大豆抗旱性鉴定、评价方法研究进展

李 丹，靳鲲鹏，李小霞，曹晋军，韩文清，刘永忠，李万星

（山西农业大学 谷子研究所，山西 长治 046011）

干旱是全世界范围内普遍发生的一种气象灾害，也是制约农业生产的一个重要因素。山西省地处黄土高原东部，属于半干旱地区，旱地面积占山西省总耕地面积的近80%。此外，山西省常年呈现降水量少、蒸发量大、年降水变化大、季节分配不均的气候特点，对农业生产的影响主要表现为水资源总量严重匮乏、降水与作物需水不同步、旱情发生频率高。因此，干旱是限制山西省农业发展的一个主要生态因子[1-2]。随着温室效应加剧，全球气候会变暖，未来干旱可能变得更加频繁和严重[3-4]。

大豆整个生长发育阶段需水量较多，植株根系不发达，叶片蒸腾系数高，且对缺水较为敏感，每年因干旱造成损失、减产严重[5-6]。当前，灌溉条件远远不能满足农业生产需求。选育抗旱品种、提高作物抗旱性是抗旱研究的突破点，同时也是一种经济、有效的方法[7]。种质资源是培育优良、抗旱品种的基础和保障，种质资源研究和有效利用，对于奠定现有大豆品种的遗传基础和培育突破性品种具有重要意义。

笔者在国内外学者对大豆抗旱研究的基础上，对大豆抗旱性鉴定筛选及评价方法进行总结，从而为大豆种质抗旱研究提供理论支撑和帮助。

1 大豆种质抗旱性鉴定方法

目前，大豆抗旱性鉴定的方法主要有3种，分别是田间自然干旱条件鉴定、人工控制水分条件鉴定及实验室鉴定。

1.1 田间自然干旱条件鉴定

田间鉴定主要有两种方法，一种是将鉴定品种直接种植于降水量小于500 mm 地区的田间，利用自然干旱条件造成水分胁迫，并用人工灌溉作为对照；另一种是将鉴定品种种植在不同生态地区，利用天然降水量差异形成的不同水分状况进行多点试验。该方法的优点是简单易行，鉴定结果接近实际生产情况；缺点是由于年际间自然降水量变化较大，结果不具备重复性，需要较长的时间才能评价一个结果，同时对灌溉条件有一定的要求[8-9]。

1.2 人工控制水分条件鉴定

人工控制水分条件鉴定是将大豆种植在干旱棚、生长箱或人工气候室内，在温度、湿度及光照可控的条件下进行干旱胁迫，对一系列指标进行测定与评价。该方法优点是易于控制试验条件、重复性好、结果可靠，缺点是需要一定的设备且能源消耗大、处理样品数量有限、试验结果与大田表现存在一定的差异。

1.3 实验室鉴定

实验室鉴定法可突破大豆生育期长、测定周期长的限制，在各个生育时期均可进行鉴定。但是实验室鉴定结果与大田的抗旱性情况存在一定差异。常见的实验室鉴定方法包括水培模拟法、高渗溶液胁迫法等，高渗溶液胁迫法应用更为广泛。常见的高渗溶液有蔗糖溶液、聚乙二醇溶液、甘露醇溶液、生理盐水等。利用高渗溶液对植株进行脱水处理、模拟干旱条件并测定抗旱指标[10-11]。

2 常见的鉴定指标

2.1 农艺性状鉴定指标

干旱对大豆农艺性状的影响较大。干旱条件下，大豆株高、百粒重降低，主茎节数、分枝数、单株荚数减少。大豆单株产量、单株粒数和单株荚数等3个指标可作为大豆成株期抗旱性的指标。祁旭升等[12]对77个来自不同地区的大豆品种进行干旱胁迫，成株期分别对株高、有效分枝数等8个性状进行测定，结果表明，干旱胁迫使株高、百粒重降低，生物产量、单株产量下降，有效分枝数、单株荚数、荚粒数减少。乔亚科等[13]研究发现，干旱胁迫条件下，形态指标中的单株荚数、单株粒数和单株粒重与抗旱性联系密切。张彦军等[14]对246份大豆种质资源进行田间自然抗旱鉴定，结果与祁旭升等[12]、乔亚科等[13]的结果一致，抗旱性与株高、主茎节数、单株荚数、单株粒数、单株粒重、单株生物量等6个农艺性状指标呈显著正相关。

