盐碱胁迫下大豆生理特性与干物质的相关研究

张春兰1，曹 帅，满丽莉1，向殿军，李志刚，刘 鹏

(1.内蒙古民族大学生命科学学院，内蒙古 通辽 028042；2.内蒙古民族大学农学院，内蒙古 通辽 028042)

全世界有将近三分之一的土地为盐碱地，我国约有0.172亿hm2，其中盐碱地耕地约有920.9万hm2[1]。NaHCO3和Na2CO3是内陆苏打盐碱土的主要成分，生长在此类土壤上的植物受到Na+、低水势和高pH值(pH>9)的多重胁迫[2-3]。盐碱地会严重制约植物的生长与品质，导致产量降低或绝产[4-5]。在大豆的整个生育期，任何生物和非生物胁迫都会对大豆造成不同程度的影响，盐害是其中一种主要的非生物胁迫[6]。大豆作为中度耐盐作物，盐害会影响大豆的营养生长和正常光合作用[7]、破坏抗氧化防御系统[8]。刘玉兰等研究表明，在碱性盐胁迫下，随着盐浓度的增加，小粒大豆的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均呈现降低的趋势，气孔限制值表现出随着盐浓度的增加先升高再降低的趋势，但低浓度的改变不明显[7]。牛陆研究表明，盐、碱胁迫下辉南野生大豆可溶性糖含量随盐、碱浓度升高而下降，而通榆野生大豆则升高，两地野生大豆叶绿素含量下降，脯氨酸含量急剧升高[9]。光合作用对植物正常生长具有重要的意义，它可以直接影响植物的代谢过程，可有效地反映出抗逆性的强弱[10-11]。作物的光合作用对盐碱胁迫反应极为敏感，碱胁迫会阻碍植物蛋白合成，叶片净光合速率(Pn)降低[12-13]；碱性盐胁迫下作物受到高pH值、渗透胁迫和低水势胁迫等对作物造成的伤害超过中性盐胁迫[14]。且少量或单一的指标不能全面的反映出大豆的耐碱性，不同品种大豆耐盐机制不同，对不同指标反映程度也不相同[15]。因此，本试验以不同浓度混合碱溶液处理前期筛选出的耐碱性品种杂交豆5号和碱敏感性品种吉育256为试验材料，选用生理指标和光合参数等共10个指标，进行耐碱性大豆和碱敏感性大豆生理特性和光合参数与干物质量的相关性研究，初步阐明耐碱性大豆和碱敏感性大豆的差异和各生理指标与干物质之间关系，明确不同耐碱性大豆品种响应碱胁迫在生理特性和光合参数等方面的差异，为进一步阐明大豆耐碱的分子机理、提高大豆耐碱性和盐碱地的有效利用提供参考。

表1 不同浓度碱胁迫对2个品种大豆生理指标的影响

注：不同的字母表示在 0.05 水平上差异显著。下同 。

1 材料和方法

1.1 材 料

试验选用2个大豆品种，杂交豆5号和吉育256均由吉林省农业科学院提供。这2个品种是由内蒙古民族大学作物种质资源研究与利用实验室从18份大豆品种经混合碱(NaHCO3和Na2CO3)胁迫后筛选鉴定出来的。

1.2 试验设计

试验于2017年6—8月在内蒙古民族大学试验基地日光温室内进行，采用水培方式种植。每个品种均挑选大小一致、无虫害的饱满籽粒，在5%的次氯酸钠溶液消毒5 min，自来水冲洗3次、去离子水冲洗3次后，将种子表皮水分吸干，置于培养皿中进行发芽。待胚根生长至1.5 cm左右移栽至水培盒内，在规格为32.5 cm×26 cm×11.5 cm的网盘中等距离相间摆放，每品种每盘20株。从移栽结束后开始计时5 d后(第1片复叶长出)开始浇灌Hoagland营养液，25 d开始胁迫处理。本试验根据前人研究大豆的耐受盐碱浓度范围[8,16]及内蒙古通辽市主要盐碱地盐碱组成成分[17]，共设置0(ck)、30 mmol·L-1、60 mmol·L-1、90 mmol·L-1混合碱(NaHCO3∶Na2CO3的摩尔比为9∶1、pH值9.11±0.104)溶液进行胁迫处理。各种溶液均在1/2 Hoagland营养液(pH为7.8)基础上进行配制。处理7 d后选取生长健壮的幼嫩叶片进行生理和光合特性等指标的测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1叶绿素含量测定

