg、速效鉀218.6 mg/kg，pH 6.77。試驗開始前將種植槽平整并充分混合，大豆按株距20 cm行距30 cm進行播種。大豆出苗后每隔6天左右拔出大豆觀察是否有根瘤形成。待大豆根系有明顯的根瘤形成后開始進行測量。觀察測量指標(biāo)包括株高、根長、地上部生物量、地下部生物量、根瘤數(shù)和根瘤鮮重。

1.3測定內(nèi)容及方法

開始測量時隨機選中5株大豆，將大豆周圍10 cm以內(nèi)，地表以下35 cm以內(nèi)的土壤全部取出。將地上部與地下部剪斷，測定株高。將地下部連用土壤放在竹框內(nèi)，用自來水沖洗大豆根系，然后測定根長，并將全部根系裝入紙袋，連同地上部的枝葉放入80℃烘箱烘烤72 h至恒重，測定大豆地上部植株與地下部根系的干重。小心剝掉成熟的根瘤，吸水紙吸干后立即稱重，并統(tǒng)計根瘤數(shù)量。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計

用Microsoft Excel 2007軟件進行繪圖，用SAS 9.2軟件分析數(shù)據(jù)，采用鄧肯氏法進行平均數(shù)顯著性檢驗。

2結(jié)果與分析

2.1莖的生長

大豆株高在整個生育期不同時期生長速度不一樣（圖1）。出苗20天至48天株高增長速度比較緩慢，28天增高9.96 cm。48天到54天，60天至66天增長速度最快，分別增長10.43 cm和13.67 cm。在66天株高達(dá)到最高值后開始緩慢下降，至90天植株基本枯黃落葉。總之，大豆出苗后66天以前是株高增殖期，66天以后，屬于株高退化期。

大豆植株干重同樣從出苗后20天至48天幾乎沒有顯著性增長，根系增長了約1.3 g（圖2）。從48天至54天和60天至72天是植株干重增加最迅速的時期，植株干重分別是6天增加3.4 g和12天增加6.2 g。至72天達(dá)到最高值。而后植株干重進行迅速下降，72天至78天，5天下降6.5 g。而后至90天植株干重進入緩慢的下降期。整體看，大豆在48天以前，大豆生長較為緩慢，48天至78天是變化最迅速的時期。

2.2根的生長

大豆的根長在出苗后42天增長速度一直較快（圖3）。22天根增長了8.16 cm。而后大豆根長進入緩慢增長期，至60天，18天增長了2.15 cm。從60天至78天，大豆根長幾乎沒有顯著下降，18天下降了0.2 cm。從78天到84天，根長迅速下降，6天下降了4.5 cm。同此可以得出，大豆在出苗后的前42天根系增長速度較大，從42天到78天，大豆根系進入緩慢增殖期，78天以后，根長迅速下降。

根系在出苗后的第20天至42天根的生長速度要略高于莖的生長速度，22天重量增加6.33倍，重量由0.03 g上升到0.22 g（圖4）。從48天至54天和60天至66天均為增長較為快速的時期，重量分別增加2.49倍和0.26倍。在第66天時，達(dá)到最高值0.77 g。至72天時又迅速下降了42.8%，至0.44 g。根長的最高值的天數(shù)基本與根系最重最高的天數(shù)相一致。48天至72天時，是其根系生物量波動最大的時期，而此時根長卻是最穩(wěn)定的時期。

2.3根瘤的生長

根瘤數(shù)量的增長與根和莖的生長差異較大。大豆的根在出苗后的20天較低，每株低于3粒（圖5）。而30天時，根瘤數(shù)迅速增長到20粒，增長了約7倍。從30天至54天，根瘤增加不到2粒至22粒。而后根瘤數(shù)量開始下降。到50天時，根瘤數(shù)量回落到5粒以內(nèi)。以上結(jié)果表明，當(dāng)大豆生長到某個特定階段，根瘤會迅速增加到最大值，然后穩(wěn)定一段時間，而后緩慢下降。根瘤數(shù)量維持較高水平的時期有1個月，占整個生育期的1/3。