2.2 冠层萎蔫指数

在大豆整个生育期，田间材料有20%～30%的植株表现出萎蔫现象开始统计萎蔫指数。将萎蔫指数分为6级：无萎蔫、轻微萎蔫（个别植株出现萎蔫）、萎蔫（1/2 或较多的植株出现萎蔫）、明显萎蔫（多数植株出现萎蔫）、严重萎蔫（叶片有灼伤或大部分叶片卷曲）、完全萎蔫（叶片黄化、褐化、大部分叶片干枯、死亡、脱落）。为了筛选出缓慢萎蔫基因型品种，每隔3～5 d 观测记录1次，观测时应避免10：00 之前观测时存在的萎蔫情况[15-16]。

2.3 大豆根系形态指标

根作为直接感受胁迫的器官，与大豆抗旱能力有直接关系[17]。根长、侧根数、根表面积、根体积4个指标可作为根系形态鉴定的指标。汪桂凤[18]对62个大豆品种的根系形态进行研究，结果表明，根长、侧根数、根表面积、根体积、根冠比与萎蔫指数呈显著负相关，与根平均直径呈显著正相关。闫春娟等[19]研究发现，根的表面积越大、相对根生物量越多，大豆有效抵御干旱胁迫能力越强。魏曼娜[20]测定了72个大豆品种不同生育期的根系状况，结果表明，不同大豆品种的根长、根表面积、体积、根尖数在鼓粒期最大，且与干旱胁迫呈负相关；抗旱品种的根干重、根冠比、根系活力大于不抗旱品种。韩新华等[21]研究发现，随着干旱胁迫程度的增加，不同抗旱大豆品种的总根长、根总面积、根体积及根冠比总体呈增加趋势。

2.4 大豆发芽指标

大豆发芽率、发芽势等种子发芽相关指标可以作为大豆抗旱性评价的指标。大豆种子48 h 发芽率是抗旱性鉴定的方法之一。袁野等[22]测定了109份大豆材料48 h的发芽率，按照发芽率进行抗旱分级，并在大豆的萌发期、营养生长期和生殖生长期对发芽率抗旱等级进行验证，结果表明，48 h 发芽率与抗旱性密切相关，并与后期胁迫结果一致。王利彬等[23]采用15%的PEG-6000溶液对91份大豆材料进行胁迫，对种子的发芽势、发芽率、胚根长及下胚轴长度进行测量，并根据隶属函数值筛选出抗旱型品种6份、较抗旱型品种12份。

2.5 生理生化指标

2.5.1 光合系统 许多学者研究发现，干旱胁迫条件下，叶片含水量降低，大量气孔关闭，CO2和水蒸气进出受阻，酶活性降低，叶绿素合成速度减缓，光合作用减弱，从而影响作物干物质的积累和产量的形成。因此，光合作用的强弱可作为判定植物抗旱能力的指标[24]。其中，净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、叶绿素含量、光合酶活性是光合作用的主要影响因素[25]。王明泽[24]研究发现，在干旱胁迫条件下，大豆叶片的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率均降低。抗旱性强的品种净光合速率、气孔导度降低幅度小，蒸腾速率降幅大，不抗旱品种正好相反。汪桂凤[18]得到的结果与王明泽[24]的研究结果一致。谭春燕等[26]研究发现，叶片水分利用效率较高的植株具有更高的抗旱性。

2.5.2 渗透压调节物质 常见的渗透压调节物质包括可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸。干旱条件下，植物通过降低细胞的渗透势来保护细胞膜结构的完整性，从而提高抗逆能力，故渗透压调节物质是重要的抗逆生化指标。其中，脯氨酸表达稳定，可作为抗旱指标[27]。赵振宁等[28]在干旱胁迫条件下对3个大豆品种的渗透压调节物质进行测定，结果表明，3个品种的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量均明显上升，且黄豆（野生种）增加的幅度明显高于其他2个品种，表明大豆具有更强的抗旱性。这与许兴等[29]的研究结果一致。但是，可溶性糖、可溶性蛋白等渗透压调节物质作为大豆抗旱指标的研究也存在不同的结果，董娜等[30]研究发现，随着干旱程度的加剧，大豆的可溶性糖含量先增加后降低，可溶性蛋白含量降低，脯氨酸含量升高。因此，为了避免造成结果的不确定性，在进行大豆抗旱性研究时应选稳定的渗透压调节物质作为抗旱指标。

