绿豆不同生长时期理化指标变化与产量的关系

2021-02-07郝曦煜肖焕玉王英杰马信飞刘婷婷郭来春梁杰

作物研究 2021年1期

郝曦煜，肖焕玉，王英杰，马信飞，刘婷婷，郭来春*，梁杰

（1白城市农业科学院，吉林白城 137000；2吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，长春 130033）

禾谷类和豆类植物种子的贮藏物质以淀粉和蛋白质为主，主要源自营养器官的输入。植物营养贮存的主要形式是可溶性糖和淀粉等碳水化合物，由光合作用吸收光能进行转化。光合色素是植物吸收光能的受体，可分为叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素（藻类）三类［1］。McDonald等指出，叶片光合速率与作物产量密切相关［2］。在栽培管理适宜的条件下，叶片光合速率与作物产量呈正相关［3，4］。在农业生产中，不适宜的环境如干旱、高温、盐碱等是影响作物产量和品质的重要因素。植物的抗逆性越强，环境对产量的影响越小。植物的抗逆性可通过渗透能力大小、光合作用强弱、活性氧的积累与清除以及激素平衡是否改变等进行判定。高小丽认为，高产绿豆品种（系）在花荚期SOD活性较高而MDA含量较低；其叶片结构衰老缓慢，生育后期仍保持较高的叶绿素含量和光合速率；其根系活力较高且后期衰退较慢，到完熟期较低产品种（系）高3～5倍［5］。郝建军等认为POD活力、SOD活性、可溶性糖含量、丙二醛含量和电导率等5项指标可作为鉴定抗旱性的生理指标［6］。经不同浓度PEG干旱胁迫验证以上指标可用于绿豆（Vigna radiate L.）及其他豇豆属（Vigna）作物的抗旱性［7，8］。于崧等认为光合速率、相对电导率和可溶性糖含量等可作为鉴定绿豆耐盐碱性的指标［9］。

我国绿豆的种植主要集中在东北、华北、西北地区，环境恶劣，多为干旱及半干旱地区，自然环境条件较差［10］。如吉林省白城市是我国绿豆的主产区［11］，虽然空气质量优良，年日照时数较长，但气候干燥，土壤盐碱化较重，亟需培育产量高、抗逆性强的绿豆品种［12，13］。而绿豆是闭花授粉作物，系谱法是常用的育种方式，育种周期较长。因此，采用简便、快捷的方法预估品种的产量及抗逆性十分必要。本试验在相同的栽培条件下采取4个绿豆品种不同时期的叶片和根系测定超氧阴离子（）产生速率、相对电导率、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性、脱落酸（ABA）含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量、叶绿素含量、类胡萝卜素含量、光合速率及根系活跃吸收面积，并于成熟后测定产量，探索绿豆不同时期理化指标变化与产量的关系，以期对绿豆育种工作提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选用吉林省白城市农业科学院培育的白绿9号（V1）、白绿11号（V2）、大鹦哥绿935（V3）、大鹦哥绿985（V4）4个绿豆品种。

1.2 试验方法

试验设于白城市农业科学院温室，采用塑料桶种植，桶直径30 cm，面积0.28 m2，每个处理种植6桶，每桶留苗10株，分别于苗期、花期和成熟期取功能叶片和根系测定各生理指标，重复3次。

采用羟胺法测定超氧阴离子产生速率；采用电导法测定相对电导率；采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）含量；采用NBT还原法测定超氧化物歧化酶（SOD活性（氯化硝基四氮唑蓝光还原法）；采用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性；采用酶联免疫法（ELISA）测定ABA含量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；采用酸性茚三酮法测定脯氨酸含量；采用丙酮法测定叶片光合色素含量；采用氧电极法测定光合速率；采用甲烯蓝吸附法测定根系活跃吸收面积［14］。

1.3 数据处理与统计分析

采用Excel 2019和SPSS 22进行试验数据处理与统计分析。

2 试验结果

2.1 不同时期绿豆理化特性变化

图1 不同时期绿豆叶片产生速率的变化Fig.1 Changes of formation rate of mung bean l eaves in different periods

