外源褪黑素對干旱脅迫下春大豆品種綏農26形態、光合生理及產量的影響

張明聰 何松榆 秦 彬 王孟雪 金喜軍 任春元 吳耀坤 張玉先,*

外源褪黑素對干旱脅迫下春大豆品種綏農26形態、光合生理及產量的影響

張明聰1,**何松榆1,**秦 彬1王孟雪1金喜軍1任春元1吳耀坤2張玉先1,*

1黑龍江八一農墾大學農學院, 黑龍江大慶 163319;2黑龍江省農業科學院大慶分院, 黑龍江大慶 163316

苗期干旱是影響東北大豆生長的主要因素之一, 研究外源褪黑素對大豆苗期抗旱的調控效應具有重要意義。試驗于2018—2019年進行, 以‘綏農26’為材料, 正常澆灌營養液處理為對照(CK), 研究了干旱脅迫(D)、干旱脅迫+葉面噴施褪黑素(LM)和干旱脅迫+澆灌褪黑素(RM)處理對大豆苗期生理指標和產量的影響。結果表明, 與干旱脅迫(D)處理相比, 施用褪黑素處理(LM和RM)提高干旱脅迫下大豆氣體交換參數、苗期各器官干物質積累量、葉片中抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量。其中, V2期和V4期的凈光合速率、氣孔導度以及V4期蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度均顯著提高(<0.05); RM處理POD和CAT均顯著增加(<0.05); V2期和V4期干旱后第8天可溶性蛋白含量增幅顯著(<0.05)。與D處理相比, V2和V4期LM處理大豆產量年均增加24.2% (<0.05)和19.1%, RM處理年均增加38.6% (<0.05)和56.3% (<0.05), 其中, 與LM處理相比, RM處理產量年均增加11.6%和31.3% (<0.05)。表明, 應用褪黑素提高干旱脅迫下大豆產量, 其中澆灌褪黑素處理產量高于葉面噴施處理。

干旱脅迫; 褪黑素; 大豆; 生長發育; 產量

大豆苗期生長發育狀況對大豆產量的豐欠起決定作用[1]。苗期短期干旱條件下, 大豆自身會應對干旱形成防御機制[2], 產生酶促和非酶促組成的抗氧化防御系統(抗氧化酶和抗氧化劑等)和滲透保護物質(可溶性糖和可溶性蛋白等)等緩解干旱引起的氧化損傷[3-4]; 而隨著干旱時間延長, 細胞會積累大量的活性氧自由基(H2O2和O2–), 打破活性氧的代謝平衡系統, 加劇膜脂過氧化作用, 造成細胞內蛋白質和酶等生物大分子失活, 導致細胞膜的結構與功能損傷, 光合能力下降, 碳水化合物合成受阻, 影響作物苗期形態建成[5-7]。因此, 如何在干旱脅迫條件下維持較強的自由基清除能力、光合和同化物質供應能力對于提高大豆苗期抗旱性和穩定性具有重要意義。

褪黑素(melatonin, MT)是內源性的自由基清除劑和抗氧化劑[8], 能夠有效清除過量的活性氧物質(reactive oxygen species, ROS)、刺激抗氧化酶活性進行抗氧化調節、增強抗氧化劑的抗氧化能力[9-10]、提高線粒體內部氧化磷酸化進行抗氧化調節, 防止細胞過度氧化, 有效緩解作物逆境脅迫的非生物脅迫損傷[11]。逆境脅迫條件下, 外源褪黑素具有抗氧化作用, 已在大豆[12]、玉米[13]、黃瓜[14]、蘋果[15]、小麥[5]等作物中有相關報道。大量研究表明, 外源褪黑素主要通過提高植株抗氧化系統, 提高光系統的電子傳遞速率, 加強光能向光化學反應方向的分配[16], 緩解逆境脅迫對光合系統的損傷, 清除過量的自由基, 提高滲透調節物質含量[17], 降低丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量來保持細胞膜的完整性[10], 緩解干旱脅迫對大豆苗期生長發育的損傷。前人關于褪黑素在大豆應對非生物脅迫的研究已有較多報道, 但研究主要集中在葉面噴施處理[3,12,17-18], 而針對干旱脅迫下褪黑素不同施用方式對大豆苗期生理指標影響的相關研究報道較少。因此, 本試驗通過研究在苗期干旱脅迫條件下外源褪黑素對大豆幼苗生長、物質積累、光合特性、抗氧化系統和產量等指標的影響, 探討外源褪黑素對大豆抗旱性的生理機制, 以期為褪黑素應用于緩解大豆苗期干旱提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以大豆品種‘綏農26’為材料, 生育期120 d左右, 需≥10℃活動積溫2400℃左右, 無限結莢習性, 由黑龍江省農業科學院提供。褪黑素(C13H16N2O2)購自美國Sigma公司, 相對分子質量為232.28, 分子式C13H16N2O2, 純度為>99%。試驗用于模擬干旱脅迫的聚乙二醇(PEG-6000)購于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 試驗設計

試驗于2018年5月至2019年10月在黑龍江省大慶市高新區國家雜糧工程技術研究中心實驗基地防雨大棚內進行。采用盆栽試驗, 盆高36 cm、直徑29 cm, 盆底鉆5個直徑0.5 cm小孔并墊上紗網, 以1∶1比例的蛭石和珍珠巖混拌作栽培基質, 2年均于5月18日播種, 播種前選取飽滿、均勻一致的種子, 用5%次氯酸鈉消毒, 每盆播9粒種子, 真葉期間苗, 每盆保留均勻一致的幼苗3株, 待籽粒成熟后收獲。