雖然根瘤的數(shù)量在大豆出苗后30天就達(dá)到接近最高值的水平。但根瘤鮮重在20天時根瘤還沒有完全成熟，可剝離的根瘤數(shù)量不足以稱量。至大豆出苗后36天根瘤鮮重仍然低于0.05 g（圖6）。經(jīng)過42天至48天緩慢的增長后，至54天根瘤鮮重增加至0.31 g，增加的量是42天的1.5倍。至60天達(dá)到最高，從66天至72天迅速下降至0.18 g，比最高值下降50%。至90天進行比較緩慢的下降期。由此表明出苗后的48~60天為根瘤鮮重迅速積累時期，而60天至72天為根瘤迅速下降時期，其他時期根瘤鮮重變化比較緩慢。

3結(jié)論與討論

本研究通過在全生育期觀察大豆生長發(fā)育和根瘤生長發(fā)育的變化規(guī)律，明確了二者消長動態(tài)間的關(guān)系。其中根瘤重量的增長與大豆地下部或地上部生物量的增長規(guī)律相似，從二者的趨勢走向來看具有一定的相關(guān)性。而根瘤數(shù)量在大豆出苗后30天左右迅速接近最大值，并維持較長時間直至開始衰敗。由研究結(jié)果看，根瘤數(shù)量和重量是2個并不相關(guān)的變量，把兩者放在一起比較，看來并不科學(xué)。

從已發(fā)表的文獻來看，前人在研究環(huán)境因素對結(jié)瘤的影響時，往往只檢測特定時間點的根瘤數(shù)量和質(zhì)量[24-25]，很少從多個點持續(xù)觀察根瘤的變化情況。由本研究的結(jié)果可知，大豆根瘤重量在不同生育期差異較大，檢測時間點不同所得出的結(jié)果差異較大。因此，從整個生育期進行多點持續(xù)觀察可能會得到更加科學(xué)的結(jié)論。當(dāng)然，這樣做試驗的工作量要增加很多倍。

本研究的結(jié)果表明，大豆根瘤數(shù)量在大豆生育前期迅速上升接近最大值，而后基本不再增加。由此表明，提高大豆根瘤結(jié)瘤數(shù)量的關(guān)鍵是植株的生長前期而不是生育中后期。如果根瘤的數(shù)量對固氮更為重要的話，探討各種環(huán)境因素對結(jié)瘤影響的研究需安排在大豆生育前期，而對于提高結(jié)瘤的各種農(nóng)藝措施亦及早進行。

筆者從事根瘤的研究多年，在實際工作中常常要進行根瘤數(shù)量的統(tǒng)計和根瘤重量的測定。而各種文獻中對于豆科植物的結(jié)瘤能力均是以根瘤數(shù)量或重量作為統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)，有些文獻還對根瘤活力[26]做過一些測定。但評判2個變量對豆科作物固氮的權(quán)重尚缺乏科學(xué)依據(jù)。希望有更多的學(xué)者能就此問題展開深入地探討。

參考文獻

[1] Hirsch A M. Developmental biology of legume nodulation[J]. New Phytologist,1992(122):211-237.

[2] Peters N K, Frost J W, Long S R. A plant flavone, luteolin, induces expression of Rhizobium meliloti nodulation genes[J]. Science,1986,233(4767):977-980.

[3] Vitousek P M, Cassman K, Cleveland C, et al. Towards an ecological understanding of biological nitrogen fixation[J]. Biogeochemistry,2002,57-58(1):1-45.

[4] Masson-Boivin C, Giraud E, Batut J. Establishing nitrogen-fixing symbiosis with legumes: how many rhizobium recipes?[J]. Trends in Microbiology,2013,17(10):458-466.

[5] Spaink H P. Root nodulation and infection factors produced by rhizobial bacteria[J]. Annual Review of Microbiology,2000(54):257-288.

[6] Kassaw T, Frugoli J. Journey to nodule formation: From molecular dialogue to nitrogen fixation[J]. Symbiotic Endophytes,2013(37):3-25.