2.1.2 不同时期绿豆叶片细胞膜透性的变化

由图2可知，不同时期绿豆叶片相对电导率变化趋势与品种有关，不同品种的变化不同，且同品种、不同时期的相对电导率变化不显著。V1的相对电导率随生育进程的推进逐渐上升；V2则与V1相反，呈逐渐下降趋势；V3表现为先升后降；V4表现为先降后升。苗期相对电导率较低的品种，花期、成熟期的相对电导率较之升高，而苗期相对电导率较高的品种，花期、成熟期的相对电导率较之降低。生育期内相对电导率最大值为23.8%（V4苗期），最小值为11.6%（V1苗期）。

2.1.3 不同时期绿豆叶片丙二醛（MDA）含量的变化

由图3可知，随生育进程的推进，各品种绿豆叶片MDA含量均为先降后升，其中V1、V3苗期MDA含量高于成熟期，V2、V4苗期MDA含量低于成熟期。绿豆花期MDA含量极显著低于苗期和成熟期，而V2不同时期的MDA含量差异极显著。生育期内MDA含量最大值为61.4 nmol／g（V4成熟期），最小值为3.3 nmol／g（V3花期）。

图3 不同时期绿豆叶片MDA含量的变化Fig.3 Changes of MDA content of mung bean leaves in different periods

2.1.4 不同时期绿豆叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性的变化

由图4可知，随着生育进程的推进，各品种绿豆叶片SOD活性变化均为先降后升，表现为成熟期＞苗期＞花期。其中V4不同时期的SOD活性差异显著，V2、V3成熟期的SOD活性显著高于苗期和花期，V1各时期差异不显著。生育期内SOD活性最大值为1 140.0 U／g（V4成熟期），最小值为291.4 U／g（V3花期）。

图4 各时期不同绿豆品种SOD活性的变化Fig.4 Changes of SOD activity of mung bean in different periods

2.1.5 不同时期绿豆叶片过氧化物酶（POD）活性的变化

由图5可知，随着生育进程的推进，绿豆叶片POD活性逐渐升高，且成熟期POD活性极显著高于苗期、花期。苗期、花期品种间差异不明显；成熟期V2的POD活性显著高于其它3个品种，表明成熟期该品种老化更快。生育期内POD最大值为2 426.2 U／g·min（V2成熟期），最小值为180.3 U／g·min（V3苗期）。

图5 不同时期绿豆叶片POD活性的变化Fig.5 Changes of POD activity of mung bean leaves in different periods

2.1.6 不同时期绿豆叶片ABA含量的变化

图6 不同时期绿豆叶片ABA含量的变化Fig.6 Changes of ABA content of mung bean leaves in different periods

由图6可知，随着生育进程的推进，各品种绿豆叶片ABA含量变化趋势不完全相同，V1、V3的ABA含量逐渐升高，V2、V4先降后升，且成熟期ABA含量高于苗期。V3、V4成熟期的ABA含量显著高于其他时期。生育期内ABA含量最大值为8 718.7 ng／g（V3成熟期），最小值为1 548.2 ng／g（V1苗期）。

2.1.7 不同时期绿豆叶片可溶性糖含量的变化

由图7可知，随着生育进程的推进，绿豆叶片可溶性糖含量先降后升，且成熟期可溶性糖含量显著高于苗期、花期，可能是因为生长末期植株体内酶活性降低导致可溶性糖不能转化。不同时期品种间可溶性糖含量差异不显著。生育期内可溶性糖含量最大值为12.7%（V2成熟期），最小值为2.8%（V2花期）。

图7 不同时期绿豆叶片可溶性糖含量的变化Fig.7 Changes of soluble sugar content of mung bean leaves in different periods

2.1.8 不同时期绿豆叶片脯氨酸含量的变化

由图8可知，随着生育进程的推进，绿豆叶片脯氨酸含量变化均表现为先降后升，且苗期＞成熟期＞花期，苗期脯氨酸含量显著高于花期。不同时期各品种脯氨酸含量均有较大变化，表明绿豆对环境变化较敏感。生育期内脯氨酸含量最大值为718.5 μg／g（V3苗期），最小值为47.5μg／g（V1花期）。

