不同耐旱型大豆根系生理生化特性對不同降雨氣候條件的響應

閆春娟， 宋書宏， 王文斌， 王昌陵， 張立軍， 曹永強， 孫旭剛， 武麗石， 王雅珍， 陳艷秋， 韓毅強

(1.遼寧省農業科學院作物研究所，遼寧沈陽 110161； 2.黑龍江八一農墾大學，黑龍江大慶 163319)

大豆是一種需水較多的作物，干旱是限制遼寧省西部地區大豆生長的最主要自然災害，在土壤干旱脅迫條件下，作物最先感受脅迫的器官是根系，通過根系生長和代謝的相應調整以適應逆境脅迫，因此根系抗逆機制的研究日益引起重視[1-2]。植株的抗旱性是滲透調節物質的積累、膜脂成分的變化、自由基的清除以及蛋白的誘導形成激素調節等綜合因素作用的結果[3]。滲透調節和細胞膜穩定性在提高根系吸水和保水能力方面起著至關重要的作用，是植物抵御干旱脅迫的2種重要方式。干旱條件下植株體內積累較多的脯氨酸、甜菜堿和可溶性糖等有機調節物質，以降低植株的滲透勢，防止水分流失[4-5]。許多研究表明，生物膜特別是質膜在植物抗性方面起著非常重要的作用[6]，膜脂過氧化是造成膜受損的關鍵因素，主要是由活性氧等自由基物質所引發的，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等是膜脂過氧化酶促防御系統的重要保護酶，能有效清除活性氧，減輕膜脂過氧化作用[7]。目前，關于干旱脅迫對大豆生理生化指標影響的研究較少，且主要集中于植株葉片滲透調節和抗氧化酶活性變化對水分脅迫的響應[8-9]。而有關干旱脅迫環境對大豆根系滲透調節和抗氧化系統的保護作用的研究報道較少。本研究以不同耐旱型大豆為試驗材料，探討不同降雨特征下大豆根系抗氧化酶活性和滲透調節物質對干旱脅迫的響應，以期進一步完善大豆的抗旱機制，為大豆抗旱品種的選育和節水高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種為耐旱型品種遼豆14和干旱敏感型品種遼豆21，二者均為遼寧省農業科學院選育的優良大豆品種。遼豆14，亞有限結莢習性，株高89.3 cm，白花，灰毛。遼豆21，亞有限結莢習性，株高87.6 cm，紫花，灰毛。

1.2 試驗設計

試驗于2015年在遼寧省半干旱地區阜新(42°13′N，121°72′E)和濕潤半濕潤地區沈陽(41°49′ N，123°32′ E)進行，阜新屬北溫帶半干旱大陸性季風氣候，年均降水量 500 mm，年均氣溫7.2 ℃，≥10 ℃活動積溫3 298.3 ℃，無霜期150 d。沈陽處于松遼平原南部的中心地帶，屬溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，年均降水量716.2 mm，年均氣溫 6～8 ℃，≥10 ℃活動積溫3 300～3 400 ℃，無霜期155～180 d。

試驗將耐旱型品種遼豆14和非耐旱型品種遼豆21分別種植在半干旱地區阜新和濕潤半濕潤地區沈陽。試驗共4個處理，分別為：F14：干旱地區阜新+遼豆14；F21：干旱地區阜新+遼豆21；S14：濕潤半濕潤地區沈陽+遼豆14；S21：濕潤半濕潤地區沈陽+遼豆21。小區設8行區，行長7 m，壟距0.6 m，小區面積33.6 m2，每個處理重復3次。密度設 16.67萬株/hm2。

1.3 測定項目與方法

分別在大豆的4節期(V4)、盛花期(R2)、盛莢期(R4)、鼓粒期(R6)取樣，測定植株根部可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量、脯氨酸含量、MDA含量，SOD、POD、CAT活性。可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法，可溶性蛋白質測定采用考馬斯亮藍比色法，脯氨酸含量測定采用茚三酮顯色法，MDA含量測定采用硫代巴比妥酸法，SOD活性測定采用氮藍四唑(NBT)法，POD活性測定采用Sigma法，CAT活性測定參考Beers和Sizer改進法，以1 min內引起D240 nm減少0.1的酶量為1個酶活性單位。