利用便携式叶绿素仪SPAD-502 Plus测量大豆植株顶端自上向下数第3片复叶中间叶片，每一叶片随机选取10处测量并取平均值。同一品种大豆3次重复。

1.3.2生理指标的测定

MDA含量、SOD活性、CAT活性、可溶性糖含量和脯氨酸含量测定参照李合生[18]和张志安[19]的方法。

1.3.3光合指标的测定

盐胁迫处理7 d后09：00-11：00时，用LI-6400(Li-Cor.公司)型便携式光合作用测定系统，对2个品种大豆叶片光合气体交换参数进行测定，包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。测定时采用固定红蓝光源进行试验，光强为1 200μmol·(m2·s)-1，为避免测定时环境CO2浓度的变化对测定结果的干扰，将仪器的进气口与装有恒定CO2浓度的钢瓶相接，钢瓶CO2浓度配制成370μmol·mol-1，温度设定为25 ℃，空气流速为0.5 L·min-1，相对湿度60%。各处理选取3株大豆，在主茎的第3个复叶中间小叶片上测定。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2003进行数据计算和图表制作，采用SPSS 20.0进行数据方差统计分析。

2 结果分析

2.1 混合碱胁迫对大豆叶片生理特性的影响

从表1可知，混合碱胁迫第7天，吉育256叶片SOD活性均显著低于对照，相比对照分别降低20.42%、24.94%和28.62%。杂交豆5号叶片SOD活性均高于对照，且在60 mmol·L-1和90 mmol·L-1碱浓度下差异显著，在60 mmol·L-1碱浓度下达到最大值311.65，相比对照增加19.58%。吉育256叶片CAT活性均显著低于对照，且在90 mmol·L-1碱浓度下达到最低值，比对照降低47.06%。杂交豆5号叶片CAT活性在30 mmol·L-1碱浓度下显著高于对照，且增加32.52%，其余2个处理虽高于对照，但差异不显著；吉育256叶片可溶性糖和脯氨酸含量在各个胁迫浓度下均显著低于对照，相比对照，可溶性糖含量分别降低28.88%、35.35%和39.96%；脯氨酸含量分别降低了64.37%、43.255%和48.43%。杂交豆5号叶片可溶性糖含量在60 mmol·L-1和90 mmol·L-1碱浓度下显著高于对照，分别比对照增加34.60%和29.80%，脯氨酸含量除在30 mmol·L-1碱浓度下显著高于对照外，其余2个处理均低于对照，但差异不显著；吉育256叶片丙二醛含量变化趋势为一直上升，在60 mmol·L-1和90 mmol·L-1碱浓度下显著高于对照，相比对照增加17.76%和27.71%；杂交豆5号叶片丙二醛含量在各胁迫处理下变化趋势为先降低后升高，且均显著低于对照，相比对照分别下降7.96%、16.45%和13.25%。

表2 不同浓度碱胁迫对2个品种大豆光合指标的影响

2.2 混合胁迫对大豆叶片光合特性的影响

从表2可知，吉育256叶片SPAD值在各胁迫处理下呈一直下降趋势，且均显著低于对照，在90 mmol·L-1碱浓度下急速下降，SPAD值仅为13.7，相比对照下降65.78%。杂交豆5号叶片SPAD值变化趋势为先升高后降低，且在60 mmol·L-1碱浓度下显著高于对照，在90 mmol·L-1碱浓度下显著低于对照，升降幅度分别为7.80%和40.47%。