图8 不同时期绿豆叶片脯氨酸含量的变化Fig.8 Changes of proline content of mung bean leaves in different periods

2.1.9 不同时期绿豆叶片叶绿素含量的变化

由图9可知，绿豆叶片叶绿素含量随生育进程的推进先升后降，且花期叶绿素含量显著高于苗期、成熟期，各时期品种间叶绿素含量没有显著差异。叶绿素a、叶绿素b与叶绿素总量的变化趋势一致，均随生长发育表现出先升后降。生育期内叶绿素含量最大值为2.5 mg／g（V2花期），最小值为1.4 mg／g（V3苗期）。

图9 不同时期绿豆叶片叶绿素含量的变化Fig.9 Changes of chlorophyll content of mung bean leaves in different periods

2.1.10 不同时期绿豆叶片类胡萝卜素含量的变化

由图10可知，绿豆叶片类胡萝卜素含量随生育进程的推进先升后降，且花期类胡萝卜素含量显著高于苗期，成熟期类胡萝卜素含量高于苗期。除花期V2的类胡萝卜素含量显著高于同期其它品种之外，各时期品种间类胡萝卜素含量没有显著差异。这与叶绿素含量的变化趋势一致。生育期内类胡萝卜素含量最大值为0.mg／g（V2花期），最小值为0.26 mg／g（V3苗期）。

图10 不同时期绿豆叶片类胡萝卜素含量的变化Fig.10 Changes of carotenoid content of mung bean leaves in different periods

2.1.11 不同时期绿豆叶片光合速率的变化

由图11可知，不同时期绿豆叶片光合速率均表现为花期＞成熟期＞苗期。花期叶片光合速率显著高于苗期，与成熟期叶差异不显著，且不同时期品种间差异表现一致。生育期内叶片光合速率最大值为2.1μmol／m2·s（V4花期），最小值为0.9μmol／m2·s（V1苗期）。

图11 不同时期绿豆叶片光合速率的变化Fig.11 Changes of photosynthetic rate of mung bean leaves in different periods

2.1.12 不同时期绿豆根系活跃吸收面积的变化

由图12可知，绿豆根系活跃吸收面积随生育进程的推进逐渐下降，表现为苗期＞花期＞成熟期，且苗期显著高于其它2个时期，花期与成熟期差异不显著，各时期均为V1最高，V2最低。生育期内绿豆根系活跃吸收面积最大值为0.27 m2（V1苗期），最小值为0.04 m2（V2成熟期）。

图12 不同时期绿豆根系活跃吸收面积的变化Fig.12 Changes of root active absorption area of mung bean in different periods

2.1.13 不同时期绿豆理化指标的变化分析

绿豆不同时期理化指标测定结果表明：绿豆叶片不同时期的可溶性糖含量差异显著，表现为成熟期＞苗期＞花期；苗期的产生速率、脯氨酸含量显著高于花期；花期的MDA含量显著低于苗期、成熟期；成熟期SOD活性、POD活性、ABA含量显著高于苗期、花期；花期的叶绿素含量、类胡萝卜素含量显著高于苗期、成熟期；花期的光合速率显著大于苗期；苗期的根系活跃吸收面积显著高于花期、成熟期；不同时期的相对电导率差异不显著（表1）。

表1 不同时期绿豆理化指标的变化分析Table 1 Changes of physicochemical indexes of mung bean in different periods

2.2 绿豆叶片理化指标与产量的关系

2.2.1 绿豆苗期叶片理化指标与产量的关系

由表2可以看出，苗期绿豆ABA含量的变异系数最大，为48.3%，ABA含量平均值为3 996.3 ng／g，变异幅度为1 523.9～6 373.3 ng／g；相对电导率的变异系数次之，为41.4%，相对电导率平均值为16.9%，变异幅度为5.8%～31.2%；SOD活性、根系活跃吸收面积、脯氨酸含量、POD活性、光合速率、MDA含量、O-·2产生速率、可溶性糖含量、类胡萝卜素含量变异程度中等；叶绿素含量变异系数较小；产量变异系数最小，为6.0%，平均值为1 351.6 kg／hm2，变异幅度为1 234.8～1 451.7 kg／hm2。