大豆V2和V4期進行干旱脅迫處理, 分別設置4個處理。(1)正常澆灌營養液處理(CK): 全生育期每2 d澆1 L Hoagland營養液培養(盆底部有水滲出); (2) 干旱脅迫處理(D): 在CK基礎上 + 15% PEG-6000 (w/v) (營養液滲透勢為-0.37 MPa); (3) 干旱脅迫處理+葉噴褪黑素處理(LM): 在D基礎上+葉面噴施100 μmol L-1褪黑素(噴施以霧狀水汽在葉片表面形成水滴自然落下為止); (4) 干旱脅迫處理+澆灌褪黑素處理(RM): 在D基礎上配置含100 μmol L-1褪黑素培養液進行澆灌。每個處理3次重復, 每個重復10盆。

其中, 干旱脅迫處理分別于大豆V2和V4期的第0、3、6天晚上9:00澆灌15% PEG-6000的CK營養液。于最后一次處理結束后第4、8天上午9:00進行取樣和相關生理指標的測定, 取樣后一部分直接用于形態指標的測定, 另一部分分別置于105℃烘箱和-80℃低溫冰箱, 用于測定干物質積累量和相關酶活性。取樣后剩余重復當天傍晚用流動清水沖洗殘留的PEG直至與CK保持一致, 后期正常澆Hoagland營養液以保證其正常生長發育, 待成熟后收獲測產。

1.3 測定項目和方法

參照Zhang等[19]的方法, 用直尺和LF3100C葉面積儀分別測定株高和葉面積; 參照秦斌等[20]的方法測定根系形態指標; LI-6400光合儀(Li-Cor, Hunting)測定葉片氣體交換參數[凈光合速率(n)、蒸騰速率(r)、氣孔導度(s)和胞間CO2濃度(i)]; 參照施海濤[21]的方法, 利用烘干稱重法測定干物質積累量, 利用氮藍四唑(nitro-blue tetrazolium, NBT)法測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性, 利用愈創木酚法測定過氧化物酶(peroxidase, POD)活性, 利用比色法測定過氧化氫酶(catalase, CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)活性, 利用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量, 利用考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白含量(soluble protein); 參照Chaitanya等[22]的方法測定O2–含量; 參照Mukherjee[23]的方法測定H2O2含量。

1.4 測定項目和方法

用Microsoft Excel 2019處理數據, SPSS 25.0軟件做單因素方差分析(ANOVA), 通過LSD檢驗(<0.05)分析處理間的差異顯著性, 用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 大豆苗期形態指標變化

相同生育期, 在干旱脅迫條件下株高和葉面積均呈顯著降低趨勢(表1)。與干旱脅迫(D)處理相比, 褪黑素處理(LM和RM)株高和葉面積均有所增加, 其中, 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第4天的株高分別增加7.80%和9.41% (<0.05)、第8天分別增加5.92%和7.81% (<0.05); 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱后第4天的葉面積增幅分別為22.2%～24.7% (<0.05)和28.1%～30.0% (<0.05)、第8天的葉面積增幅分別為17.7%～19.8%和25.0%～31.2%; 2019年, LM和RM處理V4期干旱后第4天的葉面積分別增加26.8%和28.7% (<0.05)。

表1 外源褪黑素對干旱脅迫下大豆株高和葉面積的影響

CK: 正常澆灌營養液處理; D: 干旱脅迫處理+15% PEG-6000 (w/v); LM: 干旱脅迫處理+葉噴100 μmol L-1褪黑素處理; RM: 干旱脅迫處理+澆灌100 μmol L-1褪黑素處理。V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。同列數值后不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。

CK: the well-watered treatment; D: the drought stress treatment + 15% PEG-6000 (w/v); LM: the drought stress treatment + 100 μmol L-1melatonin by leaf; RM: the drought stress treatment + 100 μmol L-1melatonin by root irrigation. V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. Value followed by different lowercase letters in same column indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level.

與CK相比, D處理根系形態指標均顯著降低, 而外源添加褪黑素處理(LM和RM)減緩了根系形態指標的下降趨勢(表2)。與D處理相比, 褪黑素處理根長、根體積和根表面積均有所增加, 其中, 2018年, RM處理V2期干旱后第8天的根長增加4.26% (<0.05), V4期干旱后第4、8天的根體積分別增加5.46%和7.45% (<0.05); 2018—2019年, RM處理V2期干旱后第4天的根表面積分別增加13.0%和20.9% (<0.05), V4期干旱后第4天的根表面積分別增加8.86%和7.95% (<0.05)。

2.2 大豆苗期干物質積累的變化

2年試驗結果表明, 干旱脅迫降低了大豆苗期各器官干物質積累量(表3); 與D處理相比, 干旱脅迫條件下褪黑素處理各器官干重均有增加, 其中, 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱后第4天葉干重增幅分別為22.2%～29.8% (<0.05)和27.2%～53.2% (<0.05)、根干重增幅分別為5.6%～26.6%和8.0%～35.9%、總干重增幅分別為9.47%～30.20%和13.0%～50.3% (<0.05), 第8天根干重增幅分別為10.5%～21.4% (<0.05)和11.2%～ 23.3% (<0.05)、總干重增幅分別為13.4%～16.6% (<0.05)和15.3%～20.1% (<0.05); RM處理V4期干旱后第4天葉干重和總干重增幅分別為7.54%～ 38.1% (<0.05)和35.4%～29.4%、第8天根干重增幅為33.1%～31.9% (<0.05)。

