不同铁利用效率大豆品种在石灰性土壤中抗氧化酶活性的差异

包悦琳 陈 鸽 王婷婷 张 伟 金东淳*

(1.延边大学 农学院，吉林 延吉133000；2.吉林省农业科学院 大豆研究所，长春 130000)

铁是植物生长发育中所必需的微量营养元素。虽然土壤中铁的丰度很高，但其生物有效性非常低，特别是在碱性石灰性土壤中，其高pH和高重碳酸盐含量严重降低了土壤中铁的有效性。据报道，全世界大约40% 的耕地面积潜在性缺铁[1-3]。由于缺铁导致叶绿素生物合成受阻，造成植物缺铁黄化症(IDC)，进而造成幼嫩叶片黄化、减少叶片面积、茎和根的干重[4]，最终造成作物的产量减少。

植物缺铁失绿是一个普遍的植物营养失调问题[5]，不同作物对缺铁敏感程度存在差异。与水稻和小麦等禾谷类作物相比，大豆对缺铁反映特别敏感[6-7]，特别是在干旱和半干旱地区的石灰性土壤中。大豆在苗期对缺铁尤为敏感，缺铁条件下大豆地上部幼叶脉间失绿,叶脉正常,失绿均匀,无斑,无畸形,随着时间推移,病叶最后干枯；地下部根系发育较差,生长不良,根短而细少,根瘤数量较少，进而导致减产；严重时植株早期枯萎和死亡[8]。

铁元素在植物生长中起着非常重要的作用，是很多抗氧化酶不可或缺的组成部分或辅助因子，如过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽还原酶(GR)和含铁超氧化物歧化酶(Fe-SOD)[15]。缺铁或铁过量都会导致植株氧化胁迫，铁还是固氮酶中钼蛋白和铁蛋白的组成部分，是豆科植物固氮所必需的。在高等植物的光合作用中，铁氧还蛋白是光合电子传递链上的重要物质，也是植物体许多基本代谢过程中的电子传递体，是电子传递发生的重要代谢过程[9-10]。研究植物铁吸收机理在提高植物铁吸收率和抗低铁胁迫能力进而提高作物产量方面具有重要意义。目前，对模式作物的铁吸收生理机制研究报道已经很多[11-12]，缺铁对抗氧化防御体系的影响已经得到广泛关注[13-14，16]，但是对于大豆缺铁胁迫的生理机制还不明确，特别是在缺铁条件下大豆抗氧化酶研究，很难反映其普遍性。

石灰性土壤中，喷施叶面肥能改良大豆缺铁黄化，但成本高。因而从基因型角度，选育铁高效大豆品种，是解决石灰性土壤中大豆缺铁的关键措施。目前，针对不同品种间对铁吸收机理的研究鲜有报道。本研究以多个铁高效与铁低效大豆品种为试验材料，分析生理指标与缺铁表型之间的关系，旨在探讨不同铁利用效率大豆品种的抗氧化酶活性的差异，以期为选育抗缺铁大豆品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2019年在延边大学温室内进行，试验采用盆栽方法，供试材料为已被确定的4个铁高效大豆品种(‘吉育99’、‘吉育75’、‘长农15’、‘长农20’)和4个铁低效品种(‘吉农27’、‘吉育87’、‘吉育92’、‘吉育93’)。分别在塑料桶(顶部直径为33 cm，底部直径为23 cm，高度为30 cm的塑料桶)中装15 kg供试土壤，每盆播种1穴，每穴2粒，3次重复。盆内石灰性土壤施大豆复合肥，按着干土中施用纯氮0.2 g/kg，共施17.6 g/盆，其中含N 2.992 g，P2O52.992 g，K2O 2.992 g。石灰性土壤为缺铁胁迫，铁含量为3.34 mg/kg。喷施微量元素叶面肥(喷施硼酸16.1 mmol/L，硫酸锰13.2 mmol/L，硫酸铜0.625 mmol/L，硫酸锌3.1 mmol/L，钼酸铵1.02 mmol/L)。