2.5.3 内源激素 植株受到干旱胁迫时，体内会产生多种内源激素来调控植株的生长发育，其中脱落酸（ABA）是研究较多的一种。植株受到干旱胁迫时，体内产生大量的脱落酸。脱落酸会使植物叶片生长受到抑制、气孔关闭，根系吸收水分能力提高，使植物更适应逆境环境。故可将内源激素中的脱落酸作为一个抗旱指标[31-32]。李建英等[33]研究表明，在苗期对大豆进行干旱胁迫，大豆叶片内赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）的含量增加，玉米素核苷（ZR）、生长素（IAA）含量降低。刘浩然[34]对大豆抗旱品种和敏感品种进行胁迫研究，结果表明，大豆的脱落酸含量分别增长了10倍及4.6倍，茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）含量略有下降。

2.6 大豆抗旱基因表达

植物抗旱基因根据功能可划分为功能基因与调节基因两大类。功能基因可在逆境条件下编码相关蛋白直接保护植物，调节基因编码的蛋白在相关途径中起调节作用。功能基因主要包括渗透物调节基因、活性氧清除相关基因及保护生物大分子的活性基因；调节基因包括抗旱调节基因及转录因子、蛋白激酶类信号因子等[35]。WRKY 是植物中最大的转录因子家族之一，王岩岩等[36]从野生大豆中克隆得到GsWRKY57 基因，该基因在大豆叶片中表达丰度较高，受干旱等逆境诱导表达。可将GsWRKY57 作为判断抗旱指标。张春兰等[37]以抗旱大豆品种为材料，对干旱胁迫响应基因（BADH1、GmDREBa、GmDREBb和GmERF3）表达情况进行分析，结果表明，这4个基因相对表达量随胁迫时间的延长均表现为先升高后降低的趋势。

3 大豆抗旱性评价方法

大豆的抗旱性通过抗旱鉴定的指标表示出来，包括农艺性状指标、根系形态指标、生理生化指标和抗旱基因指标。一般来说，单一评价指标可靠、简单，可以快速地评价品种的抗旱性，但是不能综合反映一个品种的抗旱性。大豆抗旱性是许多相关的数量性状和质量性状基因积累组合互作的结果。因此，为了全面准确评价、筛选抗旱品种，多采用综合评价法。

3.1 直接评价

直接评价法是以单株产量指标为依据进行评价，该方法简单易行，结果较为可靠[12]。常见的包括敏感指数、伤害系数、抗旱系数、抗旱指数等方法。

3.2 综合评价

综合评价是综合几个不同的指标进行评价，可以弥补单个指标的局限性，常见的综合评价法包括隶属函数法、平均抗旱系数法、灰色关联分析法等。

3.2.1 隶属函数法 隶属函数法是将不同品种的多个抗旱指标的隶属值进行累加，求其均数，并进行比较，以评价不同品种的抗旱性[28]。隶属函数法应用广泛，该方法虽然烦琐，但结果可靠。

当某一指标与抗旱性成正相关性时，隶属值=（某一指标某个品种的相对值-某一指标的最小值）/（某一指标最大值-某一指标最小值）；当某一指标与抗旱性呈负相关时，隶属值=[1-（某一指标某个品种的相对值-某一指标的最小值）]/（某一指标最大值-某一指标最小值）。

3.2.2 平均抗旱系数 平均抗旱系数（ADC）是将各性状的抗旱系数累加求其平均值。平均抗旱系数越大，品种抗旱能力越强。根据抗旱系数的大小、抗旱分级标准可将材料分为5个级别：耐、较耐、中耐、较敏感、敏感[38]。

3.2.3 灰色关联分析法 该方法可以将各品种与鉴定指标进行关联分析，并衡量各品种及鉴定指标的关联程度。首先将反映系统行为特征序列及影响系统行为的序列确定为参考数列和比较数列，其次对两个数列进行无量纲化处理，最后求参考数列与比较数列的灰色关联系数ξ、关联度ri[39-41]。具体公式如下

式中，ri为灰色关联度；n表示品种数；ξi（k）为关联系数；i表示品种数。

4 讨论

为了全面、准确地评价一个大豆品种的抗旱性，应从形态指标、农艺性状、生理生化指标分别选取多个指标进行综合评价。选取的评价指标越多，鉴定结果越可靠。但是，当鉴定的大豆种质批量较大时，应综合考虑鉴定效率、结果准确性选取评价指标。将评价指标与大豆的生育期相结合进行大豆抗旱性鉴定是一种科学合理的方法。例如萌发期可将发芽率作为主要的鉴定指标，苗期可选取根系指标、生理生化指标，成熟期可将农艺性状指标作为重点。