表2 外源褪黑素對干旱脅迫下大豆根系形態指標的影響

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。同列數值后不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. Values followed by different lowercase letters in same column indicate significant differences among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.3 大豆苗期氣體交換參數的變化

V2期(圖1)和V4期(圖2)干旱脅迫條件下大豆葉片的氣體交換參數均呈降低趨勢。與D處理相比, 外源褪黑素處理氣體交換參數均有所提高(圖1), 其中, V2期, 褪黑素(LM和RM)處理葉片的凈光合速率(n)分別提高78.5%和79.4% (<0.05)、氣孔導度(s)分別提高44.3%和45.1% (<0.05); 蒸騰速率(r)和胞間二氧化碳濃度(i)分別提高20.3%和28.9%、9.49%和10.9%, 差異不顯著。

表3 外源褪黑素對干旱脅迫下大豆苗期干物質積累的影響

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。同列數值后不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. Values followed by different lowercase letters in same column indicate significant differences among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V4期, 與D處理相比, 褪黑素處理葉片的n、r、s和i均有所提高(圖2), 其中, LM和RM處理n、r、s和i分別提高26.9%和18.7%、8.71%和15.7%、31.1%和57.4%、8.47%和5.36%, 均達到5%的顯著水平。表明LM處理對n和i的緩解效果較好, 而RM處理對r和s的緩解效果較明顯。

2.4 大豆苗期葉片抗氧化酶活性的變化

2年試驗結果表明, 干旱脅迫條件下葉片的SOD活性增加(圖3)。與D處理相比, 褪黑素處理SOD活性均有所增加, 其中, 2019年, LM處理V2期干旱后第8天增加29.5% (<0.05), V4期干旱后第4天增加27.3% (<0.05); RM處理V2期干旱后第4、8天分別增加9.28%和43.0% (<0.05), V4期干旱后第4天增加36.1% (<0.05)。

與CK相比, 干旱脅迫條件下大豆葉片的POD活性均顯著增加(圖4)。2年試驗結果表明, 與D處理相比, 褪黑素處理葉片POD活性均有所增加, 其中, 2018年LM和RM處理在V2期干旱后第4天分別增加8.73%和30.3% (<0.05)、第8天分別增加9.86%和8.86% (<0.05), V4期干旱后第4天分別增加23.9%和22.0% (<0.05)、第8天分別增加11.9%和11.1% (<0.05); 2019年與2018年趨勢基本相同。

與CK相比, 干旱脅迫條件下大豆體內CAT活性增加(圖5)。與D處理相比, 大豆葉片的CAT活性均有所增加, 其中, 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別增加18.1%和10.5% (<0.05)、第8天分別增加12.1%和16.2% (<0.05), V4期干旱第8天分別增加23.1%和19.3% (<0.05)。

隨干旱時間的延長, 大豆葉片的APX活性有增加的趨勢(圖6)。2年試驗結果表明, 與D處理相比, 褪黑素處理葉片的APX活性均有所增加, 其中, 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別增加6.89%和20.7% (<0.05)、第8天分別增加11.8%和14.8% (<0.05), V4期干旱后第4天分別增加10.5%和24.2% (<0.05); 2019年, RM處理V2期干旱后第4天顯著高于D處理, 其他干旱時間APX活性均有所增加, 但未達差異顯著水平。

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.5 大豆苗期葉片超氧陰離子和過氧化氫含量的變化

與CK相比, D處理顯著提高了葉片中ROS(H2O2和O2?)含量(圖7和圖8)。由圖7可知, 2年試驗結果表明, 與D處理相比, 褪黑素處理大豆葉片O2?含量均呈下降趨勢, 其中, 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別降低14.3%～16.5% (<0.05)和17.9%～26.4% (<0.05)、第8天分別降低20.3%～33.4% (<0.05)和21.4%～32.9% (<0.05); RM處理V4期干旱后第4天分別降低20.8%～51.2% (<0.05)、第8天分別降低19.2%～ 21.4% (<0.05)。表明, 褪黑素在V2期干旱后第8天對大豆葉片的O2?的清除效果較好, V4期干旱后第4天的清除效果較好, 其中, 2019年V2和V4期第8天均以澆灌(RM)處理的作用效果最顯著。

干旱脅迫條件下, 大豆葉片過氧化氫與超氧陰離子含量變化趨勢基本相同, 呈增加趨勢(圖8); 與D處理相比, 干旱脅迫條件下褪黑素處理大豆葉片的H2O2含量呈下降趨勢, 其中, 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別降低17.9%～38.2%和19.2%～58.4%, 第8天分別降低35.6%～37.5% (<0.05)和31.9%～44.1% (<0.05); V4期干旱后第4天分別降低20.3%～27.9%和32.9%～34.7% (<0.05)、第8天分別降低23.2%～35.5%和30.5%～32.6% (<0.05)。表明干旱脅迫下褪黑素可以降低葉片中ROS (H2O2和O2–)含量, 緩解葉片中ROS對植物細胞的損傷, 維持植株葉片組織活性氧的平衡。