1.2 试验设计

供试大豆在苗期和生殖生长前期受缺铁影响较大，测定时期为一叶期(V1)、二叶期(V2)、三叶期(V3)、四叶期(V4)、始花期(R1)和盛花期(R2)。取相同部位的新鲜叶片测定各项目，重复3次取平均值，在植物生长期间定时、定量浇水，常规栽培管理。取相同部位的新鲜叶片测定其叶绿素含量(SPAD值)和抗氧化酶活性[17-18]。

1.2.1大豆叶片叶绿素含量测定

叶绿素含量是用SPAD-502型手持叶绿素仪(日本柯尼卡美能达公司)测定相同部位完全展开的新鲜叶片的SPAD值，取3次读数的平均值供分析。

1.2.2大豆抗氧化酶活性测定

在大豆不同发育时期，分别取0.5 g新鲜叶片测定抗氧化酶活性。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性测定采用氮蓝四唑法(NBT)[19]；过氧化物酶(Peroxidase，POD)活性测定采用愈创木酚法[20]；过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性测定采用紫外分光光度计法[21-22]。

1.2.3农艺学性状测定

在成熟期，分别随机选取3株大豆植株，分析单株荚重、株高、生物量、百粒重和籽粒含铁量等产量性状。

1.2.4数据分析

用Excel 2007整理试验数据，SPSS 17.0软件进行单因素方差分析，并进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同铁效率大豆品种主要农艺性状及籽粒含铁量差异

由表1可知，不同铁效率大豆在石灰性土壤中，受到缺铁胁迫，导致大豆生长过程中无法从环境中获取能被吸收利用的Fe2+，进而阻碍大豆器官的形成，最终影响大豆产量，如单株粒重、籽粒含铁量、株高和单株荚重等。铁高效品种株高、生物量、籽粒含铁量、百粒重、单株荚重和单株粒重显著高于铁低效品种。铁高效大豆品种铁含量高于铁低效品种，在缺铁的石灰性土壤中，对铁的利用率高。在本试验中，铁高效品种籽粒含铁量高于铁低效品种，籽粒含铁量可以作为石灰性土壤中不同铁效率大豆的划分依据。根据本试验不同铁效率大豆品种的农艺性状及籽粒含铁量，将供试大豆品种对铁的利用率由高到低排序为‘吉育75’>‘吉育99’>‘长农15’>‘长农20’>‘吉育93’>‘吉育92’>‘吉育87’>‘吉农27’。

表1 石灰性土壤中8个大豆品种农艺性状及籽粒含铁量差异

2.2 石灰性土壤中不同铁效率大豆品种的叶绿素含量变化

由表2可知，在石灰性土壤中，通过6个时期的比较分析，铁高效品种叶片中叶绿素含量高于铁低效品种，V1～R2时期差异显著。随着生育时期的延长，不同铁效率大豆叶绿素含量呈现上升趋势，V1～V4时期铁高效品种叶绿素含量显著高于铁低效品种，在R1时期，铁高效品种‘吉育99’与铁低效品种‘吉育92’叶绿素含量差异不显著(P>0.05)。R2时期，铁高效品种‘吉育75’，‘长农15’，‘长农20’与铁低效品种‘吉育92’叶绿素含量差异差不显著(P>0.05)。

表2 不同铁效率大豆品种不同发育时期叶绿素含量(SPAD)变化

2.3 石灰性土壤中不同铁效率大豆品种的抗氧化酶活性变化

由表3可知，在石灰性土壤中，不同铁效率大豆叶片中SOD含量呈现先降低再升高的趋势，铁高效品种叶片中SOD酶活性显著高于铁低效品种。在V4时期SOD酶活性最大，整体在R2时期下降，但铁高效品种‘吉育75’酶活性上升，石灰性土壤苗期大豆植株SOD酶活性苗期反应一致，但进入生殖生长期(R1时期)，铁高效品种‘长农20’、‘吉育99’和铁低效品种‘吉育87’、‘吉育93’、‘吉农27’、‘吉育93’呈现下降趋势。

