殼寡糖對PEG脅迫下大豆種子萌發及幼苗生理指標的影響

摘要：以大豆品種Williams 82為試驗材料，在10%聚乙二醇（PEG）模擬干旱脅迫下，分析不同濃度殼寡糖（COS）溶液（5、25、50、100、200 mg/L）在進行浸種和灌根處理后，對大豆種子的萌發以及幼苗生理指標的影響，探尋緩解大豆干旱脅迫的最適COS濃度。結果顯示，10% PEG模擬干旱脅迫下，大豆種子的發芽勢、發芽率、種子胚芽長以及幼苗根長較對照明顯降低，幼苗葉片中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）的活性也受到嚴重抑制，游離脯氨酸和丙二醛含量則明顯升高。而外源施加較低濃度的COS處理后，可有效促進大豆種子的萌發和幼苗的生長，提高葉片中抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX的活性，并降低游離脯氨酸、丙二醛含量。結果表明，100 mg/L的外源COS溶液可最有效地減輕PEG脅迫對種子萌發和幼苗生長的抑制，降低大豆幼苗葉片氧化損傷，提高大豆的抗旱能力。

關鍵詞：大豆；殼寡糖；PEG脅迫；種子萌發；幼苗生理指標

中圖分類號：S565.101""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）01-0046-05

大豆［Glycine max （L.） Merr］原產自中國，其栽培歷史已有5 000年之久，是全球重要的糧油作物，且蛋白質含量豐富，是植物界的“蛋白之王”^［1-2］。隨著近年來我國經濟的快速發展，對大豆的需求量急劇增加^［3-4］，我國只能依靠大量進口才能滿足需求，對外依存度高。《“十四五”全國種植業發展規劃》提出，到2025年，要力爭大豆產量達到 2 300萬t，推動提升大豆自給率。

干旱脅迫是影響植物正常生長發育并導致作物產量下降的主要因素之一^［5］。干旱脅迫會導致植物組織嚴重失水，干擾其正常的生理活動^［6］。大豆是對缺水比較敏感的一類豆科植物，抗旱能力相對較弱，其各個生育期都有可能會受到干旱脅迫的影響，對其產量的影響可高達40%^［7-8］。在干旱脅迫下，大豆的形態性狀及許多生理生化指標都會相應的發生改變，已有研究表明，大豆種子萌發率、游離脯氨酸含量、膜脂過氧化作用和抗氧化酶活性等指標的變化都與干旱脅迫相關^［9-12］。因此，進行大豆抗旱生理生化方面的研究，對大豆抗旱育種具有十分重要的意義。

殼寡糖（chitosan oligosaccharide，COS）是2～10個聚合度的寡聚氨基葡萄糖，因其水溶性好、生物活性高等特點，近年來在農業生產、食品工業、生物工程等領域被廣泛應用^［13-16］。在農業生產中，COS在作物應對非生物脅迫、生物脅迫以及促進植物生長發育等方面都具有重要的調節功能^［17-20］。已有研究表明，干旱脅迫下噴施殼寡糖能有效提高小麥、水稻、花生、油菜等作物的生理活性和抗旱能力^［21-24］。羅曉峰等的研究表明，COS拌種可提高大豆的田間出苗率，葉面噴施能提高大豆的株高與莖粗，提高大豆產量^［25］。Costales等研究發現，在葉面施用COS可以促進大豆植株的生長和結瘤^［26］。Tang等的研究表明，COS能強烈誘導豆芽中維生素C、酚類和黃酮類物質的積累^［27］。但目前有關外源施加COS溶液緩解大豆干旱脅迫生理機制的研究相對較少，因此筆者研究了在聚乙二醇（PEG）模擬干旱條件下COS對大豆萌發及幼苗期生理生化指標的影響，以此揭示COS對大豆干旱脅迫的緩解機制，以期為大豆抗旱育種提供理論依據。

1"材料與方法

1.1"試驗材料

供試大豆品種為Williams 82。殼寡糖購自上海源葉生物科技有限公司。

1.2"試驗設計

試驗于2022年9月在江蘇農林職業技術學院農學園藝學院科研溫室中開展。設置7個處理，處理組合如下：（1）CK：種子萌發試驗用蒸餾水處理，幼苗生長試驗用霍格蘭氏（Hoagland）營養液灌根處理；（2）DC0：10% PEG+0 mg/L COS；（3）DC5：10% PEG+5 mg/L COS；（4）DC25：10% PEG+25 mg/L COS；（5）DC50：10% PEG+50 mg/L COS；（6）DC100：10% PEG+100 mg/L COS；（7）DC200：10% PEG+200 mg/L COS。