2.6 大豆葉片丙二醛含量的變化

與D處理相比, 外源褪黑素處理大豆葉片的MDA含量均呈下降趨勢(圖9), 其中, 2018—2019年, LM和RM處理V4期干旱后第8天分別降低20.6%～27.6% (<0.05)和28.0%～29.2% (<0.05); 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別降低8.79%和11.90%、第8天分別降低7.86%和10.10% (<0.05), V4期干旱后第4天分別降低19.2%和21.7% (<0.05)。

2.7 大豆葉片可溶性蛋白含量的變化

2年試驗結果表明(圖10), 與D處理相比, 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第8天可溶性蛋白含量分別增加20.5%和25.3%、V4期干旱后第8天分別增加17.6%和16.7% (<0.05); 2019年, 褪黑素處理(LM和RM) V2期干旱后第8天分別增加7.48%和5.32%, V4期干旱第8天分別增加2.19%和1.88%, 差異不顯著。

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。柱上標以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.8 大豆產量及其構成因素的變化

與D處理相比, 褪黑素處理單株節數、莢數、粒數和百粒重均有所增加(表4), 其中, 2018年, RM處理V4期干旱大豆的節數、單株莢數、單株粒數分別增加7.24%、59.1%和61.7% (<0.05); 2019年, RM處理V2期大豆的單株莢數、粒數分別增加35.9%和31.1% (<0.05)、V4期分別增加33.6%和31.6% (<0.05); 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱單株產量增幅分別為20.7%～27.8%和32.0%～45.5% (<0.05), V4期增幅分別為3.89%～33.80%和35.9%～76.2% (<0.05)。表明, 干旱脅迫降低了大豆植株節數、單株莢數、單株粒數。

3 討論

苗期干旱影響大豆生長發育[24-25]。隨著干旱脅迫時間的延長, 大豆生長受到抑制。褪黑素作為一種廣譜生理調節劑, 在干旱脅迫下, 能有效緩解植物損傷[26], 延遲蘋果葉片的衰老[27], 增強大豆鼓粒期的耐旱性, 促進植物生長[28]。本研究中, 葉面噴施和澆灌褪黑素均不同程度緩解了干旱脅迫對大豆苗期生長發育狀況的影響, 使株高、葉面積和生物量下降幅度減緩, 促進根系生長, 增加根體積及根表面積, 有利于水分的吸收。推測其原因可能是褪黑素具有和生長素相同的前體物質及相似的生理功能, 會誘導生長素的合成來促進植物體內生理代謝活性[28], 促進根系對水分和養分的吸收利用, 抵御干旱脅迫對植株造成的損傷, 進而增加其抗旱能力。光合作用是植物生長發育和產量形成的重要代謝過程, 是植物生長發育的物質和能量的主要來源[29]。干旱通過關閉氣孔減少水分蒸騰, 阻滯胞外CO2進入, 降低葉片對光能的吸收和轉化效率[30], 過剩的光能超出光合器官的利用范圍, 會使光合器官受到損傷, 最終導致植物生長受到限制[31]。本試驗結果表明, 干旱脅迫條件下, 通過降低葉片的氣孔導度(s)以降低葉片的蒸騰速率(r)和胞間二氧化碳濃度(i), 氣孔開合度降低導致光合作用的原料CO2不足而降低凈光速率(n)。而應用褪黑素提高了干旱脅迫下大豆葉片光合作用, 減緩光合氣體交換參數和葉面積的降低。一方面, 干旱脅迫下, 應用褪黑素可以顯著提高葉片s和i, 顯著降低CO2從細胞間隙向葉綠體傳遞阻力, 提高碳同化過程CO2的吸收速率[32], 緩解因干旱引起氣孔關閉導致的光合原料不足的問題, 表明應用外源褪黑素可修復因干旱脅迫導致的光合系統損傷, 提高葉片的n, 增強大豆對干旱的耐受性; 另一方面, 干旱條件下, 外源褪黑素提高了葉片對光能的吸收和轉化效率, 降低了過多的光能對光合器官的損傷程度[33], 提高了各器官干物質積累量及向籽粒中的分配, 最終促進大豆生長發育和產量提高。

表4 外源褪黑素對干旱脅迫下大豆產量及其構成因素的影響

V2: 第二節齡期; V4: 第四節齡期。同列數值后不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. Value with different lowercase letters in same column indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

