低溫脅迫對大豆花期葉片蔗糖代謝及產(chǎn)量的影響

趙晶晶，周 濃，鄭殿峰

（1重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，三峽庫區(qū)道地藥材綠色種植與深加工重慶市工程實驗室，重慶404120；2廣東海洋大學(xué)，廣東湛江524088）

0 引言

在制約植物地理分布和作物生產(chǎn)力的諸多因素中，低溫脅迫是最重要的一項[1]。東北平原是中國最重要的大豆產(chǎn)區(qū)，即使在全球變暖的背景下，低溫脅迫仍是東北平原作物生產(chǎn)的主要非生物脅迫，會影響作物的正常生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[2-3]。因此，研究低溫脅迫對大豆花期葉片蔗糖代謝及產(chǎn)量的影響，對指導(dǎo)東北地區(qū)大豆生產(chǎn)實踐具有重要的意義。

碳代謝是指作物體內(nèi)有機(jī)物質(zhì)合成、轉(zhuǎn)化和降解的代謝過程[4]，該過程能夠為作物新組織提供所需的碳源[5]，其代謝強(qiáng)度在作物生長發(fā)育過程中的動態(tài)變化直接影響著光合產(chǎn)物形成、運輸以及礦質(zhì)營養(yǎng)吸收等[6]。大豆光合產(chǎn)物以淀粉的形式儲存在葉片中，夜間經(jīng)碳代謝作用分解為蔗糖運輸?shù)礁髌鞴僦袨樾陆M織提供所需的碳源，故整個碳水化合物的合成和水解過程都需要多種酶的參與。轉(zhuǎn)化酶和蔗糖合成酶(SS)可以將蔗糖水解為己糖進(jìn)入各種代謝途徑[7]，從而完成物質(zhì)在源-庫器官之間的代謝轉(zhuǎn)運過程。Erdal[8]發(fā)現(xiàn)短暫的鹽脅迫會使玉米葉片內(nèi)淀粉和蔗糖含量迅速下降，葡萄糖和果糖含量升高，葉片內(nèi)合成酶活性降低、分解酶活性升高[9]，致使蔗糖的生物合成過程受阻。前人對于大豆苗期[10]、花期[11]、結(jié)莢期[12]和籽粒充實期[13]的低溫脅迫已取得了一定的研究成果。產(chǎn)量是衡量作物生長狀況的重要指標(biāo)，也是作物對非生物脅迫響應(yīng)的綜合體現(xiàn)，Matsukawa[13]以及Yamamoto和Narikawa[14]認(rèn)為低溫脅迫致使豆類作物減產(chǎn)的原因主要概括為三個方面：（1）豆科作物苗期發(fā)生低溫脅迫會延緩其前期的生長發(fā)育，致使植株長勢弱小，葉片出現(xiàn)萎蔫脫水現(xiàn)象；（2）在豆科作物的花期發(fā)生低溫脅迫會影響葉片光合產(chǎn)物的輸出，使總狀花序的花和莢不能從葉片（源器官）得到充足的光合同化物，致使頂端的花莢發(fā)育不良，甚至大量脫落；（3）籽粒充實期發(fā)生低溫脅迫會造成植株的籽粒充實不良，這就是低溫脅迫造成豆科作物減產(chǎn)的主要原因。莢數(shù)是豆類作物高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，因為單株莢數(shù)直接影響其產(chǎn)量，間接影響單株籽粒數(shù)，但其對環(huán)境脅迫十分敏感，如低溫、干旱、淹水或高溫等非生物脅迫均不同程度地影響其數(shù)量的多少[15]。王萍等[16-17]以3個不同熟期大豆品種為試驗材料，發(fā)現(xiàn)大豆花期遭遇低溫脅迫會使產(chǎn)量降低的主要原因是三粒莢數(shù)和單株莢數(shù)減少，導(dǎo)致單株粒數(shù)下降，并且恒溫低溫處理對大豆單株莢數(shù)和單株粒數(shù)形成的影響遠(yuǎn)大于變溫低溫處理。Funatsuki等[18]發(fā)現(xiàn)花期冷害脅迫可以使耐寒、中度敏感和冷害敏感品種的產(chǎn)量依次減少35.56%、55.00%和67.34%，花期冷害除了導(dǎo)致豆科作物的莢數(shù)減少，還會導(dǎo)致子粒發(fā)育不良，空癟莢數(shù)增加。Bernacchi等[19]和Morgan等[20]認(rèn)為，源和庫共同控制作物的產(chǎn)量形成，源活性的增強(qiáng)需伴隨庫強(qiáng)度潛力的增加，保證光合源（葉片）具有較強(qiáng)的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力是大豆獲得高產(chǎn)的前提，花期是決定大豆產(chǎn)量高低的關(guān)鍵生育期，而關(guān)于低溫脅迫對大豆花期葉片蔗糖代謝及產(chǎn)量的研究較少[11]，故本研究于大豆花期進(jìn)行低溫脅迫，通過測定葉片蔗糖代謝相關(guān)指標(biāo)及產(chǎn)量的變化，填補(bǔ)該方面的空白。光合作用是作物碳代謝的物質(zhì)生產(chǎn)和決定環(huán)節(jié)，低溫脅迫主要通過損傷作物碳代謝進(jìn)程影響作物產(chǎn)量。本試驗采用自然與人工模擬環(huán)境相結(jié)合的手段，從蔗糖含量以及代謝相關(guān)酶活性兩方面揭示了大豆應(yīng)激花期低溫脅迫的代謝機(jī)制，豐富了相關(guān)的理論研究，對指導(dǎo)東北地區(qū)大豆的生產(chǎn)實踐具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)計

