不同耐旱型大豆根系生理生化特性对不同降雨气候条件的响应

闫春娟， 宋书宏， 王文斌， 王昌陵， 张立军， 曹永强， 孙旭刚， 武丽石， 王雅珍， 陈艳秋， 韩毅强

(1.辽宁省农业科学院作物研究所，辽宁沈阳 110161； 2.黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆 163319)

大豆是一种需水较多的作物，干旱是限制辽宁省西部地区大豆生长的最主要自然灾害，在土壤干旱胁迫条件下，作物最先感受胁迫的器官是根系，通过根系生长和代谢的相应调整以适应逆境胁迫，因此根系抗逆机制的研究日益引起重视[1-2]。植株的抗旱性是渗透调节物质的积累、膜脂成分的变化、自由基的清除以及蛋白的诱导形成激素调节等综合因素作用的结果[3]。渗透调节和细胞膜稳定性在提高根系吸水和保水能力方面起着至关重要的作用，是植物抵御干旱胁迫的2种重要方式。干旱条件下植株体内积累较多的脯氨酸、甜菜碱和可溶性糖等有机调节物质，以降低植株的渗透势，防止水分流失[4-5]。许多研究表明，生物膜特别是质膜在植物抗性方面起着非常重要的作用[6]，膜脂过氧化是造成膜受损的关键因素，主要是由活性氧等自由基物质所引发的，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等是膜脂过氧化酶促防御系统的重要保护酶，能有效清除活性氧，减轻膜脂过氧化作用[7]。目前，关于干旱胁迫对大豆生理生化指标影响的研究较少，且主要集中于植株叶片渗透调节和抗氧化酶活性变化对水分胁迫的响应[8-9]。而有关干旱胁迫环境对大豆根系渗透调节和抗氧化系统的保护作用的研究报道较少。本研究以不同耐旱型大豆为试验材料，探讨不同降雨特征下大豆根系抗氧化酶活性和渗透调节物质对干旱胁迫的响应，以期进一步完善大豆的抗旱机制，为大豆抗旱品种的选育和节水高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种为耐旱型品种辽豆14和干旱敏感型品种辽豆21，二者均为辽宁省农业科学院选育的优良大豆品种。辽豆14，亚有限结荚习性，株高89.3 cm，白花，灰毛。辽豆21，亚有限结荚习性，株高87.6 cm，紫花，灰毛。

1.2 试验设计

试验于2015年在辽宁省半干旱地区阜新(42°13′N，121°72′E)和湿润半湿润地区沈阳(41°49′ N，123°32′ E)进行，阜新属北温带半干旱大陆性季风气候，年均降水量 500 mm，年均气温7.2 ℃，≥10 ℃活动积温3 298.3 ℃，无霜期150 d。沈阳处于松辽平原南部的中心地带，属温带湿润半湿润大陆性季风气候，年均降水量716.2 mm，年均气温 6～8 ℃，≥10 ℃活动积温3 300～3 400 ℃，无霜期155～180 d。

试验将耐旱型品种辽豆14和非耐旱型品种辽豆21分别种植在半干旱地区阜新和湿润半湿润地区沈阳。试验共4个处理，分别为：F14：干旱地区阜新+辽豆14；F21：干旱地区阜新+辽豆21；S14：湿润半湿润地区沈阳+辽豆14；S21：湿润半湿润地区沈阳+辽豆21。小区设8行区，行长7 m，垄距0.6 m，小区面积33.6 m2，每个处理重复3次。密度设 16.67万株/hm2。

1.3 测定项目与方法

分别在大豆的4节期(V4)、盛花期(R2)、盛荚期(R4)、鼓粒期(R6)取样，测定植株根部可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量、脯氨酸含量、MDA含量，SOD、POD、CAT活性。可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法，可溶性蛋白质测定采用考马斯亮蓝比色法，脯氨酸含量测定采用茚三酮显色法，MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法，SOD活性测定采用氮蓝四唑(NBT)法，POD活性测定采用Sigma法，CAT活性测定参考Beers和Sizer改进法，以1 min内引起D240 nm减少0.1的酶量为1个酶活性单位。

