不同浸水時間對大豆種質耐澇性及理化特性的影響

王永強， 姚夢楠， 薛 冬， 趙 娜， 周恩強， 魏利斌， 顧春燕， 繆亞梅， 汪凱華， 王學軍

(江蘇沿江地區農業科學研究所，江蘇南通 226001)

澇害是指土壤水分含量超過植物正常生長需要時對植物產生的直接危害及次級危害。我國屬于季風氣候區，降水相對集中于夏季。一方面，濕潤的季風帶來充足的降水，有利于農業生產；但另一方面，過于集中的降水容易產生澇害。大豆耐澇性較差，強降水容易導致種子處于缺氧狀態，形成爛粒或不正常苗。研究大豆種質耐澇性對我國農業發展具有重要意義。

大豆在整個生育期都有可能遭遇澇害影響。在苗期遭遇澇害，大豆出現葉色黃化，阻礙根部發育生長，導致根系活力降低[1]。有研究表明，苗期澇害逆境時間越長，對大豆生長影響傷害越大[2-3]。Scott等對V1期[4]、董鉆對V1、V4期[5]、Githiri 等對V3期[6]、Oosterhuis等對V4期[7]、Shannon等對R1期[8]、VanToai等對R1～R4期[9]、Isism對R2期[10]大豆的耐澇性進行研究，發現在相同澇害時間條件下，生殖生長時期遭遇澇害對大豆生長及其產量的影響顯著高于營養生長時期。宋曉慧等以耐澇品種墾豐14和不耐澇品種墾豐16為試材，研究不同淹水脅迫時間對大豆苗期根部形態和生理指標的影響，發現短時間脅迫下，根瘤數、電導率、丙二醛和脯氨酸含量變化無明顯差異；隨著脅迫時間增加，耐澇品種根瘤生長受抑制程度小于不耐澇品種，不耐澇品種的不定根數量、電導率、丙二醛含量較耐澇品種均增加[11]。目前，對于大豆耐澇的研究主要集中于苗期、營養生長期及生殖生長期。本研究通過對不同大豆種質48、72 h浸水處理，研究大豆種質理化特性、發芽活力指數等變化規律，以期為解釋大豆種質萌發期的耐澇性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

10份大豆種質資源為江蘇省區域試驗收集所得，2020年種植于江蘇沿江地區農業科學研究所，于當年收獲種子。

1.2 試驗設計

大豆種子發芽率檢測：10份大豆種質材料2020年收獲新種子，25 ℃下進行標準發芽試驗，重復3次，檢測試驗材料發芽率。

種子長度、寬度測定：取100粒種子置于種子掃描儀上，利用分析軟件計算出種子平均長度與寬度值。

種子蛋白、油分含量測定：取100粒種子導入近紅外光譜儀盒中，重復3次，繪制標準曲線，根據標準曲線讀取蛋白含量和油分含量值。

種子浸水處理、電導率測定：選取正常、無種皮破裂大豆種子600粒，浸于75%乙醇中消毒5 s，取出后用去離子水清洗干凈曬干。25 ℃下，取100粒放入燒杯中，加入400 mL去離子水浸泡48 h，重復3次，為T1處理；另外300粒分3次重復加 400 mL 去離子水浸泡72 h，為T2處理。用DS-1型電導率儀測定浸泡液的電導率。

T1、T2處理下種子發芽率及根長、苗長測定：實驗室內浸水48 h(T1)、72 h(T2)后，進行標準發芽試驗，種子發芽率計算辦法參照尹燕枰等紙間發芽法[12]。發芽紙經滅菌消毒后，在去離子水中充分浸泡，取200粒種子經75%乙醇消毒后用去離子水洗凈，整齊擺放在發芽紙上，然后覆蓋上另外1張發芽紙，疏松卷起，豎直放入自封袋中，25 ℃下光照發芽7 d，統計發芽率、發芽指數、種苗生長量。

發芽活力指數=種苗生長量×發芽指數；

發芽指數=∑Gt/Dt。式中，Gt為時間t的發芽數，Dt為相應的發芽天數。

超氧化物歧化酶(SOD)活性測定：采用李合生的氮藍四唑(NBT)比色法[13]。

丙二醛(MDA)含量測定：參照趙世杰等雙組分分光光度計法[14]。

丙酮酸脫羧酶(PDC)活性測定：PDC活性測定采用試劑盒(Boxbio公司提供)。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2003、SPSS軟件進行統計分析和方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同種質材料種子的理化特性

不同種質材料種子的理化特性見表1。華科7號種子長度最長，為8.78 cm；蘇X19011種子長度最短，為7.86 cm。種子長度在8.50 cm及其以上的材料占比50%。徐豆24種子寬度最寬，為 7.00 cm。種子寬度超過6.50 cm的材料占比60%。通豆16-058蛋白含量最高，為46.00%；蘇X19011蛋白含量最低，為41.80%。蛋白含量超過44.00%材料占比50%。南農W182油分含量最高，為18.80%；蘇SN18油分含量最低，為17.00%。油分含量超過18.00%的材料占比60%。各材料之間差異顯著，利于試驗研究。