本研究以敏感品種（‘合豐50’）和耐冷品種（‘墾豐16’）為研究材料，兩供試品種均為中熟品種、亞有限結(jié)莢習(xí)性、生育期相同。于2017年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院進(jìn)行盆栽試驗，種子播種在桶口直徑28.0 cm、桶底直徑20.0 cm、高23.0 cm的塑料桶內(nèi)，呈五角星型種植，每穴2粒種子，大豆子葉期(VC)定苗5株，以盆為試驗單元，各處理采用完全隨機(jī)試驗設(shè)計。

試驗土壤類型為草甸黑鈣土，土壤基本狀況為：堿解氮含量為166.1 mg/kg，有效磷含量為38.1 mg/kg，速效鉀含量為173.0 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為35.1 g/kg，pH 6.75。然后按N:P:K=1:2.49:1.66比例，一次性施入0.15 kg硫酸銨（含N 21%）、0.13 kg硫酸鉀（含K 50%）和磷酸二銨（含P 46%～48%），充分混勻。

于花期進(jìn)行低溫處理1～4天，低溫條件為晝夜15℃恒溫[5,7]，相對濕度為75±2%，光照條件正常，自然環(huán)境生長為對照(CK)，即‘合豐50’和‘墾豐16’的CK表示為H-CK和K-CK，C表示低溫處理，1～4表示處理天數(shù)，即‘合豐50’的低溫處理表示為H-C1～H-C4、‘墾豐16’的低溫處理表示為K-C1～K-C4。低溫處理第4天后，將低溫處理的植株搬到自然環(huán)境下進(jìn)行恢復(fù)1～4天，連續(xù)進(jìn)行取樣用于生理生化指標(biāo)的測定，處理和對照各設(shè)4次重復(fù)。

1.2 取樣及測定項目

1.2.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定 大豆成熟期（R8期）時，各處理隨機(jī)選取10株植株進(jìn)行株高、底莢高度、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)以及單株粒重（產(chǎn)量）等的測定。

