弱光对不同耐荫大豆苗期根系以及光合特性的影响

2018-05-07佘跃辉刘卫国杨文钰武晓玲

四川农业大学学报 2018年2期

胡跃，佘跃辉，刘卫国，杨文钰，武晓玲

（四川农业大学农学院，成都 611130）

“十三五”以来，国家对大豆生产日益重视，将恢复和增加大豆种植面积，以缓解国内大豆生产面积日益萎缩以及进口大豆量的不断增加[1]。近年来我国西南地区玉米套作大豆发展推广较快[2]，显著提高了土地利用率和区域粮食生产能力，同时提高了农民的收入，经济效益明显。但在玉米–大豆带状复合种植模式中，高秆作物玉米对低位作物大豆的遮光限制了大豆获得优质高产，尤其在大豆苗期影响更大，大豆植株茎秆细弱、纤长、易倒伏，导致产量大大降低[3-4]。由于大豆在苗期接受的光照不足，大豆冠层的光环境发生明显改变，光合有效辐射降低从而导致生长受到抑制。研究显示植物能通过感受外界环境胁迫充分发挥自身可塑性，并通过改变自身结构性状和生理性状来维持正常生长。T.Umezaki等[5]在对大豆苗期弱光下研究中发现大豆植株株高明显增加；刘卫国等[6]研究表明弱光下大豆茎秆从第3节间开始显著伸长，并且茎秆明显变细；王竹等[7]研究发现在弱光环境下大豆幼苗叶片变薄，表皮细胞体积变大，角质层变薄，栅栏组织和海绵组织分化不明显，细胞间隙增大；范元芳等[8]研究表明弱光下不同品种大豆光合色素含量表现不一致，但净光合效率均有所降低。光照不但影响植物地上部分生长，而且还影响植物根系的生长发育[9-10]。刘典三[11]在对弱光下烤烟的根系研究中指出光照不足抑制了烤烟的根系生长，一级侧根数量及根系干重显著低于正常光照。王丽等[12]在对弱光胁迫下水稻根系研究中同样指出弱光抑制了水稻根系的生长，随着遮荫越严重根系受到的影响越大。于晓波等[13]利用盆栽试验研究了弱光下大豆根系的形态特征和生理变化，发现弱光下大豆根长、根系活力和伤流量均有所降低。

前人的研究多集中于大豆植株形态或光合等对荫蔽响应的研究，从不同耐荫大豆整体对弱光响应的研究较少。因此，本研究通过比较正常光照和弱光环境下不同耐荫性大豆材料的根系、地上部形态、干物质积累与分配以及光合荧光相关参数，明确不同耐荫性大豆材料在苗期根系及其他性状对弱光胁迫的响应，为耐荫大豆品种的改良和选育提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选用田间性状表现差异明显的强耐荫菜豆1号、本地黄、弱耐荫简阳九月黄和贡选5号共4份大豆材料。

1.2 试验设计

试验于2016年在四川农业大学日光温室内进行，室内温度为25℃。试验采取随机区组设计，设置3个重复，每个重复两盆，每盆3株，播种后分别放置在正常光照1 000 μmol/（m2·s2）和弱光400 μmol/（m2·s2）下，在出苗后第20天时测定相关性状。试验期间两个处理的其他环境条件以及管理措施都一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 根系性状及生物量测定

大豆出苗后第20天时分别从两个处理中选取长势均匀的大豆植株3株以下胚轴底部为界将根部剪下，清水冲净干净后，利用根系扫描仪EPSONTW AIN PRO（30 bit）（爱普生公司）进行扫描并用WinRHIO根系分析系统进行分析[14-15]，测定其根长、根表面积、根直径、侧根数、根体积，然后装进信封放在烘箱中，105℃下杀青1 h，在80℃下烘干至恒重获得根系干重。

1.3.2 地上部性状及生物量测定

利用直尺测量植株主茎株高和下胚轴长、用电子游标卡尺测量茎秆第一节宽度作为茎粗、叶片厚度（叶片厚度仪，托普）、叶面积（根系扫描仪，爱普生），节间数。将植株的叶、茎，分别装进信封放在烘箱中，105℃下杀青1 h，然后在80℃下烘干至恒重，获得各部分的干物质重量[16]。

1.3.3 光合色素含量的测定

选取倒数第一片复叶，去掉叶脉，剪切称取0.1 g，按照比例丙酮∶无水乙醇∶蒸馏水=4.5∶4.5∶1 的混合液提取叶片色素。分别在波长663、646、470 nm下测定光密度，然后计算叶绿素（Chls）和类胡萝卜素（Cars）含量[17]。