表1 不同種質材料種子的理化特性

2.2 不同時間處理種質相對電導率

相對電導率反映細胞膜的完整性，相對電導率高低反映種子的活力水平[2]。不同浸水時間處理下的相對電導率見圖1。T1處理下，各材料之間相對電導率表現差異顯著。8號材料相對電導率最低，為0.18；浸水48 h，細胞膜較完整，內含物質流出較少。3號材料相對電導率最高，為0.38；種子內部內含物質流出較多，細胞膜傷害較大。隨著浸水時間延長，相較于T1處理，各材料相對電導率顯著增加。T2處理下，3號材料相對電導率最高，為0.50；7號材料次之，為0.48；8號材料相對電導率最低，為0.24。

2.3 不同時間處理種質發芽活力指數表現

不同種質材料T1、T2處理下的發芽率、根長、苗長、發芽活力指數統計結果見表2。各材料之間標準發芽率均在95%以上，無顯著差異，說明種子質量良好。不同種質材料在T1、T2處理下的發芽率、根長、苗長、發芽活力指數差異顯著。T1處理下，除了4、8號材料浸水發芽率較高，均為96%，其余各材料均明顯低于標準發芽率；3號材料浸水發芽率為0，7號材料浸水發芽率為4%，表明3、7號材料受澇害傷害較大。T2處理下，隨著浸水時間延長，除2、8號材料外，其余各材料浸水發芽率均明顯降低，其中6號材料變化最為明顯，浸水發芽率由70%降低至6%。T1處理下，2號材料根長最長，為14.8 cm；4號材料苗長最長，為13.3 cm。T2處理下，隨著浸水時間延長，2、8號材料根長、苗長增加，1號根長伸長外，其余各材料降低。浸水脅迫對2、8號材料種質無明顯影響，對其余種質影響較大。T1處理下，8號材料發芽活力指數最高，為25.7；3號材料發芽活力指數最低，為0。T2處理下，隨著浸水時間延長，除2、8號發芽活力指數增加外，其余材料均降低；其中10號材料發芽活力指數降低最明顯，說明該處理時間的澇害逆境對材料傷害最大。

表2 不同時間處理大豆種質發芽活力指數

2.4 不同時間處理種質SOD活性、MDA含量變化

超氧化物歧化酶是抵抗逆境的酶，植物體內超氧化物歧化酶活性增加，抵抗逆境傷害能力增強。丙二醛是植物遭受傷害產生的有害物質，其含量高低反映植物膜脂過氧化程度[15]。T1、T2處理下不同種質材料SOD活性、MDA含量變化如圖2所示。T1處理下，不同材料之間SOD活性差異明顯。4號材料SOD活性最高，為9.3 U/g，抵抗逆境能力較強。3號材料SOD活性最低，為3.2 U/g，抵抗逆境能力較低。T2處理下，隨著浸水時間延長，除2、7、8號材料的SOD活性無明顯變化外，其余材料的SOD活性明顯降低，說明浸水脅迫對SOD活性起到抑制作用。T1處理下，不同種質材料MDA含量差異顯著。6號材料MDA含量最高，為219.1 nmol/g，可能與SOD活性較高、清除自由氧能力較強有關。8號材料MDA含量最低，為 103.8 nmol/g。T2處理下，隨著浸水時間延長，各材料MDA含量明顯高于T1處理。說明隨著浸水脅迫時間延長，細胞內部膜脂過氧化程度越來越高，SOD活性只能在一定程度上清除自由氧，超過一定限度，MDA含量會增加，對種子產生毒害作用，從而逐步導致種子喪失活力。

2.5 T1處理下不同種質材料丙酮酸脫羧酶活性變化

丙酮酸脫羧酶是無氧呼吸關鍵酶。種子在遭受澇害時，測定PDC活性對解釋耐澇機制具有重要意義。有研究表明，植物通過降低無氧呼吸速率來抵抗澇害逆境[16]。T1處理下，丙酮酸脫羧酶活性見圖3。不同材料之間PDC活性差異明顯，其中2號材料PDC活性最低，為3.1 μmol/(min·g)；其次為8號材料，為3.3 μmol/(min·g)。3號材料PDC活性最強，為5.9 μmol/(min·g)；其次為7號材料，為4.9 μmol/(min·g)。