1.2.2 碳代謝相關(guān)指標(biāo)的提取及測定 于供試品種低溫處理后第1天開始第1次取樣，以后連續(xù)取8天。各處理選取大小均勻一致的5株植株帶回室內(nèi)，取大豆的功能葉片（倒三葉）速凍于液氮中，再放入-20℃冰箱中貯存，待樣品全部收集完畢后，使用蒽酮比色法測定淀粉含量[21]；使用間苯二酚法測定蔗糖和果糖含量[21]；使用3,5-二硝基水楊酸法測定葉片內(nèi)酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)、中性轉(zhuǎn)化酶活性(NI)、蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶活性(SPS)[21]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入、整理以及繪圖，用SPSS 19.0做方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可以看出，與對照（H-CK和K-CK）相比，低溫處理均顯著降低了大豆產(chǎn)量，其大小順序依次為CK＞C1＞C2＞C3＞C4，不同品種間呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，其中，‘合豐50’的減產(chǎn)率依次分別為10.29%、21.70%、27.35%和30.88%，‘墾豐16’的減產(chǎn)率依次分別為9.58%、18.08%、22.60%和24.22%，除H-C1處理外，其他處理與對照（H-CK和K-CK）間均達(dá)到顯著差異。此外，‘合豐50’和‘墾豐16’的單數(shù)莢數(shù)和單株粒數(shù)也有不同程度的減少，其中，低溫脅迫4天時，‘合豐50’的單株莢數(shù)和單株粒數(shù)較H-CK分別減少了26.56%和34.45%，‘墾豐16’的單株莢數(shù)和單株粒數(shù)較K-CK分別減少了14.74%和35.40%，方差分析可知，處理與對照（H-CK和K-CK）之間差異均達(dá)到了顯著差異，這說明花期遭遇低溫脅迫不利于大豆單株莢數(shù)和單株粒數(shù)的形成，而大豆單數(shù)莢數(shù)或單株粒數(shù)任何一個因素減少，均會造成大豆單株產(chǎn)量降低。

表1 低溫脅迫對大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

如表2所示，隨著低溫處理時間的延長，植株的株高逐漸降低，而底莢高度逐漸升高，低溫脅迫對大豆基部莖粗沒有顯著影響。各處理株高的大小順序依次為CK＞C1＞C2＞C3＞C4，‘合豐 50’株高的降低率分別為1.81%、2.03%、2.18%和7.05%，‘墾豐16’株高的降低率分別為3.00%、3.68%、7.98%和8.52%，方差分析可知，H-C4與H-CK、K-C3與K-CK、K-C4與K-CK之間差異極顯著。就底莢高度而言，C1處理起負(fù)調(diào)節(jié)作用，C2、C3和C4處理起正調(diào)節(jié)作用，不同品種間呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，底莢高度的增加不利于植株下部產(chǎn)量的形成，進(jìn)而降低了植株的單株籽粒重。

表2 低溫處理對大豆植株形態(tài)指標(biāo)的影響

大豆在花期遭遇低溫脅迫時，不僅單株莢數(shù)和單株粒數(shù)有不同程度地減少，其粒莢數(shù)構(gòu)成也發(fā)生了較大變化（圖1）。‘合豐50’花期遭遇低溫脅迫時，其空癟莢、二粒莢數(shù)、三粒莢數(shù)和四粒莢數(shù)均大幅度下降，而一粒莢數(shù)略有增加；‘墾豐16’花期遭遇低溫脅迫時，其空癟莢、一粒莢數(shù)、二粒莢數(shù)、三粒莢數(shù)和四粒莢數(shù)均不同程度地減少，花期低溫脅迫對冷敏感‘合豐50’莢粒數(shù)的影響較耐冷‘墾豐16’嚴(yán)重，推斷其可能是大豆減產(chǎn)的主要因素之一。