1.3.4 光合特征参数的测定

选取倒数第一片展开复叶，于上午 9∶00—11∶00，利用Li-6400（美国LI-COR公司）便携式光合仪测定光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）等光合特性参数。在测定时，设定仪器内置光源光强为800 μmol/（m2·s2），CO2浓度为450 μmol/mol，室内温度为 25 ℃。

1.3.5 叶绿素荧光参数的测定

采用便携式叶绿素荧光（PAM-2100Walz，GERMANY）在设定光强为1 000 μmol/（m2·s2）下测定大豆叶片的荧光参数F0′（实际荧光）、Fm′（光下最大荧光），再置于黑暗处2 h后测定大豆叶片的Fm（暗适应最大荧光）、F0（初始荧光），计算获得光化学荧光猝灭系数：qp=（Fm′-Fs）/（Fm′-F0′）、非化学荧光猝灭：NPQ=（Fm-Fm′）/Fm′、PSII白天有效光化学量子产量和晚上最大光化学量子产量[18]：PSII=（Fm-F0）/Fm′。

1.4 数据统计

使用Microsoft Excel 2007进行数据整理，SPSS19.0软件进行统计方差分析。

2 结果与分析

2.1 弱光对大豆根系形态的影响

弱光下两个强弱耐荫大豆的根长、根表面积、侧根数、根体积、根重相较于正常光照差异均呈极显著降低（见表1），而根平均直径除了弱耐荫品种贡选5号差异显著外均差异不显著。

表1 弱光对大豆幼苗根系形态及生物量的影响Table 1 Effect of low light on morphological characteristics and biomass of soybean

2.2 弱光对大豆地上部形态及生物量的影响

由表2可知，在弱光下，两个强弱耐荫材料的株高、下胚轴长、节间长显著增加，叶厚、叶面积、茎粗、叶重降低大部分达到显著水平。不同耐荫材料的节数在两种光照下差异不显著，强耐荫材料的地上部干重在弱光下显著上升，而弱耐荫材料则显著下降。同时弱光降低了4个大豆品种的根冠比（见图1），而茎生物量比值和叶生物量比值表现出相反的趋势，前者增加后者降低，这主要是由于大豆植株受到荫蔽影响，茎秆变细节间伸长从而导致茎秆生物量增加，而叶片在荫蔽下厚度和面积均降低。叶柄生物量比值变化不一致，弱耐荫品种贡选5号的差异最大，表明弱光下大豆干物质分配侧重于茎秆。

2.3 弱光对大豆功能叶片光合色素的影响

如表3所示，弱光下两个强弱耐荫大豆材料的叶绿素a和叶绿素b均有所升高，其中叶绿素a在强耐荫材料中差异达到显著水平，叶绿素b在弱耐荫材料中差异达到显著水平，而类胡萝卜素的表现不一致，除弱耐荫品种贡选5号降低外均显著升高。弱光均降低了强弱耐荫材料的叶绿素a与叶绿素b的比值，但强耐荫材料的差异不显著，而弱耐荫材料差异达到显著水平，叶绿素与类胡萝卜素的比值同样表现不一致，表明不同耐荫大豆材料对弱光的响应不同。

2.4 弱光对大豆功能叶片光合特性的影响

在两种处理下除菜豆5号的净光合速率（Pn）差异不明显外，弱光导致其他3个大豆品种的净光合速率极显著下降（见表4）。强耐荫大豆在弱光下的蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）均都高于正常光照，弱耐荫大豆中贡选5号的蒸腾速率（Tr）略有上升差异不明显，而简阳九月黄呈极显著降低，这可能是不同材料之间的差异导致的，同时也说明大豆苗期对弱光的光合响应的复杂性。

图1 4个大豆品种的根冠比以及各器官占地上部生物量的比值Figure 1 The root/shoot ratio of four soybean varieties and the ratio of the total biomass of each organ

表2 弱光对大豆地上部分形态及生物量的影响Table 2 Effect of low light on aboveground part shape and biomass of soybean

表3 弱光对大豆功能叶片光合色素的影响Table 3 Effect of low light on leaf photosynthetic pigment of soybean

表4 弱光对大豆幼苗功能叶片光合特性的影响Table 4 Effect of low light on photosynthetic characteristics of soybean

2.5 弱光对大豆叶片光系统光反应的影响

与正常光照相比弱光增加了4个大豆品种的最大荧光（Fm′）和晚上初始荧光（F0）（见表 5），并且4个大豆品种的暗适应最大荧光（Fm）差异均达到极显著水平，值得注意的是弱光下强耐荫品种的暗适应最大荧光（Fm）高于弱耐荫品种。PSII有效光化学量子产量均显著增加，而晚上PSII最大光化学量子产变化不一致，强耐荫品种增加而弱耐荫品种则略有降低，但是差异不明显。光化学荧光淬灭系数（qp）和非光化学荧光淬灭系数（NPQ）显著降低，其中弱耐荫品种差异达到极显著水平。