吉育256叶片净光合速率(Pn)在各个碱浓度处理下均显著低于对照，相比对照分别下降23.11%、41.69%和40.84%。胞间CO2浓度(Ci)均显著高于对照，相比对照分别增加10.78%、14.52%和24.58%；杂交豆5号叶片净光合速率(Pn)和胞间CO2浓度(Ci)在各个碱处理下变化趋势均为一直下降，净光合速率(Pn)除在90 mmol·L-1碱浓度下显著低于对照外，其余2个碱浓度变化均不显著。胞间CO2浓度(Ci)在各个碱浓度处理下均显著低于对照，相比对照下降7.21%、14.69%和20.96%。

吉育256叶片蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)在各个碱浓度处理下变化趋势均为一直下降，且均显著低于对照，相比对照，蒸腾速率(Tr)分别下降17.19%、21.24%和27.89%；气孔导度(Gs)分别下降了12.75%、22.33%和36.22%；杂交豆5号叶片蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)变化趋势为先升高后降低，并且在30 mmol·L-1碱浓度下均高于对照，在60 mmol·L-1、90 mmol·L-1碱浓度下均低于对照，但叶片蒸腾速率(Tr)差异不显著，叶片气孔导度(Gs)除在30 mmol·L-1碱浓度下显著高于对照外，在60 mmol·L-1、90 mmol·L-1碱浓度处理下差异不显著。

2.3 混合碱胁迫对大豆干物质的影响

干物质是产量形成的重要基础，由图1可见，碱胁迫后2个大豆品种干物质变化趋势相同，均为先降低后升高再降低，但吉育256在各个胁迫浓度下干物质重量均显著低于对照，在90 mmol·L-1碱浓度下达到最低值，相比对照下降45.92%；杂交豆5号干物质重量均显著高于对照，且在60 mmol·L-1碱浓度下达到最大值，相比对照增加35.68%。

图1 不同浓度碱胁迫对大豆地上干物质的影响

2.4 混合碱胁迫下大豆各性状间相关分析

对混合碱胁迫下大豆11个性状进行相关性分析。从表3可以看出，干物质与各性状的相关系数按绝对值大小排序为可溶性糖含量(0.982)>SOD活性(0.977)>Ci(-0.971)>MDA(-0.970)>CAT(0.918)>Tr(0.909)>Gs(0.878)>Pn(0.858)>脯氨酸含量(0.661)>SPAD(0.488)，除了脯氨酸含量和SPAD值与干物质没有显著相关性外，干物质与其他性状均呈极显著相关水平。SPAD值除与气孔导度(Gs)达到显著相关外，与其他指标均没有显著相关，脯氨酸与各性状之间均未达到显著相关水平，其余各性状之间均呈极显著相关水平。

表3 混合碱胁迫下各性状与干物质的相关系数

注：“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平上相关显著。下同。

表4 混合碱胁迫下各性状相关系数的通径分析

由表4可以看出，各性状对干物质重量的正向作用大小顺序为可溶性糖含量(1.061)>MDA含量(0.489)>Gs(0.333)>CAT活性(0.330)>SOD活性(0.199)>脯氨酸含量(0.091)>SPAD值(0.020)>Ci(-0.074)>Pn(-0.278)>Tr(-0.288)，除Ci、Pn和Tr对干物质重量没有直接的积极作用，其余性状均对干物质重量有直接的积极作用。净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)直接系数虽为负值，但间接系数分别为1.138和1.196，主要是通过其他性状间接对干物质重量产生积极作用。