干旱脅迫引起植物對光能捕獲與利用的失調, 在PSI中NADPH氧化酶與O2反應產生過量O2–, 在PSII中形成H2O2[34], 導致大量積累的光量子與氧分子結合, 加劇了ROS和膜脂過氧化產物丙二醛(MDA)產生[35], 被認為是植物損傷過程中膜脂過氧化程度的標志。隨著干旱時間的延長ROS和MDA呈增加的趨勢[36], 本研究中, V2和V4期干旱后的第4天至第8天O2–、H2O2和MDA含量增加, 說明干旱脅迫下膜脂過氧化程度加劇, 細胞生物膜受損, 而褪黑素處理降低了干旱脅迫下ROS (H2O2、O2–)和MDA的過量積累, 說明褪黑素處理維持細胞滲透平衡, 通過與自由基的級聯互作[37], 減輕干旱脅迫下膜質過氧化物對細胞膜的傷害, 主要原因與褪黑素可以提高作物抗氧化系統, 抑制膜質過氧化的反應有關[38], 利于保護膜的完整性, 緩解植株損傷程度, 增強大豆苗期的抗旱性, 這與劉仕翔等[39]在水稻上的研究結果較為相似。另有研究表明, 在干旱脅迫下, 黃瓜[40]和大豆[12,17-18]幼苗應用褪黑素可提高葉片的抗氧化酶活性、抗氧化劑和滲透調節物質含量。本試驗中同樣發現干旱條件下應用褪黑素后, 可誘導提高抗氧化酶活性和非酶類抗氧化劑含量, 從而減少活性氧的積累, 緩解植株損傷程度。逆境脅迫時植株體內抗氧化防御系統隨之啟動, SOD可將過量的O2–歧化反應生成為H2O2和O2, POD參與H2O2的清除, CAT通過酶的血紅素鐵與H2O2反應生成鐵過氧化物活性體, 降低植株體內的ROS[41]。本試驗中, 褪黑素處理對抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性顯著提高, 說明褪黑素可能會通過激發自身抗氧化系統相關的調控基因, 清除由干旱脅迫積累過多的H2O2和O2–, 提高可溶性蛋白等滲透調節物質含量, 平衡細胞內外滲透電位, 緩解細胞生物膜的損傷, 降低MDA含量, 其中澆灌褪黑素處理略好于葉面噴施處理。

大量研究已證實, 采用不同的施用方式應用外源激素如浸種[42]、葉面噴施[43]和澆灌[44]均可以不同程度的緩解或減輕逆境對作物造成的損傷, 具有用量小、見效快、效果顯著等特點。本研究表明, 將100 μmol L-1褪黑素采用澆灌方式能較好的緩解干旱脅迫對大豆幼苗造成的損傷, 減緩對百粒重的抑制效果, 降低大豆落花落莢率, 增加莢果數量, 或許與葉片光合作用的同化產物運輸有關, 可能會加速向籽粒運轉, 促進籽粒發育進而提高大豆產量。基于本試驗2年的生理研究結果表明, 利用褪黑素緩解干旱抑制的效果來提高作物抗逆性是一種重要的農業調節措施, 而褪黑素處理的作用機理和模式仍需要進行廣泛而深入的研究。

4 結論

大豆苗期干旱脅迫下, 應用褪黑素可以提高葉片抗氧化酶活性和滲透調節物質的含量, 清除了過量的活性氧, 降低了MDA含量, 增加葉面積, 改善光合特性, 加速光合產物向各器官積累, 通過提高大豆單株莢數和單株粒數, 進而提高大豆產量, 緩解大豆苗期的干旱脅迫。其中, 澆灌褪黑素(RM)處理產量高于葉面噴施褪黑素(LM)處理。

[1] 李秀芬, 馬樹慶, 李云峰, 于海, 徐麗萍, 陳鳳濤, 張洪偉, 翟墨. 水分脅迫對春大豆出苗和幼苗長勢的影響. 生態學雜志, 2020, 39: 2602–2609.

Li X F, Ma S Q, Li Y F, Yu H, Xu L P, Chen F T, Zhang H W, Zhai M. Effects of soil water stress on emergence and seeding growth of spring soybean., 2020, 39: 2602–2609 (in Chinese with English abstract).

[2] 李琬. 干旱對大豆根系生育的影響及灌溉緩解效應研究進展. 草業學報, 2019, 28(4): 192–202.

Li W. Research progress in understanding the effect of drought on growth of the soybean root system and the efficiency of irrigation., 2019, 28(4): 192–202 (in Chinese with English abstract).

[3] 鄒京南, 于奇, 金喜軍, 王明瑤, 秦彬, 任春元, 王孟雪, 張玉先. 外源褪黑素對干旱脅迫下大豆鼓粒期生理和產量的影響. 作物學報, 2020, 46: 745–758.

Zou J N, Yu Q, Jin X J, Wang M Y, Qin B, Ren C Y, Wang M X, Zhang Y X. Effects of exogenous melatonin on physiology and yield of soybean during seed filling stage under drought stress., 2020, 46: 745–758 (in Chinese with English abstract).

[4] 莫金鋼, 馬建, 沈勇, 張麗輝, 曲靜, 王丕武. 干旱脅迫下大豆抗旱突變體M18苗期生長和生理特性. 中國油料作物學報, 2014, 36: 770–776.

Mo J G, Ma J, Shen Y, Zhang L H, Qu J, Wang P W. Growth and physiological characteristics of seedlings of soybean drought-resistant mutant M18 under drought stress., 2014, 36: 770–776 (in Chinese with English abstract).

[5] 葉君, 鄧西平, 王仕穩, 殷俐娜, 陳道鉗, 熊炳霖, 王鑫月. 干旱脅迫下褪黑素對小麥幼苗生長、光合和抗氧化特性的影響. 麥類作物學報, 2015, 35: 1275–1283.

Ye J, Deng X P, Wang S W, Yin L N, Chen D Q, Xiong B L, Wang X Y. Effects of melatonin on growth, photosynthetic characteristics and antioxidant system in seedling of wheat under drought stress., 2015, 35: 1275–1283 (in Chinese with English abstract).

[6] Li B Y, Feng Y N, Zong Y Z, Zhang D S, Hao X Y, Li P. Elevated CO2-induced changes in photosynthesis, antioxidant enzymes and signal transduction enzyme of soybean under drought stress., 2020, 154: 105–114.