将产量和苗期理化指标进行逐步回归分析，得到回归方程：

式中：Y—产量；X3—MDA含量；X6—ABA含量。

复相关系数为0.999，F检验显著，表明以上2个苗期理化指标共同影响了绿豆材料产量99.9%的变异。

由表3可以看出，不同绿豆品种产量和苗期理化指标相关顺序为可溶性糖含量（r＝0.861）＞根系活跃吸收面积（r＝0.693）＞MDA含量（r＝0.622）＞脯氨酸含量（r＝0.437）＞类胡萝卜素含量（r＝0.014）＞POD活性（r＝-0.119）＞产生速率（r＝-0.431）＞叶绿素含量（r＝-0.451）＞SOD活性（r＝-0.618）＞相对电导率（r＝-0.775）＞光合速率（r＝-0.835）＞ABA含量（r＝-0.945）。

由表4可以看出，苗期MDA含量和ABA含量对产量均有负直接效应，产量与2个理化指标的相关系数为0.999，表明产量与苗期理化指标相关可靠程度为99.90%。

因此，苗期可根据MDA含量和ABA含量为主，可溶性糖含量为辅进行田间选择。

表2 绿豆产量与苗期理化指标的变异分析Table 2 Variation analysis between yield and physicochemical indexes of mung bean at the seedling stage

表3 绿豆产量与苗期理化指标的相关分析Table 3 Correlation analysis between yield and physicochemical indexes of mung bean at the seedling stage

表4 绿豆产量与苗期理化指标的的通径分析Table 4 Path-coefficient analysis between the yield and physicochemical indexes of mung bean at the seedling stage

2.2.2 绿豆花期叶片理化指标与产量的关系

由表5可看出，花期绿豆MDA含量变异系数最大，为52.5%，平均值为9.6 nmol／g，变异幅度为2.7～17.5 nmol／g；ABA 含量变异系数次之，为50.4%，平均值为3 194.7 ng／g，变异幅度为1 369.0～6 494.8 ng／g；脯氨酸含量、可溶性糖含量、产生速率、根系活跃吸收面积、相对电导率、SOD活性、光合速率、类胡萝卜素含量、叶绿素含量、POD活性变异系数中等；产量变异系数最小，为6.0%，平均值为1 351.6 kg／hm2，变异幅度为1 234.8～1 451.7 kg／hm2。

将产量和花期理化指标进行逐步回归分析，得到回归方程：

Y＝107.22+149.28X7+1 111.75X10（r＝0.993，F＝37.34）。

式中：Y—产量；X7—可溶性糖含量；X10—类胡萝卜素含量。

复相关系数为0.993，表明以上2个理化指标共同影响了绿豆材料产量99.30%的变异。

由表6可以看出，POD含量与叶绿素含量表现出显著负相关。不同绿豆品种产量和花期理化指标相关性顺序为可溶性糖含量（r＝0.912）＞MDA含量（r＝0.83）＞光合速率（r＝0.782）＞POD活性（r＝0.702）＞叶绿素含量（r＝0.503）＞根系活跃吸收面积（r＝0.451）＞SOD活性（r＝0.319）＞类胡萝卜素含量（r＝-0.257）＞ABA含量（r＝-0.522）＞相对电导率（r＝-0.545）＞脯氨酸含量（r＝-0.609）＞产生速率（r＝-0.72）。

由表7可以看出，花期绿豆叶片的可溶性糖含量和类胡萝卜素含量均对产量有正直接效应，产量与2个理化指标的相关系数为0.987，表明产量与主要农艺性状相关可靠程度为98.70%。

因此，绿豆花期可根据可溶性糖含量和类胡萝卜素含量为主，MDA含量和光合速率为辅进行田间选择。

表5 绿豆产量与花期理化指标的变异分析Table 5 Variation analysis between the yield and physicochemical indexes of mung bean at the flowering stage

表6 绿豆产量与花期理化指标的相关分析Table 6 Correlation analysis between yield and physicochemical indexes of mung bean at the flowering stage