3 讨论与结论

3.1 讨论

在作物的生命活动中，光照是重要的环境因子之一。作物的根系、茎秆以及叶片等外观形态特征对光照变化的响应十分敏感，能通过调整自身形态来与之相适应[19-20]。据前人研究[21-22]，在弱光环境下大豆幼苗的根长、根系活跃吸收表面积以及总面积均显著下降。本研究发现，不管是弱光下表现较好的强耐荫品种还是弱耐荫品种在所测定的根系相关性状指标中与正常对照相比绝大部分性状值均极显著降低。这说明大豆根系对弱光环境的感应十分敏感且受其影响明显。植物生长环境的胁迫首先直接影响到根系的生理代谢，进而影响到整个植株的生育进程[23]。目前对环境胁迫下植物根系的研究主要集中低温、干旱、土肥胁迫以及根系分泌物的作用和诱导机制[24-25]。而关于荫蔽弱光下大豆根系的深入研究报道尚少。于晓波等[13]研究表明在荫蔽下大豆幼苗的根长变短而根直径增加，与本研究的结果不同，这也许是不同品种间差异以及不同取样测定时间所造成的。而对于侧根数显著减少的原因目前尚无明确的相关报道，但是显然与地上部受到荫蔽有关。植物地下部和地上部在物质营养上相互供应，使得它们相互促进、共同发展[26]。

表5 弱光对大豆幼苗叶片光系统光反应的影响Table 5 Effect of low light on photosystems and photoreaction

弱光下强弱耐荫大豆品种茎秆干重均表现出增加的趋势，此结果说明荫蔽下大豆幼苗的光合产物更多的趋向茎秆分配[27-28]，另外4个大豆品种的主茎节数较正常光照均无明显差异，而株高、下胚轴长、平均节间长均极显著增加，这进一步说明主茎的伸长主要是由于茎秆节间变长所导致的[29]。

弱光虽然增加了4个大豆品种的叶绿素含量但导致了净光合速率的降低，气孔导度和胞间二氧化碳浓度在强耐荫品种中表现为增加，在弱耐荫品种中为降低。而气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道，其开张程度直接影响着植物光合作用的高低，这与苏本营等[30]的研究结论一致，另外胞间二氧化碳浓度与净光合速率的关系现在虽然尚未明确，但可以看出和气孔导度成正比关系，因此其含量高低也将间接影响叶片的光合作用[31]。弱光下4个大豆品种光化学猝灭系数和非光化学猝灭均有所降低，表明弱光使大豆功能叶片捕获的光能用于光化学反应比例降低，而转化为热能消耗的比例增高，这有利于作物的同化作用[32]。同时说明大豆在弱光下幼苗叶片吸收的剩余光能将通过非辐射的热能及相关途径耗散，造成植物光合化学效率的降低，发生光合作用的光抑制[33]，最终导致光合速率降低。这一点在2个强耐荫和弱耐荫品种间表现相同。与宋艳霞等[34]的研究结果一致但与武晓玲等[35]研究结果有所不同，这说明大豆对弱光的响应机制十分复杂，不同种间的响应也是不同的。

3.2 结论

本研究表明弱光对大豆苗期的影响是地上部与地下部同时进行的，通过不同材料对比试验可以看出强耐荫大豆品种在弱光下的优势主要集中在光合特性方面，尤其是净光合速率和胞间CO2浓度。因此在研究大豆对弱光胁迫的响应机制以及选育适宜玉米大豆带状复合种植的大豆品种时本文结论具有重要参考意义。

参考文献：

［1］韩长赋.推进农业供给侧改革大力发展巴氏生鲜乳-2016年“两会”热点奶业提案解读：推进农业供给侧改革重点抓三件事：玉米、大豆、牛奶［J］.中国乳业，2016（3）：2-3.

［2］杨文钰，雍太文，任万军，等.发展套作大豆，振兴大豆产业［J］.大豆科学，2008，27（1）：1-7.

［3］梁镇林.单作和间作大豆茎叶性状的消长及相关［J］.西南农业学报，1999（2）：47-53.

［4］武晓玲，谭千军，陈钒杰，等.大豆苗期茎秆相关性状对荫蔽的响应［J］.植物遗传资源学报，2015，16（5）：1111-1116.

［5］UMEZAKI T，YOSHIDA T.Effects of shading on the internode elongation of late maturing soybea［J］.Bulletin of the Institute of Tropical Agriculture Kyushu University，1991，14（3-4）：267-272.

［6］刘卫国，蒋涛，佘跃辉，等.大豆苗期茎秆对荫蔽胁迫响应的生理机制初探［J］.中国油料作物学报，2011，33（2）：141-146.