2.6 不同時間處理各觀測性狀相關性

各觀測性狀相關性如表3所示。種子長度與相對電導率、丙二醛含量、丙酮酸脫羧酶活性呈顯著正相關，與超氧化物歧化酶活性、發芽活力指數呈顯著或極顯著負相關。種子長度越長，相對電導率越高，丙二醛含量越高，丙酮酸脫羧酶活性越高，超氧化物歧化酶活性越低，發芽活力指數越低，導致種子抵抗澇害逆境能力越差。蛋白含量與種子相對電導率呈顯著正相關。相對電導率與種子發芽活力指數呈顯著或極顯著負相關。種子在浸泡過程中，種子內含物質流出越多，種子受傷害程度越大，種子相對電導率越高，種子發芽活力指數越低。T1處理下，相對電導率與超氧化物歧化酶活性呈顯著負相關。T2處理下，相對電導率與丙二醛含量、丙酮酸脫羧酶活性呈顯著正相關。超氧化物歧化酶活性與丙二醛含量呈顯著或極顯著負相關，與種子發芽活力指數呈顯著正相關。超氧化物歧化酶活性越高，丙二醛含量越低，種質發芽活力指數越高。丙二醛含量與種子發芽活力指數呈顯著或極顯著負相關。丙酮酸脫羧酶活性與種子發芽活力指數呈顯著或極顯著負相關。種子在澇害狀態下，丙酮酸脫羧酶活性越高，無氧呼吸速率較高，產生較多有害物質，對種子產生毒害作用，導致種子發芽活力指數降低。耐澇性強的種質，如8號材料，通過提高超氧化物歧化酶活性，降低丙二醛含量、丙酮酸脫羧酶活性、無氧呼吸速率，來抵抗環境澇害逆境。

表3 各觀測性狀相關性

3 討論

溫度、浸水時間顯著影響種質的耐澇性[17]。種子萌發過程中，溫度過高，會加快無氧呼吸速度，種子內部積累大量乙醇，對種子產生毒害作用，從而影響種子萌發[18-20]。陳文杰等以種子浸水12～68 h 為時間處理梯度，發現隨著浸水時間的延長，大豆浸泡液電導率不斷增加，發芽勢、出苗率、正常苗率逐漸降低[17]。Ali等建議以浸水48 h后大豆苗長為指標，研究大豆耐浸水能力[18]。Hou等在 25 ℃ 下對730份大豆材料進行種子淹水處理，發現一些種子淹水2 d就喪失活力，而一些種子淹水 4 d 還保持較高的發芽率[19]。陳文杰等還對南方大豆種質耐浸水能力進行了鑒定與分析，篩選出耐浸水能力較好的抗性品種[20]。Hou等研究結果表明，溫度從15 ℃提高到30 ℃時，種子無氧呼吸速率明顯變快，浸水后96 h便失去發芽率[21]。本試驗中，通過前期種質資源篩選和預試驗，確定試驗溫度為25 ℃，處理時間為48、72 h時，不同種質之間理化特性差異較大，可以更好地解釋種質在澇害條件下抵抗澇害的理化機制。

植物在遭受澇害條件下，體內的氧會被活化成對細胞有傷害的活性氧。耐澇性較強的品種在淹水脅迫下可以誘導或者保持較高的抗氧化酶活性，清除活性氧陰離子自由基，防止細胞膜系統被破壞，從而保持細胞膜系統活力[22-25]。MDA是膜脂過氧化的產物，可與細胞膜上的蛋白質、酶等結合，使細胞失活[26-28]。周琴等研究表明，淹水時間越長，大豆MDA含量越高[3]，這和本研究結果一致。本試驗發現，不同大豆種質的SOD活性、MDA含量差異明顯，呈顯著負相關。耐澇性強的種質SOD活性顯著高于澇害敏感型材料，而丙二醛含量較敏感型低，這和前人研究結果[15]一致。隨著浸水時間延長，抗性品種SOD活性并沒有顯著增加，澇害敏感型品種SOD活性降低，說明植物抵抗澇害逆境能力可能有一定范圍。而丙二醛含量不斷增加，說明種質膜脂過氧化程度隨著浸水時間延長不斷增加。

有研究表明，植物在澇害條件下，可以通過“靜止策略”降低能量消耗來應對缺氧狀態，如耐澇水稻種質FR13A[29]。耐浸水大豆材料Peking在缺氧條件下不發芽，在氧氣正常時恢復發芽，也是通過“靜止策略”實現耐浸水；相反一些不耐浸水材料則在缺氧條件下依然發芽，無氧呼吸產生有害物質導致種子活力降低[30-31]。本研究中，T1處理下，PDC活性與發芽活力指數之間呈極顯著相關性，而強耐澇性種質的丙酮酸羧化酶活性較低，弱耐澇性種質的丙酮酸羧化酶活性較高，說明在萌發期，種質通過降低無氧呼吸速率來抵抗澇害逆境，而該時期其他抗逆方式有待進一步研究。

4 結論

大豆浸水48、72 h后，不同種質之間的發芽活力指數、相對電導率、超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量、丙酮酸脫羧酶活性差異顯著。隨著浸水脅迫時間增加，蘇X19011、新豆90-30的發芽活力指數無明顯變化，其余各材料均明顯降低；蘇X19011的發芽活力指數最高，為27.6；通豆16-058、南農W182的發芽活力指數為0。抗性種質通過提高SOD活性、降低丙酮酸脫羧酶活性和丙二醛含量來抵抗澇害逆境。