1.4 数据分析

用Excel 2003对数据进行处理和绘图分析，用统计分析软件DPS 7.05进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同降水特征下不同耐旱性大豆可溶性糖含量的变化

由图1可以看出，同一处理、不同时期可溶性糖含量表现为R2期和R4期的值高于V4期和R6期。一般而言，半干旱地区阜新各处理的可溶性糖含量高于湿润半湿润地区沈阳，但多重比较结果表明，只有R2期处理F21显著高于处理S14和S21，而其他各时期处理间差异均不显著。相同降水条件下，辽豆21的可溶性糖含量高于辽豆14，但处理间均未达到显著差异水平。

2.2 不同降水特征下不同耐旱性大豆可溶性蛋白质含量的变化

由图2可以看出，同一处理、不同时期可溶性蛋白质含量表现为荚期(R4)和鼓粒期(R6)的值高于4节期(V4)和花期(R2)的值。一般情况下，半干旱地区阜新的可溶性蛋白质含量高于湿润半湿润地区沈阳，但只有在R4期半干旱地区阜新的值显著高于湿润半湿润地区沈阳。品种间可溶性蛋白质含量的变化则因取样时期和取样地点的不同而表现出不同的特征。

2.3 不同降水特征下不同耐旱性大豆脯氨酸含量的变化

由图3可以看出，半干旱地区阜新的脯氨酸含量高于湿润半湿润地区沈阳，且多数情况下差异达显著或极显著水平。相同降水条件下，阜新地区除V4期外不耐旱品种辽豆21的脯氨酸含量高于耐旱品种辽豆14；沈阳地区，在V4期、R2期、辽豆21的脯氨酸含量高于耐旱品种辽豆14，在R4、R6期，则辽豆14的脯氨酸含量高于辽豆21。

2.4 不同降水特征下不同耐旱性大豆丙二醛(MDA)含量的变化

由图4可以看出，同一处理、不同时期MDA含量表现为V4期值最低。一般情况下，半干旱地区阜新的MDA量高于湿润半湿润地区沈阳，V4期以F21的MDA值最高，且显著高于其他处理；R2、R4期处理间差异均未达到显著水平；R6期阜新地区2品种的MDA含量显著高于沈阳地区的值。一般而言，相同降水条件下辽豆21的MDA含量高于辽豆14。

2.5 不同降水特征下不同耐旱性大豆根酶活性的变化

2.5.1 不同降水特征下不同耐旱性大豆SOD活性的变化 由图5可以看出，一般而言，同一处理不同时期SOD活性表现为V4和R2期值略高。一般而言，半干旱地区阜新的SOD活性值高于湿润半湿润地区沈阳，但只有在R6期处理间差异才显著。品种对SOD活性的影响则因取样时间和地点的不同而表现出差异。

2.5.2 不同降水特征下不同耐旱性大豆POD活性的变化 由图6可以看出，一般而言，同一处理不同时期POD活性表现为V4期值最低。一般情况下，半干旱地区阜新的POD活性值高于湿润半湿润地区沈阳，且在R4期处理间差异达显著水平。与其他各项指标不同的是，一般而言，同一地区辽豆14的POD活性高于辽豆21，但处理间未达到显著差异水平。

2.5.3 不同降水特征下不同耐旱性大豆CAT活性的变化 由图7可以看出，一般而言，同一处理不同时期CAT活性表现为R4期和R6期的值略高。一般情况下，半干旱地区阜新的CAT活性值高于湿润半湿润地区沈阳，且只在R4期同一品种处理间差异达显著水平。品种对CAT活性的影响则因取样时期和地点的变化而各异，且处理间差异不显著。