圖1 低溫處理對大豆單株莢粒數(shù)的影響

如圖2所示，低溫處理后，‘合豐50’各處理的第10節(jié)和11節(jié)產(chǎn)量對總產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率高于CK，其增加幅度為1.30%～28.70%；C1和C3的第5節(jié)～8節(jié)、C2和C4的第12節(jié)～14節(jié)產(chǎn)量對總產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率一直低于CK。低溫處理后，‘墾豐16’各處理的第4節(jié)～6節(jié)產(chǎn)量對總產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率高于CK，其增加幅度為16.45%～69.88%；C1的第9節(jié)～12節(jié)、C2的第7節(jié)～14節(jié)、C3的第11節(jié)和第12節(jié)產(chǎn)量對總產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率低于CK。總之，不同的大豆品種，其減產(chǎn)原因不同。

圖2 低溫處理對大豆不同節(jié)位產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的影響

2.2 低溫脅迫對大豆葉片碳水化合物含量的影響

從圖3可以看出，大豆花期進(jìn)行低溫脅迫可以導(dǎo)致葉片中淀粉和蔗糖含量減少，隨著處理時間的延長，其下降幅度逐漸增加；果糖含量隨著處理時間的延長逐漸提高，不同基因型品種間呈現(xiàn)相同的變化趨勢。低溫脅迫1～4天時，與對照相比（H-CK和K-CK），‘合豐50’葉片蔗糖含量分別依次減少了33.23%、41.44%、59.80%和66.74%，‘墾豐16’葉片蔗糖含量分別依次減少了23.27%、42.51%、51.98%和55.34%，可見，冷敏感品種對低溫脅迫響應(yīng)更敏感。

圖3 低溫脅迫大豆葉片碳水化合物含量的影響

隨著低溫脅迫后恢復(fù)時間（5～8天）的延長，葉片中淀粉和蔗糖含量逐漸增加，始終高于對照，果糖含量逐漸減少，始終低于對照，其中，葉片蔗糖含量在恢復(fù)4天后可恢復(fù)到對照水平，而淀粉和果糖含量在短時間內(nèi)難以恢復(fù)到對照（H-CK和K-CK）水平，不同基因型品種間呈現(xiàn)相同的變化趨勢。

2.3 低溫脅迫對大豆葉片蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響

由圖4分析可知，低溫脅迫增加了葉片內(nèi)酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)、中性轉(zhuǎn)化酶(NI)和SS活性，低溫脅迫第4天，與對照相比（H-CK和K-CK），‘合豐50’上述指標(biāo)依次增加了59.92%、17.12%和168.18%，‘墾豐16’上述指標(biāo)依次增加了45.27%、80.62%和150.23%；降低了SPS活性，隨著低溫脅迫時間的延長，SPS活性降低幅度逐漸增加，低溫脅迫對耐冷品種葉片內(nèi)蔗糖代謝相關(guān)酶活性的調(diào)控效應(yīng)影響小于敏感品種。

圖4 低溫脅迫對大豆葉片蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響

低溫脅迫后恢復(fù)期間（5～8天），葉片中AI、NI和SS活性逐漸減少，但始終高于對照，其中，恢復(fù)第4天，與對照相比（H-CK和K-CK），‘合豐50’上述指標(biāo)依次增加了16.03%、17.11%和33.03%，‘墾豐16’上述指標(biāo)依次增加了17.29%、49.64%和21.94%；SPS活性逐漸增加，但始終低于對照，不同基因型品種間呈現(xiàn)相同的變化趨勢。

3 討論

許多學(xué)者已從不同的生理機(jī)制驗證了低溫脅迫導(dǎo)致作物減產(chǎn)的原因，認(rèn)為花期低溫脅迫造成大豆產(chǎn)量損失的原因是低溫脅迫影響了葉片光合產(chǎn)物的輸出，致使大豆的總狀花序的花和莢不能從源器官（葉片）內(nèi)獲得充足的光合同化物，使植株頂端的花莢發(fā)育不良，嚴(yán)重時甚至大量脫落[9]。本研究也得到了相似的結(jié)果，低溫脅迫降低了大豆的株高和產(chǎn)量，提高了其底莢高度，其中，‘合豐50’和‘墾豐16’的減產(chǎn)范圍分別為10.29%～30.88%和9.58%～24.22%，底莢高度的增加不利于植株下部產(chǎn)量的形成，并且受脅迫植株的二粒莢數(shù)、三粒莢數(shù)和四粒莢數(shù)顯著降低，這導(dǎo)致大豆的單株莢數(shù)和單株籽粒數(shù)有不同程度地減少，這與前人的研究結(jié)果相同[16-17]。