[7] Chastain D R, Snider J L, Collins G D, Perry C D, Whitaker J, Byrd S A. Water deficit in field-grownprimarily limits net photosynthesis by decreasing stomatal conductance, increasing photorespiration, and increasing the ratio of dark respiration to gross photosynthesis., 2014, 171: 1576–1585.

[8] Reiter R J, Tan D X, Terron M P. Melatonin and its metabolites: new findings regarding their production and their radical scavenging actions., 2007, 54: 1–9.

[9] Zhang M C, He S Y, Zhan Y C, Qin B, Jin X J, Wang M X, Zhang Y X, Hu G H. Exogenous melatonin reduces the inhibitory effect of osmotic stress on photosynthesis in soybean., 2019, 14: e0226542.

[10] 鞏彪, 史慶華. 園藝作物褪黑素的研究進展. 中國農業科學, 2017, 50: 2326–2337.

Gong B, Shi Q H. Review of melatonin in horticultural crops., 2017, 50: 2326–2337 (in Chinese with English abstract).

[11] 蒲玉瑾, 張一璇, 苗靈鳳, 楊帆. 常溫和低溫條件下不同濃度褪黑素對降香黃檀幼苗的生理生態影響. 廣西植物[2020-08- 30].http://kns.cnki.net/kcms/detail/45.1134.Q.20200807.1108.006. html.

Pu Y J, Zhang Y X, Miao L F, Yang F. Effects of exogenous melatonin on the eco-physiological characteristics of Dalbergia odorifera seedlings under ambient and low temperatures., [2020-08-30]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/45.1134.Q.20200 807.1108.006.html (in Chinese with English abstract).

[12] Zou J N, Jin X J, Zhang Y X, Ren C Y, Zhang M C, Wang M X. Effects of melatonin on photosynthesis and soybean seed growth during grain filling under drought stress., 2019, 57: 512–520.

[13] Ye J, Wang S W, Deng X W, Yin L, Xiong B L, Wang X Y. Melatonin increased maize (L.) seedling drought tolerance by alleviating drought-induced photosynthetic inhibition and oxidative damage., 2016, 38: 38–48.

[14] Zhang N, Zhao B, Zhang H J, Weeda S, Yang C, Yang Z C, Ren S X, Guo Y D. Melatonin promotes water-stress tolerance, lateral root formation, and seed germination in cucumber (L.)., 2013, 54: 15–23.

[15] Wang P, Sun X, Li C, Wei Z W, Liang D, Ma F W. Long-term exogenous application of melatonin delays drought-induced leaf senescence in apple., 2013, 54: 292–302.

[16] 劉領, 李冬, 馬宜林, 王麗君, 趙世民, 周俊學, 申洪濤, 王艷芳. 外源褪黑素對干旱脅迫下烤煙幼苗生長的緩解效應與生理機制研究. 草業學報, 2019, 28(8): 95–105.

Liu L, Li D, Ma Y L, Wang L J, Zhao S M, Zhou J X, Shen H T, Wang Y F. Alleviation of drought stress and the physiological mechanisms in tobacco seedings treated with exogenous melatonin., 2019, 28(8): 95–105 (in Chinese with English abstract).

[17] Cao L, Jin X J, Zhang Y X. Melatonin confers drought stress tolerance in soybean (L.) by modulating photosynthesis, osmolytes, and reactive oxygen metabolism., 2019, 57: 812–819.

[18] Gao H, Zhang Z K, Chai H K, Hong K, Cheng N, Yang Y, Wang D N, Yang T, Cao W. Melatonin treatment delays postharvest senescence and regulates reactive oxygen species metabolism in peach fruit., 2016, 118: 103–110.

[19] Zhang M C, Sun W X, Liu Y Y, Luo S G, Zhang J, Wu Q, Wu Z Y, Jiang Y. Timing of N application affects net primary production of soybean with different densities., 2014, 13: 60345–60347.

[20] 秦彬, 張明聰, 何松榆, 張春宇, 王明瑤, 金喜軍, 王孟雪, 張玉先, 胡國華. 褪黑素浸種對大豆種子萌發過程中干旱脅迫的緩解效應. 干旱地區農業研究, 2020, 38(3): 192–198.

Qin B, Zhang M C, He S Y, Zhang C Y, Wang M Y, Jin X J, Wang M X, Zhang Y X, Hu G H. Alleviating effect of melatonin soaking on drought stress during soybean seed germination., 2020, 38(3): 192–198 (in Chinese with English abstract).

[21] 施海濤. 植物逆境生理學實驗指導. 北京: 科學出版社, 2016. pp 57–74.

Shi H T. Plant Adversity Physiology Experiment Guide. Beijing: Science Press, 2016. pp 57–74 (in Chinese).

[22] Chaitanya K K, Naithani S C. Role of superoxide, lipid peroxidation and superoxide dismutase in membrane perturbation during loss of viability in seeds ofGaertn. F., 1994, 126: 623–627.

[23] Mukherjee S P, Choudhuri M A. Implications of water stress-induced changes in the levels of endogenous ascorbic acid and hydrogen peroxide in Vigna seedlings., 1983, 58: 166–170.

[24] 劉文夫, 董守坤, 徐亞會, 李雪凝, 劉麗君. 大豆苗期干旱脅迫對糖分吸收與相關酶活性的影響. 作物雜志, 2014, (3): 117–120.