[7] Stacey G, Libault M, Brechenmacher L, et al. Genetics and functional genomics of legume nodulation[J]. Current Opinion in Plant Biology,2006,9(2):110-121.

[8] Subramanian S, Stacey G, Yu O. Distinct, crucial roles of flavonoids during legume nodulation[J]. Trends in Plant Science,2007,12(7):282-285.

[9] Heidstra R, Laskowski M, Lepetit M, et al. Analyzing lateral root development: How to move forward[J]. The Plant Cell,2012,24(1):15-20.

[10] Dubrovsky J G, Forde B G. Quantitative analysis of lateral root development: Pitfalls and how to avoid them[J]. The Plant Cell,2012,24(1):4-14.

[11] Yamada M, Sawa S. The roles of peptide hormones during plant root development[J]. Current opinion in Plant Biology,2013,16(1):56-61.

[12] Abel S. Phosphate sensing in root development[J]. Current Opinion in Plant Biology,2011,14(3):303-309.

[13] Petricka J J, Winter C M, Benfey P N. Control of Arabidopsis root development[J]. Annual Review of Plant Biology,2012(63):563-590.

[14] 馬霞,王麗麗,李衛(wèi)軍,等.不同施氮水平下接種根瘤菌對苜蓿固氮效能及種子生產(chǎn)的影響[J].草業(yè)學(xué)報,2013,22(1):95-102.

[15] 齊敏興,劉曉靜,張曉磊,等.不同磷水平對紫花苜蓿光合作用和根瘤固氮特性的影響[J].草地學(xué)報,2013,22(3):512-516.

[16] 王曉鋒,羅珍,劉曉燕,等.鈣磷對紫花苜蓿根瘤菌體系酸鋁脅迫的修復(fù)效應(yīng)[J].西南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,35(5):137-144.

[17] 黃慶海,徐小林,徐昌旭,等.丘陵旱地紅壤上施用硼、鋅和鉬肥對紫云英種子產(chǎn)量的影響[J].中國土壤與肥料,2013,24(2):75-79.

[18] 胡舉偉,朱文旭,張會慧,等.桑樹/大豆間作對植物生長及根際土壤微生物數(shù)量和酶活性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2013,24(5):1423-1427.

[19] 秀洪學(xué),董玉梅,毛忠順,等.種間互作的生態(tài)效應(yīng)I：間作對蠶豆結(jié)瘤的影響[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報,2012,43(6):749-752.

[20] Mali M A, Naresh C. Silicon effects on nodule growth, dry-matter production, and mineral nutrition of cowpea (Vigna unguiculata)[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science,2008,171(16):835-840.

[21] Tang C, Hinsinger P, Drevon J J, et al. Phosphorus deficiency impairs early nodule functioning and enhances proton release in roots of Medicago truncatula L.[J]. Annals of Botany,2001,88(1):131-138.

[22] Cardina J, Hartwing N L. Atrazine, bifenox, and shade effects on crownvetch (Coronilla varia) nodulation and nodule activity[J]. Weed Science,1988,36(4):535-539.

[23] Reddy K N, Zablotowicz R M. Glyphosate-resistant soybean response to various salts of glyphosate and glyphosate accumulation in soybean nodules[J]. Weed Science,2003,51(4):496-502.

[24] Baier M C, Barsch A, Kcoster H, et al. Antisense repression of the Medicago truncatula nodule-enhanced sucrose synthase leads to a handicapped nitrogen fixation mirrored by specific alterations in the symbiotic transcriptome and metabolome[J]. Plant Physiology,2007,145(4):1600-1618.

[25] Geetha R, Desai A J, Archana G. Effect of the expression of Escherichia coli fhuA gene in Rhizobium sp. IC3123 and ST1 in planta: Its role in increased nodule occupancy and function in pigeon pea[J]. Applied Soil Ecology,2009,43(2-3):185-190.

[26] Manavalan L P, Guttikonda S K, Tran L P, et al. Physiological and molecular approaches to improve drought resistance in soybean[J]. Plant Cell Physiology,2009,50(7):1260-1276.