1.2.1"種子萌發試驗"挑選顆粒飽滿、種皮無病斑、大小一致的大豆種子，經10% NaClO溶液消毒20 min，用滅菌蒸餾水沖洗若干次，將大豆種子放置于鋪有雙層濾紙、150 mm直徑的培養皿上，PEG脅迫下用不同濃度的COS溶液進行處理（7個處理），每組50粒種子，重復3次。萌發試驗在25 ℃的人工氣候箱中進行，定期補充處理溶液，2 d后測定大豆種子的發芽勢，7 d后測定種子的發芽率并測量胚芽長度。

1.2.2"幼苗生長試驗"大豆種子經過挑選后播種于配制好的基質中。先用蒸餾水澆灌至發芽后大致1 cm的高度，然后用Hoagland營養液澆灌至第1對真葉完全展開，最后在PEG脅迫下用不同濃度梯度的COS溶液進行處理（7個處理）。每個處理 50株大豆幼苗，重復3次。每天定時用10% PEG和不同濃度的COS溶液進行灌根處理7 d，讓溶液充分均勻地灌入根部（每個處理都是配制含有10% PEG的營養液進行灌根處理）。

1.3"測定項目和方法

胚芽長度：大豆種子萌發7 d后用直尺測量。根長：PEG脅迫下，不同濃度COS溶液灌根處理7 d后，每組處理隨機抽取20株幼苗用直尺測量根長。采收經處理后的適量大豆葉片，置于液氮中速凍，進行酶活性等相關指標的測定，或暫時保存于超低溫冰箱中備用。

大豆幼苗用10% PEG和不同濃度的COS溶液進行灌根處理7 d后，取其葉片進行活性氧代謝相關酶的活性及游離脯氨酸和丙二醛含量的測定。超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定采用氮藍四唑（NBT）光化還原法；過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創木酚法；過氧化氫酶（CAT）活性的測定采用氧電極法；抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性的測定采用紫外吸收法；脯氨酸和丙二醛含量的測定分別采用茚三酮法和硫代巴比妥酸法。以上方法均參考李小方等的《植物生理學實驗指導》^［28］。

1.4"數據處理

利用Excel 2010及SPSS 25.0進行數據分析和差異顯著性檢驗并作圖。

發芽勢和發芽率計算公式如下：

發芽勢=（2 d內發芽的種子數/試驗大豆種子總數）×100%；

發芽率=（7 d內發芽的種子數/試驗大豆種子總數）×100%。

2"結果與分析

2.1"COS對PEG脅迫下大豆種子萌發的影響

由圖1可知，相比于CK，10% PEG模擬干旱處理后大豆種子的發芽勢、發芽率和胚芽長分別降低了17.50%、8.36%和43.09%，表明其萌發受到了不同程度的抑制。添加不同濃度的COS溶液（5、25、50、100、200 mg/L）處理后，大豆種子的發芽勢、發芽率和胚芽長均明顯提高，濃度100 mg/L的外源COS處理后增幅最大、效果最明顯，種子的發芽勢、發芽率和胚芽長較DCO處理分別提高了27.66%、6.23%和31.70%。但是COS濃度過高時（200 mg/L），對大豆種子萌發的促進作用不顯著。

2.2"COS對PEG脅迫下大豆幼苗根長的影響

由圖2可知，在10% PEG脅迫下，大豆幼苗根的伸長受到了顯著的抑制，與CK相比，根長降低了25.28%。不同濃度的COS進行灌根處理后，PEG脅迫下的大豆根長隨COS濃度的增加呈先升高再降低的趨勢，而且100 mg/L的外源COS處理后增幅最明顯，相較于DC0處理增加了30.60%，緩解PEG脅迫對大豆幼苗根長的抑制效果最顯著。

2.3"COS對PEG脅迫下大豆幼苗游離脯氨酸和丙二醛含量的影響

植物體內的脯氨酸作為一種重要的滲透調節物質，參與植物的抗逆反應^［29］。丙二醛含量的多少則可以反映細胞膜脂過氧化作用的強弱^［30］。如圖3所示，較低濃度的外源COS（小于100 mg/L）可降低PEG脅迫下（DC0）大豆葉片組織中脯氨酸和丙二醛的含量。外源COS濃度為100 mg/L時，游離脯氨酸和丙二醛含量相對于DC0處理，分別減少了38.07%和25.31%， 而200 mg/L的COS處理使得丙二醛和游離脯氨酸的含量相比于100 mg/L的COS處理又顯著升高。結果表明，在PEG脅迫下（DC0），大豆體內的游離脯氨酸和丙二醛相比于CK會大量累積；適宜濃度的COS溶液處理后，游離脯氨酸和丙二醛的累積量相較于DC0會有不同程度地降低；當COS濃度過高時（200 mg/L），脯氨酸和丙二醛的累積量反而升高，對植物的生長產生不利影響。