2.6 辽中湿润半湿润气候(沈阳)和辽西半干旱气候(阜新)对不同耐旱型大豆产量的影响

由表1可以看出，无论在沈阳还是阜新，辽豆14的产量均高于辽豆21；同一品种，湿润半湿润地区沈阳的产量均高于半干旱地区阜新的产量，但耐旱基因型大豆辽豆14产量下降得更少。由表1可以看出，单株荚数的数据与产量数据一致，而每荚粒数与百粒质量的数据与产量数据有一定差异，说明本试验中大豆产量的差异主要是由单株荚数决定的。比较不同地点对单株荚数的影响发现，湿润半湿润地区沈阳的产量显著高于半干旱地区阜新的产量；而比较品种对其影响发现，辽豆14单株荚数显著高于辽豆21。方差分析结果表明，基因型显著影响了每荚粒数，阜新的每荚粒数值高于沈阳，但差异不显著；辽豆14的每荚粒数显著高于辽豆21。地点和基因型均显著影响大豆的百粒质量，半干旱地区阜新的百粒质量显著高于湿润半湿润地区沈阳；而辽豆21的百粒质量显著高于辽豆14。

表1 不同基因型大豆产量和产量构成要素对辽西半干旱气候和辽中湿润半湿润气候的响应

注：同列数据后不同小写、大写字母分别表示在0.05、0.01水平上差异显著。

3 结论与讨论

当土壤干旱时，作物根系首先感受到胁迫并迅速发出信号，使整个植株对干旱作出反应，同时作物还以变化的根系形态适应土壤干旱。因此，根系是研究作物抗旱性的一个重要组成部分。水分胁迫首先对植物生理代谢产生影响，使渗透调节物质和保护酶系统作出响应，最终对植物的生长产生的影响通过形态特征表现出来。许多研究都指出干旱条件下植株体内积累较多的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质等渗透调节物质，从而降低植株的渗透势，提高植株的抗旱性[10-12]。膜脂过氧化是造成膜受损的关键因素，丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的主要产物之一，干旱胁迫提高MDA含量[13]。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等是膜脂过氧化酶促防御系统的重要保护酶，干旱胁迫提高SOD、POD和CAT的活性，减轻膜脂过氧化作用[14]。本研究发现，半干旱地区阜新大豆的可溶性糖、可溶性蛋白质、脯氨酸、MDA含量均高于湿润半湿润地区沈阳，即干旱胁迫增加了它们的含量，这与前人研究结果一致，但笔者发现本试验中多数时期处理间差异并不显著，这一方面可能与田间试验中干旱胁迫并不严重有关，另一方面田间试验可控性更差一些、试验误差更大，导致处理间差异不显著。同样与前人一致的是干旱胁迫提高SOD、POD和CAT的活性，但本试验结果仍然是多数处理间差异并未达到显著水平。品种对各项生理指标的影响则因取样时间和地点的不同而表现出差异，一般情况下，除POD活性外，其他指标均是常规品种辽豆21值略高于耐旱品种辽豆14，但一般情况下，处理间未达到显著差异水平。然而前人的许多研究中都指出，耐旱品种的渗透调节物质含量、SOD、POD、CAT活性高于常规品种[15-16]。试验差异产生的原因可能与本试验为田间试验，干旱胁迫程度较低且可控性较小有关。

大豆产量是单株荚数、每荚粒数、百粒质量的综合体现，这些因素在大豆的发育期间先后连续地表现出来，只有这些性状综合表现良好，产量才能相应地提高。干旱胁迫会降低大豆的产量[17-18]，但产量的下降程度与品种的抗旱性有关[19]。本试验中，同一品种均是半干旱地区阜新的产量低于湿润半湿润地区沈阳，但非耐旱品种辽豆21产量下降得更多。任一地点辽豆14的产量均高于辽豆21。本研究发现大豆植株单株荚数的变化趋势与产量变化趋势更为一致，说明各处理间产量的差异主要是由单株荚数决定的；辽豆14的每荚粒数显著高于辽豆21；辽豆21的百粒质量显著高于辽豆14，阜新地区的百粒质量也显著高于沈阳地区，说明并不是百粒质量越高产量越高。