Liu W F, Dong S K, Xu Y H, Li X N, Liu L J. Effects of drought stress on sugar absorption and elated enzyme activities at soybean seedling., 2014, (3): 117–120 (in Chinese with English abstract).

[25] 魏鑫, 倪虹, 張會慧, 王晶英. 外源脫落酸和油菜素內酯對干旱脅迫下大豆幼苗抗旱性的影響. 中國油料作物學報, 2016, 38: 605–610.

Wei X, Ni H, Zhang H H, Wang J Y. Effects of exogenous abscisic acid and brassinolide on drought resistance of soybean seedlings., 2016, 38: 605–610 (in Chinese with English abstract).

[26] Tilden A R, Becker M A, Amma L L, Arciniega J, Mcgaw A K. Melatonin production in an aerobic photosynthetic bacterium: an evolutionarily early association with darkness., 1997, 22: 102–106.

[27] Wang P, Sun X, Li C, Wei Z W, Liang D, Ma F W. Long-term exogenous application of melatonin delays drought-induced leaf senescence in apple., 2013, 54: 292–302.

[28] Wei W, Li Q T, Chu Y N, Russel J R, Yu X M, Zhu D H, Zhang W K, Ma B, Lin Q, Zhang J S, Chen S Y. Melatonin enhances plant growth and abiotic stress tolerance in soybean plants., 2015, 66: 695–707.

[29] Nazar R, Umar S, Khan N A, Sareer O. Salicylic acid supplementation improves photosynthesis and growth in mustard through changes in proline accumulation and ethylene formation under drought stress., 2015, 98: 84–94.

[30] Kobra M, Yahya E, Mohammad P. Effect of silicon on photosynthetic gas exchange, photosynthetic pigments, cell membrane stability and relative water content of different wheat cultivars under drought stress conditions., 2016, 39: 1001–1015.

[31] 李耕, 高輝遠, 趙斌, 董樹亭, 張吉旺, 楊吉順, 王敬鋒, 劉鵬. 灌漿期干旱脅迫對玉米葉片光系統活性的影響. 作物學報, 2009, 35: 1916–1922.

Li G, Gao H Y, Zhao B, Dong S T, Zhang J W, Yang J S, Wang J F, Liu P. Effects of drought stress on activity of photosystems in leaves of maize at grain filling stage., 2009, 35: 1916–1922 (in Chinese with English abstract).

[32] 耿慶偉. 臭氧脅迫疊加溫光逆境對葡萄葉片光合性能的影響. 山東農業大學碩士學位論文, 山東泰安, 2017.

Geng Q W. Effect of High Ozone Plus Temperature and Light Stress on Photosynthetic Characteristics of Grape Leaves. MS Thesis of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong, China, 2017 (in Chinese with English abstract).

[33] 楊新元. 外源褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗生長、光合及抗氧化系統的影響. 華北農學報, 2019, 34(4): 113–121.

Yang X Y. Effects of exogenous melatonin on growth, photosynthesis and antioxidant system of sunflower seedling under drought stress., 2019, 34(4): 113–121 (in Chinese with English abstract).

[34] Li C, Tan D X, Liang D, Chang C, Jia D F, Ma F W. Melatonin mediates the regulation of ABA metabolism, free-radical scavenging, and stomatal behaviour in two Malus species under drought stress., 2015, 66: 669–680.

[35] 李冬, 王艷芳, 申洪濤, 馬宜林, 王麗君, 趙世民, 劉領. 外源MT和EBR對干旱脅迫下烤煙幼苗的緩解效應. 中國煙草學報, 2019, 25(5): 77–85.

Li D, Wang Y F, Shen H T, Ma Y L, Wang L J, Zhao S M, Liu L. Alleviation effects of exogenous melatonin and 2,4-epibrassinolide on flue-cured tobacco seedlings under drought stress., 2019, 25(5): 77–85 (in Chinese with English abstract).

[36] 萬林, 李張開, 李素, 劉麗欣, 馬霓, 張春雷. 外源獨腳金內酯對油菜苗期干旱脅迫的緩解效應. 中國油料作物學報, 2020, 42: 461–471.

Wan L, Li Z K, Li S, Liu L X, Ma N, Zhang C L. Alleviation effects of exogenous strigolactone on growth ofL. seedling under drought stress., 2020, 42: 461–471 (in Chinese with English abstract).

[37] Tan D X, Manchester L C, Esteban-zubero E, Zhou Z, Reiter R J. Melatonin as a potent and inducible endogenous antioxidant: synthesis and metabolism., 2015, 20: 18886–18906.

[38] 厲恩茂, 李敏, 安秀紅, 陳艷輝, 李燕青, 李壯, 程存剛. 葉面噴施褪黑素對干旱脅迫下蘋果抗旱生理生化指標的影響. 中國南方果樹, 2019, 48(4): 95–98.

Li E M, Li M, An X H, Chen Y H, Li Y Q, Li Z, Cheng C G. Effects of melatonin on physiological and biochemical indexes of apple under drought stress., 2019, 48 (4): 95–98 (in Chinese with English abstract).

[39] 劉仕翔, 黃益宗, 羅澤嬌, 黃永春, 保瓊莉, 王培培, 袁彪, 李文華. 外源褪黑素處理對鎘脅迫下水稻種子萌發的影響. 農業環境科學學報, 2016, 35: 1034–1041.