［7］王竹，杨文钰，伍晓燕，等.玉米株型和幅宽对套作大豆初花期形态建成及产量的影响［J］.应用生态学报，2008，19（2）：323-329.

［8］范元芳，杨峰，王锐，等.弱光对大豆生长、光合特性及产量的影响［J］.中国油料作物学报，2016，38（1）：71-76.

［9］陈小玲，陈清西.植物弱光逆境生理的研究进展［J］.北方园艺，2014（6）：183-187.

［10］王明，蒋卫杰，余宏军.弱光逆境对植株生理特性的影响及其调控措施［J］.内蒙古农业大学学报（自然科学版），2007（3）：198-203.

［11］刘典三.弱光处理对烤烟生长发育及品质的影响［D］.郑州：河南农业大学，2013.

［12］王丽，邓飞，郑军，等.水稻根系生长对弱光胁迫的响应［J］.浙江大学学报农业与生命科学版，2012，38（6）：700-708.

［13］于晓波，罗玲，曾宪堂，等.套作弱光胁迫对大豆苗期根系形态和生理活性的影响［J］.中国油料作物学报，2015，37（2）：185-193.

［14］李鹏，李占斌，郝明德，等.黄土高原天然草地根系主要参数的分布特征［J］.水土保持研究，2003，10（1）：144-145.

［15］马兆惠，车仁君，王海英，等.种植密度和种植方式对超高产大豆根系形态和活力的影响［J］.中国农业科学，2015，48（6）：1084-1094.

［16］范元芳，刘沁林，王锐，等.玉米-大豆带状间作对大豆生长、光合荧光特性及产量的影响［J］.核农学报，2017，31（5）：972-978.

［17］张立军.植物生理学实验指导［M］.北京：中国农业科学技术出版社，2004：11-15.

［18］王锐，杨峰，张勇，等.套作大豆后期叶片叶绿素荧光特性及光谱特征分析［J］.核农学报，2015，29（6）：1182-1189.

［19］RYSER P.Consequences of phenotypic plasticity vs.interspecific differences in leaf and root traits for acquisition of aboveground and belowground resources［J］.American Journal of Botany，2000，87（3）：402.

［20］FRANSEN B，BLIJJENBERG J，KROON H D.Root morphological and physiological plasticity of perennial grass species and the exploitation of spatial and temporal heterogeneous nutrient patches［J］.Plant and Soil，1999，211（2）：179-189.

［21］YANG F，HUANG S，GAO R，et al.Growth of soybean seedlings in relay strip intercropping systems in relation to light quantity and red：far-red ratio［J］.Field Crops Research，2014，155（155）：245-253.

［22］杨才琼，胡宝予，吴海军，等.黑豆种质苗期耐荫性评价及其根系对弱光胁迫的响应［J］.中国生态农业学报，2017，25（6）：893-902.

［23］王琪，容丽.环境影响下植物根系的生长分布特征研究进展［J］.贵阳学院学报（自然科学版），2015，10（4）：61-66.

［24］张正斌.植物对环境胁迫整体抗逆性研究若干问题［J］.西北农业学报，2000，9（3）：112-116.

［25］未晓巍，吕杰，武慧，等.植物根系研究进展［J］.北方园艺，2012（18）：206-209.

［26］洪彦彬，周桂元，李少雄，等.花生根部特征与地上部分性状的相关性分析［J］.热带作物学报，2009，30（5）：657-660.

［27］吴其林，王竹，杨文钰.苗期遮荫对大豆茎秆形态和物质积累的影响［J］.大豆科学，2007，26（6）：868-872.

［28］王兴银，张福墁.弱光对日光温室黄瓜光合产物分配的影响［J］.中国农业大学学报，2000，5（5）：36-41.

［29］刘卫国，邹俊林，袁晋，等.套作大豆农艺性状研究［J］.中国油料作物学报，2014，36（2）：219-223.

［30］苏本营，宋艳霞，陈圣宾，等.大豆幼苗对套作玉米遮荫环境的光合生理生态响应［J］.生态学报，2015，35（10）：3298-3308.

［31］陈根云，陈娟，许大全.关于净光合速率和胞间CO2浓度关系的思考［J］.植物生理学报，2010，46（1）：64-66.

［32］郭志华，张旭东，黄玲玲，等.落叶阔叶树种蒙古栎（Quercus mongolica）对林缘不同光环境光能和水分的利用［J］.生态学报，2006，26（4）：1047-1056.

［33］翟洪波，呼和牧仁，周梅，等.不同年龄华北落叶松光合、蒸腾生理生态特征的研究［J］.内蒙古农业大学学报（自然科学版），2010，31（2）：66-71.