3 结论与讨论

在植物正常生长状态下，植物的非酶抗氧化剂和抗氧化酶组成的抗氧化防御系统会轻易把植物本身产生存在的叶绿体和线粒体中的活性氧清除[20]，但当培养液或土壤中存在抑制植物正常生长因素过多时，会导致植物抗氧化防御系统遭到破坏，产生过量的活性氧来诱导氧化应激，其中，活性氧包括单个氧、超氧化物、过氧化氢等[20-21]。SOD是抗氧化系统控制活性氧的第一道防线，它可以使有毒的超氧化物转化为毒性较轻的过氧化氢[23-24]，CAT和过氧化物酶(POD)转化H2O2为H2O和O2，帮助植物细胞防止氧化损伤[25]。本研究显示，随着碱浓度的增加，吉育256 SOD活性和CAT活性均显著低于对照，杂交豆5号在30 mmol·L-1盐浓度处理下CAT活性显著高于对照，其余2个处理变化均不显著，SOD活性在60 mmol·L-1、90 mmol·L-1盐浓度处理下显著高于对照，说明高浓度的盐处理使常规大豆品种的抗氧化系统遭到破坏，但对杂交大豆影响较小，尤其是SOD活性，在高碱处理下活性显著增强，提高了清除活性氧的能力。MDA是膜脂过氧化的终产物，是用来衡量膜质过氧化程度的指标之一，大量学者研究表明，植物叶片MDA含量随盐浓度升高而增加[26-27]，本研究显示，吉育256叶片MDA含量均高于对照，说明碱胁迫导致膜质过氧化；而经盐胁迫处理的杂交豆5号叶片MDA含量却低于对照，且差异显著，这与赵俊香等[28]研究结果相似。脯氨酸和可溶性糖均作为细胞内渗透调节保护剂，部分学者认为，在逆境条件下多种植物会累积脯氨酸[29-30]，本研究结果显示，在碱处理下，吉育256叶片脯氨酸含量均低于对照，杂交豆5号除在30 mmol·L-1碱浓度下显著高于对照外，其余两浓度也均低于对照，这与前人研究结果不同。杂交豆5号叶片可溶性糖含量在60 mmol·L-1、90 mmol·L-1碱浓度下显著高于对照，而吉育256叶片可溶性糖含量在各个碱处理浓度下均低于对照。

植物生长通过光合作用产物的积累实现，光合系统的正常运转是植物生长发育的保障[31]。净光合速率是鉴定植物耐盐碱性的重要指标，它可直接反映植物光同化能力。本研究表明，吉育256与杂交豆5号叶片净光合速率(Pn)均低于对照，与郭金博等[32]研究结果一致。吉育256叶片胞间CO2浓度(Ci)均显著高于对照，杂交豆5号呈现相反趋势。两品种叶片蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)除杂交豆5号在30 mmol·L-1碱浓度下高于对照外，其余处理均低于对照，与赵海燕等[33]研究结果略有不同，与王庆惠等[34]研究结果基本一致。碱胁迫下大豆各性状的相关分析与通径分析显示，除SPAD值和脯氨酸含量外，其余各性状之间均存在极显著相关水平，除胞间CO2浓度(Ci)、净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)外。其余性状均对干物质重量有直接的积极作用，净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)直接系数虽为负值，但均通过其他性状间的相互协调作用间接影响干物质的形成。

综上所述，碱分胁迫不同程度的影响了大豆养分吸收，吉育256除MDA含量升高外，其余所有指标均降低，杂交豆5号SOD活性、CAT活性、可溶性糖含量、SPAD值均升高，其他指标均有不同程度下降，且下降程度小于吉育256。30 mmol·L-1浓度的碱性盐对耐碱型大豆生长具有一定的促进作用，对碱敏感型大豆抑制不明显，光合速率下降的原因可能是气孔限制，在60 mmol·L-1碱性盐胁迫浓度下，碱敏感型大豆品种各指标均低于对照，对耐碱型大豆各指标影响各有不同，此浓度可能为大豆耐碱性胁迫的临界点，在90 mmol·L-1浓度碱性盐胁迫下对大豆幼苗存在很大影响，光合速率下降的原因可能是非气孔限制，耐碱型品种对盐胁迫的适应能力强于碱敏感品种。碱分胁迫对杂交豆5号的影响程度小于吉育256，同时凸显杂交种在抗逆性方面的杂种优势。同时，本研究认为，生理特性和光合作用可作为大豆品种耐盐性的重要指标，盐碱地种植大豆应选用碱浓度低于60 mmol·L-1的耕地，同时避免使用胞间CO2浓度(Ci)、净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)能力差的品种，可有效提高盐渍土地利用，增加大豆产量。