续表6

表7 绿豆产量与花期理化指标的通径分析Table 7 Path-coefficient analysis between yield and physicochemical indexes of mung bean at the flowering stage

2.2.3 绿豆成熟期叶片理化指标与产量的关系

由表8可以看出，脯氨酸含量的变异系数最大，为58.5%，平均值为375.6μg／g，变异幅度为151.4～854.0μg／g；根系活跃吸收面积变异系数次之，为49.1%，平均值为0.08 m2，变异幅度为0.03～0.14 m2；ABA含量变异系数较高，为48.3%，平均值为6 746.1 ng／g，变异幅度为2 582.0～11 580.9 ng／g；POD活性、SOD活性、可溶性糖含量、MDA含量产生速率、光合速率、相对电导率、叶绿素含量、类胡萝卜素含量变异程度中等；公顷产量变异系数最小，为6%，平均值为1 351.58 kg／hm2，变异幅度为1 234.8～1 451.7 kg／hm2。

将产量和成熟期理化指标进行逐步回归分析，得到回归方程：

Y＝1 701.74-0.31X4-0.03X6（R＝0.999，F＝4423.10）。

式中：Y—产量；X4—SOD活性；X6—ABA含量。

复相关系数为0.999，F检验显著，表明以上2个理化指标共同影响了绿豆材料产量99.90%的变异。

由表9可以看出，不同绿豆品种成熟期的SOD活性、ABA含量与产量呈显著负相关，相关系数为-0.968、-0.965。相对电导率与POD活性呈显著负相关；MDA含量与脯氨酸含量、类胡萝卜素含量呈显著负相关；脯氨酸含量与叶绿素含量呈极显著负相关。

不同绿豆品种产量和成熟期理化指标相关性顺序为根系活跃吸收面积（r＝0.730）＞产生速率（r＝0.339）＞相对电导率（r＝0.147）＞类胡萝卜素含量（r＝0.141）＞脯氨酸含量（r＝0.09）＞MDA含量（r＝-0.012）＞POD活性（r＝-0.071）＞叶绿素含量（r＝-0.154）＞可溶性糖含量（r＝-0.407）＞光合速率（r＝-0.814＞ABA含量（r＝-0.965*）＞SOD活性（r＝-968*）。

由表10可以看出，成熟期绿豆叶片的SOD活性、ABA含量对产量有负直接效应。产量与2个理化指标的相关系数为0.999，表明产量与主要农艺性状相关可靠程度为99.90%。

因此，绿豆成熟期可根据SOD活性、ABA含量为主，光合速率、根系活跃吸收面积为辅进行田间选择。

表8 绿豆产量与成熟期理化指标的变异分析Table 8 Variation analysis between yield and physicochemical indexes of mung bean at mature stage

表9 绿豆产量与成熟期理化指标的相关分析Table 9 Correlation analysis between yield and physicochemical indexes of mung bean at the mature period

表10 绿豆产量与成熟期理化指标的的通径分析Table 10 Path-coefficient analysis between yield and physicochemical indexes of mung bean at the mature period

3 讨论

植物叶片理化指标随生长时期不同而变化［15］。本研究中，叶绿素、类胡萝卜素含量花期显著高于苗期和成熟期，光合速率显著高于苗期，是因为开花期植物叶面积指数已经达到最大值，叶片光合能力达到最佳状态，单位叶面积光合作用速率最大，且在生殖生长期植物对光合产物的需求量增大，根据源库理论，库强增大促进了光合作用。而MDA含量、SOD活性、POD活性、ABA含量、可溶性糖含量成熟期最高产生速率、相对电导率、脯氨酸含量也处于较高水平，是因为植物进入成熟期之后，各组织、器官渐渐衰老，短期内叶片的保护酶能继续保持较高活性来防御衰老，但随着产生速率的提升，SOD和POD不能完全清除活性氧物质，造成膜脂过氧化，而膜脂过氧化产物MDA含量快速上升，破坏生物膜的结构与功能，导致细胞内含物外渗，可溶性糖及K+、Na+、Cl-等电解质渗出，提高了相对电导率［6，16］。苗期是植株根部生长最旺盛的时期，因此根系活力苗期最强。根部开始衰老后会导致根系活力减弱，成熟期的根系活力要显著低于苗期［16，17］，本试验结果与之相符。