2.4"COS對PEG脅迫下大豆幼苗葉片抗氧化酶系統的影響

在干旱脅迫下，植物體內的活性氧會大量積累，為了避免過量的活性氧帶來的傷害，植物會通過提高SOD、POD、CAT、APX等抗氧化酶的活性來清除活性氧^［31］。由圖4可知，CK的SOD、POD、CAT和APX活性明顯高于其他處理；相比于CK，COS濃度0 mg/L處理后大豆幼苗葉片中SOD、POD、CAT、APX的活性分別降低了46.88%、43.31%、37.86%、36.99%。除CK外，4種酶活性隨著COS不同濃度整體呈現先增強后減弱的趨勢。100 mg/L的COS處理后SOD、POD、CAT、APX的酶活相對于0 mg/L的處理分別增加了84.65%、69.51%、46.44%、53.76%，200 mg/L的COS處理顯著降低了各個酶的活性。結果表明，較低濃度的外源COS處理可以極大提高抗氧化酶的活性，從而緩解PEG脅迫對大豆幼苗造成的生理損傷；濃度過高時（200 mg/L）則表現出抑制酶活性的作用，不利于植物生長。

3"討論與結論

干旱脅迫是影響植物正常生長發育的重要因素之一，大豆是我國重要的農作物，因此研究如何提高大豆抵御干旱脅迫的能力至關重要。本研究通過分析PEG模擬干旱條件下不同濃度殼寡糖溶液對大豆種子萌發及幼苗生理的影響，初步解析大豆抗旱的生理機制，為大豆抗旱分子育種奠定基礎。干旱脅迫下，作物種子內蛋白質、脂類和碳水化合物的代謝活動會明顯減弱，從而影響種子的萌發率、胚芽的伸長等生理活動^{［9，32-33］}。本研究結果表明，在PEG脅迫下大豆種子的發芽勢、發芽率、種子胚芽長以及幼苗根長都明顯受到抑制，外源施加不同濃度的COS溶液處理后，大豆種子的發芽勢、發芽率、胚芽長和幼苗根長均明顯提高，且100 mg/L的外源COS處理后效果最明顯。

植物在干旱條件下會使得活性氧過度積累，從而加劇膜脂過氧化反應，丙二醛含量相應增多，過量累積的丙二醛會引起植物膜系統受損，從而對植物的正常生長產生不利影響^［34-35］。因此，丙二醛含量是反映植物細胞受氧化損傷程度的一個指標^［36］。本研究中，PEG脅迫下（DC0）大豆幼苗葉片中的丙二醛含量相比對照增加了111.55%，而外源施加適宜濃度的COS處理后，丙二醛的含量相較于DC0有不同程度地降低，以COS濃度為100 mg/L的效果最顯著。

脯氨酸在植物組織中的積累量與其抗逆性有關。在逆境中，植物細胞脯氨酸含量的增加，可降低其滲透勢，從而保證植物各種生理生化活動的順利進行^［37］。本研究發現在PEG脅迫下（DC0），大豆幼苗葉片中的游離脯氨酸的含量顯著增加，5、25、50、100 mg/L的外源COS處理可降低PEG脅迫下大豆植株葉片中的脯氨酸含量，說明適宜濃度的殼寡糖緩解了干旱對大豆幼苗的傷害。

在干旱脅迫下，植物體內的活性氧含量會急劇增加，而此時植物自身的活性氧清除系統開始工作，SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶活性增加。已有研究表明，COS處理可提高綠豆、玉米、番茄等作物在干旱脅迫下抗氧化酶的活性^［38-40］。本研究表明，適宜濃度的外源COS處理可極大提高大豆幼苗中SOD、POD、CAT和APX 4種抗氧化酶的活性，從而緩解干旱對細胞膜系統的損傷，提高大豆植株的抗旱能力。

綜上所述，在10% PEG模擬干旱脅迫下，適宜濃度的外源COS溶液處理可促進大豆種子的萌發和幼苗生長，增加抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX的活性，降低葉片細胞內丙二醛和游離脯氨酸的含量，且濃度為100 mg/L的COS溶液處理后效果最顯著，緩解10% PEG脅迫對種子萌發和幼苗生長的抑制效果最明顯，在一定程度上提高了大豆的抗旱性。

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