碳代謝作為植物體內(nèi)有機(jī)物質(zhì)合成、轉(zhuǎn)化和降解的主要代謝途徑，其代謝強(qiáng)度在作物的正常生長發(fā)育過程中的動態(tài)變化直接影響著植物體內(nèi)光合產(chǎn)物形成、運輸以及礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收等。短暫的干旱脅迫或者遮光可以使植株葉片內(nèi)淀粉和蔗糖含量迅速下降接近為零，果糖含量升高，庫器官內(nèi)蔗糖合成酶活性降低而分解酶活性升高，使植物葉片內(nèi)的蔗糖生物合成過程受阻[22]。Miao 等[23]和 Qi等[1]以番茄為試驗材料，經(jīng)低溫脅迫后，發(fā)現(xiàn)番茄葉片內(nèi)淀粉、蔗糖和果糖含量升高，轉(zhuǎn)化酶和SS活性降低，SPS活性被顯著提高，而脅迫恢復(fù)過程中的葉片內(nèi)淀粉含量和AI活性難以恢復(fù)到對照水平[24]。木薯葉片在低溫脅迫初期，其葉片內(nèi)會積累較多的碳水化合物，但隨著氣溫的逐漸降低，葉片內(nèi)碳水化物的積累量會逐漸減少[24]。SPS作為催化蔗糖合成中的關(guān)鍵酶，在低溫脅迫環(huán)境下，月季成熟葉片內(nèi)SPS和AI活性呈下降的趨勢，Martindale等[25]認(rèn)為作物葉片內(nèi)蔗糖積累的主要原因是蔗糖合成能力增強(qiáng)。本研究結(jié)果表明，大豆花期進(jìn)行低溫脅迫導(dǎo)致葉片中淀粉和蔗糖含量減少，果糖含量增加，提高了AI、NI和SS活性，抑制了SPS活性，其中，‘合豐50’葉片蔗糖下降幅度為33.23%～66.74%，‘墾豐16’葉片蔗糖下降幅度為23.27%～55.34%，低溫脅迫后恢復(fù)期間，上述指標(biāo)呈相反的變化趨勢，不同基因型品種間呈現(xiàn)相同的變化趨勢。低溫脅迫造成大豆葉片內(nèi)蔗糖含量減少的主要原因是蔗糖合成途徑受到抑制，而分解途徑加快，從源庫角度來看，源器官（葉片）內(nèi)蔗糖含量的減少不利于其向外運輸，花作為大豆花期的主要庫器官，無法從源器官得到充足的光合同化物，致使其大量脫落[13]，導(dǎo)致最終產(chǎn)量降低。這與Martindale等[25]的研究結(jié)果不同，這說明植物對低溫脅迫的響應(yīng)受自身遺傳條件、脅迫強(qiáng)度、脅迫時期等因素影響。

4 結(jié)論

大豆花期低溫脅迫后，隨低溫脅迫時間的延長，葉片淀粉和蔗糖含量逐漸減小，果糖含量逐漸增加，葉片內(nèi)AI、NI和SS活性提高，SPS活性被抑制；低溫恢復(fù)期間上述指標(biāo)呈現(xiàn)相反的變化趨勢，這說明大豆花期遭遇低溫脅迫，加快了蔗糖的分解代謝，而抑制了其合成途徑，致使葉片內(nèi)的蔗糖含量急劇減少，并且其危害不能在短時間（自然環(huán)境下恢復(fù)4天）內(nèi)恢復(fù)，致使單株莢數(shù)或單株粒數(shù)均有不同程度的減少，最終降低了大豆的單株產(chǎn)量。