1.4 數據分析

用Excel 2003對數據進行處理和繪圖分析，用統計分析軟件DPS 7.05進行數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同降水特征下不同耐旱性大豆可溶性糖含量的變化

由圖1可以看出，同一處理、不同時期可溶性糖含量表現為R2期和R4期的值高于V4期和R6期。一般而言，半干旱地區阜新各處理的可溶性糖含量高于濕潤半濕潤地區沈陽，但多重比較結果表明，只有R2期處理F21顯著高于處理S14和S21，而其他各時期處理間差異均不顯著。相同降水條件下，遼豆21的可溶性糖含量高于遼豆14，但處理間均未達到顯著差異水平。

2.2 不同降水特征下不同耐旱性大豆可溶性蛋白質含量的變化

由圖2可以看出，同一處理、不同時期可溶性蛋白質含量表現為莢期(R4)和鼓粒期(R6)的值高于4節期(V4)和花期(R2)的值。一般情況下，半干旱地區阜新的可溶性蛋白質含量高于濕潤半濕潤地區沈陽，但只有在R4期半干旱地區阜新的值顯著高于濕潤半濕潤地區沈陽。品種間可溶性蛋白質含量的變化則因取樣時期和取樣地點的不同而表現出不同的特征。

2.3 不同降水特征下不同耐旱性大豆脯氨酸含量的變化

由圖3可以看出，半干旱地區阜新的脯氨酸含量高于濕潤半濕潤地區沈陽，且多數情況下差異達顯著或極顯著水平。相同降水條件下，阜新地區除V4期外不耐旱品種遼豆21的脯氨酸含量高于耐旱品種遼豆14；沈陽地區，在V4期、R2期、遼豆21的脯氨酸含量高于耐旱品種遼豆14，在R4、R6期，則遼豆14的脯氨酸含量高于遼豆21。

2.4 不同降水特征下不同耐旱性大豆丙二醛(MDA)含量的變化

由圖4可以看出，同一處理、不同時期MDA含量表現為V4期值最低。一般情況下，半干旱地區阜新的MDA量高于濕潤半濕潤地區沈陽，V4期以F21的MDA值最高，且顯著高于其他處理；R2、R4期處理間差異均未達到顯著水平；R6期阜新地區2品種的MDA含量顯著高于沈陽地區的值。一般而言，相同降水條件下遼豆21的MDA含量高于遼豆14。

2.5 不同降水特征下不同耐旱性大豆根酶活性的變化

2.5.1 不同降水特征下不同耐旱性大豆SOD活性的變化 由圖5可以看出，一般而言，同一處理不同時期SOD活性表現為V4和R2期值略高。一般而言，半干旱地區阜新的SOD活性值高于濕潤半濕潤地區沈陽，但只有在R6期處理間差異才顯著。品種對SOD活性的影響則因取樣時間和地點的不同而表現出差異。

2.5.2 不同降水特征下不同耐旱性大豆POD活性的變化 由圖6可以看出，一般而言，同一處理不同時期POD活性表現為V4期值最低。一般情況下，半干旱地區阜新的POD活性值高于濕潤半濕潤地區沈陽，且在R4期處理間差異達顯著水平。與其他各項指標不同的是，一般而言，同一地區遼豆14的POD活性高于遼豆21，但處理間未達到顯著差異水平。

2.5.3 不同降水特征下不同耐旱性大豆CAT活性的變化 由圖7可以看出，一般而言，同一處理不同時期CAT活性表現為R4期和R6期的值略高。一般情況下，半干旱地區阜新的CAT活性值高于濕潤半濕潤地區沈陽，且只在R4期同一品種處理間差異達顯著水平。品種對CAT活性的影響則因取樣時期和地點的變化而各異，且處理間差異不顯著。