表3 不同铁效率大豆品种不同发育时期超氧化歧物酶(SOD)活性变化

由表4可知，在石灰性土壤中，铁高效大豆品种叶片的POD酶活性显著高于铁低效品种，随着生育时期的延长，V2、R1时期呈现上升趋势，但铁高效品种‘吉育75’在V2时期酶活性下降；在R1时期，铁低效品种‘吉农27’与其他品种POD酶活性趋势不一致。通过6个时期的比较分析，R1时期POD酶活性呈上升趋势，含量最高，铁高效品种‘吉育75’酶活性显著高于其他品种。

表4 不同铁效率大豆品种不同发育时期过氧化物酶(POD)活性变化

由表5可知，在石灰性土壤中，不同铁效率大豆CAT活性呈现先升高后下降的趋势，铁高效品种CAT酶活性显著高于铁低效品种；V2时期铁低效品种CAT酶活性上升，铁高效品种‘长农20’、‘长农15’、‘吉育75’的CAT酶活性下降，‘吉育99’酶活性上升；V3时期，铁高效品种‘长农15’酶活性下降，铁低效品种‘吉育87’与‘吉农27’酶活性下降，与其他大豆品种反应不一致；V4、R2时期CAT酶活性，呈现上升趋势，V4时CAT酶活性高于其他生育时期，‘长农15’在铁高效品种中CAT酶活性最高，‘吉育93’在铁低效品种中CAT酶活性最高。

表5 不同铁效率大豆品种不同发育时期过氧化氢酶(CAT)活性变化

3 讨论与结论

活性氧在植物体内的清除由保护酶和抗氧化物质来完成。保护酶主要是超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)等。植物在缺铁胁迫时，植物通过一系列生理过程变化和植株形态变化来躲避或减轻胁迫对自身的伤害。本研究结果表明，石灰性土壤中，大豆植株遭受低铁胁迫，也受到高pH的协同作用，石灰性土壤中铁低效大豆株高、生物量、单株荚重和百粒重显著低于铁高效品种。Iturbe等[23]研究发现，豌豆品种在低铁胁迫下，导致体内活性氧增加，叶片的叶绿素含量下降。本研究发现，在V2与V3时期，铁高效与铁低效大豆品种叶片叶绿素含量差异显著，铁低效品种呈上升趋势；铁高效品种在V1～R2时期叶片叶绿素含量显著高于铁低效品种，说明在石灰性土壤中，铁高效大豆品种耐受低铁胁迫的能力强于铁低效品种。

在本研究中，铁高效大豆品种叶片的氧化酶活性和叶绿素含量显著高于铁低效品种，由此推测在石灰性土壤中，铁低效大豆由于不能激活铁吸收机制，将遭受更严重的氧化损伤；而铁高效大豆品种由于可产生一系列抗氧化生理反应，使Fe3+转化为Fe2+可被吸收利用，能适当激活ROS清除酶，导致氧化应激反应降低。袁庆华等[23]研究结果表明，缺铁胁迫下，紫花苜蓿叶片SOD先升高再降低；Yadavalli等[25]研究结果表明，在缺铁胁迫下，水稻叶片SOD活性显著增加。石灰性土壤中由于缺铁胁迫，不同铁效率大豆品种叶片的SOD酶活性均先降低后上升，随着生育时期的延长，铁高效大豆植株中SOD酶活性增加，原因可能是由于不同作物对缺铁反应的不同。徐根娣等[26]研究发现，铁胁迫条件下大豆POD酶活性增加，与本试验研究结果一致。在石灰性土壤中，缺铁胁迫使大豆植株的抗氧化酶活性增强，使细胞免受外界损伤；不同铁效率大豆品种间，变化趋势不一致，说明在缺铁的石灰性土壤中铁高效品种耐受性强于铁低效品种，在缺铁的石灰性土壤中高铁的高效利用率也就意味着高产。