Liu S X, Huang Y Z, Luo Z J, Huang Y C, Bao Q L, Wang P P, Yuan B, Li W H. Effects of exogenous melatonin on germination of rice seeds under Cd stresses., 2016, 35: 1034–1041 (in Chinese with English abstract).

[40] 張娜. 褪黑素處理對滲透脅迫下黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響及其分子機制. 中國農業大學博士學位論文, 北京, 2014.

Zhang N. Regulation of Melatonin on Germination and Seedling Growth under Osmotic Stress in Cucumber. PhD Dissertation of China Agricultural University, Beijing, China, 2014 (in Chinese with English abstract).

[41] 曹林, 吳玉環, 章藝, 郭怡, 肖有鐵, 酈楓, 馬麗, 徐根娣, 劉鵬. 外源水楊酸對鋁脅迫下菊芋光合特性及耐鋁性的影響. 水土保持學報, 2015, 29(4): 260–266.

Cao L, Wu Y H, Zhang Y, Guo Y, Xiao Y T, Li F, Ma L, Xu G D, Liu P. Effect of exogenous salicylic acid on photosynthetic characteristics and aluminum tolerance of helianthus tuberosus under aluminum stress.,2015, 29(4): 260–266 (in Chinese with English abstract).

[42] 于奇, 曹亮, 金喜軍, 鄒京南, 王孟雪, 張明聰, 任春元, 張玉先. 低溫脅迫下褪黑素對大豆種子萌發的影響. 大豆科學, 2019, 38: 56–62.

Yu Q, Cao L, Jin X J, Zou J N, Wang M X, Zhang M C, Ren C Y, Zhang Y X. Effects of melatonin on seed germination of soybean under low temperature stress., 2019, 38: 56–62 (in Chinese with English abstract).

[43] 赫傳杰. 外源褪黑素對干旱脅迫下樟子松的緩解效應. 沈陽農業大學學報, 2020, 51: 279–286.

He C J. Alleviating effect of exogenous melatonin onvar. mongolica under drought stress., 2020, 51: 279–286 (in Chinese with English abstract).

[44] Liu J, Wang W, Wang L. Exogenous melatonin improves seedling health index and drought tolerance in tomato., 2015, 77: 317–326.

Effects of exogenous melatonin on morphology, photosynthetic physiology, and yield of spring soybean variety Suinong 26 under drought stress

ZHANG Ming-Cong1,**, HE Song-Yu1,**, QIN Bin1, WANG Meng-Xue1, JIN Xi-Jun1, REN Chun-Yuan1, WU Yao-Kun2, and ZHANG Yu-Xian1,*

1College of Agronomy, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, Heilongjiang, China;2Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Daqing 163316, Heilongjiang, China

It is of great significance to study the mechanism of improving the drought resistance ability of soybean seedlings for the growth of soybean seedlings in Northeast China. This experiment was conducted using ‘Suinong 26’ as the experimental material with four treatments to investigate the physiological indexes and yield of soybean under drought stress, including the normal nutrient solution (CK), the drought stress treatment (D), the drought stress + foliar spraying melatonin treatment (LM), and the drought stress + irrigation melatonin treatment (RM). The results indicated that the gas exchange parameters, the dry matter accumulation of organ at seedling stage, the activities of antioxidant enzyme, and the content of soluble protein were increased under LM and RM compared with D. The net photosynthetic rate and stomatal conductance were significantly increased at V2 and V4 stages, and the transpiration rate and intercellular carbon dioxide concentration were significantly increased at V4 stage with< 0.05; POD and CAT of RM were significantly increased at< 0.05; the content of soluble protein was significantly increased after drought stress at V2 and V4 stages at< 0.05. Compared with D, the yield of soybean with LM at V2 and V4 stages was increased by 24.2% and 19.1% at< 0.05, RM increased by 38.6% and 56.3% at< 0.05. Compared with LM, the yield of soybean with RM at V2 and V4 stages was increased by 11.6% and 31.3% at< 0.05. These results revealed that the application of melatonin increased the yield of soybean under drought stress and the yield of soybean with irrigation melatonin treatment was higher than that of foliar spraying melatonin treatment.

drought stress; melatonin; soybean; growth and development; yield

10.3724/SP.J.1006.2021.04154

本研究由國家重點研發計劃項目“大田經濟作物優質豐產的生理基礎與調控” (2018YFD1000905), 中國博士后科學基金項目(2016M591561), 黑龍江省自然科學基金項目(C2016042), 黑龍江省應用技術研究與開發計劃項目(GA19B101-02), 黑龍江省農墾總局重點科研計劃項目(HKKY190206-01)和黑龍江八一農墾大學博士科研啟動基金項目(XYB2014-04)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China “Physiological Basis and Agronomic Management for High-quality and High-yield of Field Cash Crops” (2018YFD1000905), the China Postdoctoral Science Foundation (2016M591561), the Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (C2016042), the Applied Technology Research and Development Project of Heilongjiang Province (GA19B101-02), the Key Scientific Research Projects of Heilongjiang Farms and Land Reclamation administration (HKKY190206-1), and the Doctoral Scientific Research Start-up Foundation of Heilongjiang Bayi Agricultural University (XYB2014-04).

張玉先, E-mail: zyx_lxy@126.com

**同等貢獻(Contributed equally to this work)

張明聰, E-mail: zhangmingcong@163.com; 何松榆, E-mail: 1274167812@qq.com

2020-07-11;

2021-01-21;

2021-03-10.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210309.1558.002.html