植物光合作用强弱与产量高低密切相关已经得到了很多试验验证。Brun等通过比较2个大豆品种的光合作用与产量，发现光合强度较高的品种产量更高［18］。许大全认为，叶片光合速率与作物产量之间表现为正相关，生产上可以通过选择高光合速率的品种来进一步增加作物产量［19］。李卫华等研究认为，高产品种具有高光合特性，与叶绿体对光的吸收能力有关［20］。张秋英等研究发现，冬小麦叶片叶绿素含量与光合速率呈显著正相关［21］。Peet等研究发现，结荚期菜豆光合速率和产量呈现明显正相关［22］。花期前后是植物生长发育与产量形成的重要时期，可溶性糖含量与光合作用强弱息息相关，是决定产量的重要因素，本试验也发现绿豆产量和花期可溶性糖含量均与叶绿素含量、光合速率呈正相关。

除植物光合作用外，植物对周围环境的适应与抗逆性对其生长及产量也有很大影响。植物受到土壤干旱、盐渍等逆境胁迫时会导致细胞失水、生理活性降低，可通过相对电导率、脯氨酸含量、可溶性糖含量等生理指标变化判定。植物体内的脯氨酸含量、ABA含量及活性氧数量较少，在植物受到高温、干旱、盐碱胁迫时，其含量明显增加，诱使植物体内抗氧化酶基因表达，增加SOD、POD、CAT等解毒酶含量［1］。白健慧研究发现，燕麦前期SOD活性和可溶性糖含量高于后期，POD活性和根系活力呈先升后降的趋势［23］。对小豆的研究发现，干旱胁迫使植物体内SOD和POD活性提高，以清除多余的，保持防御系统的平衡，降低小豆对渗透胁迫的敏感度，减少MDA的产生，减轻膜损害［13］。Acar等研究得出，在大麦中升高的SOD活性可提高耐盐性［24］。这与本试验结果有部分差异，可能是前人试验使用露地栽培，植株的生长容易遭受胁迫，而温室栽培能够更好控制生长环境，减少环境对植物的影响，因此，本试验结果较前人能够更准确地反映绿豆生长进程中理化指标的变化。

本试验中，不同绿豆品种苗期MDA含量对产量有负直接效应（-0.605），ABA含量对产量有负直接效应（-1.455）。苗期的MDA含量、ABA含量与产量呈负相关，且与类胡萝卜素含量呈正相关，与产量与苗期理化指标回归方程相一致。这表明对于苗期的绿豆来说，MDA含量的增加意味着植物受到了伤害，发生膜脂过氧化作用，质膜受到破坏，改变了细胞膜的通透性，影响了植株的正常生长，因此影响了产量；ABA虽然能够起到提高植物抗逆性的作用，但花期ABA含量积累会阻止细胞的H+分泌，阻止细胞壁的酸化和细胞伸长，进而抑制植物生长，甚至影响植物开花［1］。不同绿豆品种花期可溶性糖含量和类胡萝卜素含量均对产量有正直接效应，呈正相关，POD含量与叶绿素含量表现出显著负相关。可溶性糖含量反映了植物体内可利用态物质和能量的供应基础，开花期植物代谢活动旺盛，可溶性糖含量增加，促进了植物的生殖生长［25］，保证了产量的提升；POD是植物细胞抵御活性氧伤害的重要保护酶，能够阻止或减少羟基自由基形成，自然条件下POD活性低植物的抗逆性更强，同时促进叶绿素的生成，对增产起到积极作用。不同绿豆品种成熟期SOD活性和ABA含量对产量有负直接效应，且均与产量呈显著负相关，两者互为正相关。SOD是需氧生物中普遍存在的一种含金属的酶，用于防御活性氧自由基对细胞膜系统的伤害，是植物体内重要的活性氧清除剂。SOD活性的增加，表明植株遭受活性氧损害，影响籽粒成熟。ABA通过增强果实的“库”功能以及提高与色素合成有关的酶活性促进果实成熟，随果实成熟而增加［26］。