2.6 遼中濕潤半濕潤氣候(沈陽)和遼西半干旱氣候(阜新)對不同耐旱型大豆產量的影響

由表1可以看出，無論在沈陽還是阜新，遼豆14的產量均高于遼豆21；同一品種，濕潤半濕潤地區沈陽的產量均高于半干旱地區阜新的產量，但耐旱基因型大豆遼豆14產量下降得更少。由表1可以看出，單株莢數的數據與產量數據一致，而每莢粒數與百粒質量的數據與產量數據有一定差異，說明本試驗中大豆產量的差異主要是由單株莢數決定的。比較不同地點對單株莢數的影響發現，濕潤半濕潤地區沈陽的產量顯著高于半干旱地區阜新的產量；而比較品種對其影響發現，遼豆14單株莢數顯著高于遼豆21。方差分析結果表明，基因型顯著影響了每莢粒數，阜新的每莢粒數值高于沈陽，但差異不顯著；遼豆14的每莢粒數顯著高于遼豆21。地點和基因型均顯著影響大豆的百粒質量，半干旱地區阜新的百粒質量顯著高于濕潤半濕潤地區沈陽；而遼豆21的百粒質量顯著高于遼豆14。

表1 不同基因型大豆產量和產量構成要素對遼西半干旱氣候和遼中濕潤半濕潤氣候的響應

注：同列數據后不同小寫、大寫字母分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著。

3 結論與討論

當土壤干旱時，作物根系首先感受到脅迫并迅速發出信號，使整個植株對干旱作出反應，同時作物還以變化的根系形態適應土壤干旱。因此，根系是研究作物抗旱性的一個重要組成部分。水分脅迫首先對植物生理代謝產生影響，使滲透調節物質和保護酶系統作出響應，最終對植物的生長產生的影響通過形態特征表現出來。許多研究都指出干旱條件下植株體內積累較多的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白質等滲透調節物質，從而降低植株的滲透勢，提高植株的抗旱性[10-12]。膜脂過氧化是造成膜受損的關鍵因素，丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的主要產物之一，干旱脅迫提高MDA含量[13]。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等是膜脂過氧化酶促防御系統的重要保護酶，干旱脅迫提高SOD、POD和CAT的活性，減輕膜脂過氧化作用[14]。本研究發現，半干旱地區阜新大豆的可溶性糖、可溶性蛋白質、脯氨酸、MDA含量均高于濕潤半濕潤地區沈陽，即干旱脅迫增加了它們的含量，這與前人研究結果一致，但筆者發現本試驗中多數時期處理間差異并不顯著，這一方面可能與田間試驗中干旱脅迫并不嚴重有關，另一方面田間試驗可控性更差一些、試驗誤差更大，導致處理間差異不顯著。同樣與前人一致的是干旱脅迫提高SOD、POD和CAT的活性，但本試驗結果仍然是多數處理間差異并未達到顯著水平。品種對各項生理指標的影響則因取樣時間和地點的不同而表現出差異，一般情況下，除POD活性外，其他指標均是常規品種遼豆21值略高于耐旱品種遼豆14，但一般情況下，處理間未達到顯著差異水平。然而前人的許多研究中都指出，耐旱品種的滲透調節物質含量、SOD、POD、CAT活性高于常規品種[15-16]。試驗差異產生的原因可能與本試驗為田間試驗，干旱脅迫程度較低且可控性較小有關。

大豆產量是單株莢數、每莢粒數、百粒質量的綜合體現，這些因素在大豆的發育期間先后連續地表現出來，只有這些性狀綜合表現良好，產量才能相應地提高。干旱脅迫會降低大豆的產量[17-18]，但產量的下降程度與品種的抗旱性有關[19]。本試驗中，同一品種均是半干旱地區阜新的產量低于濕潤半濕潤地區沈陽，但非耐旱品種遼豆21產量下降得更多。任一地點遼豆14的產量均高于遼豆21。本研究發現大豆植株單株莢數的變化趨勢與產量變化趨勢更為一致，說明各處理間產量的差異主要是由單株莢數決定的；遼豆14的每莢粒數顯著高于遼豆21；遼豆21的百粒質量顯著高于遼豆14，阜新地區的百粒質量也顯著高于沈陽地區，說明并不是百粒質量越高產量越高。