大豆品种对间作玉米苗期根系生长及抗氧化特性的影响

杨雪丽，吴吉英子，刘 凡，刘旭东，任俊波，杜 青，陈 平，雍太文

（四川农业大学农学院/农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室/四川省作物带状复合种植工程技术研究中心，成都 611130）

玉米是我国重要的粮食和饲料作物，在保证国家粮食安全方面发挥着重要作用[1]。然而，我国玉米至今仍存在生产成本过高、“洋货入库，国货入市”的现象[2]，为了应对国际形势及粮食生产需要，加大玉米生产十分重要[3]。

西南地区是我国玉米的主要产区之一[4]。该地区由于光热资源的影响以及新时期对农业增产增效的要求，形成了新型旱地农业发展模式麦/玉/豆，并得到了极大的推广[5-6]。在玉米种植中，合理施用氮肥可以延长玉米生育期，延缓玉米衰老[7]。而在间套作中，巧妙地将不同作物组合配套种植，可以提高资源利用率[8]，从而降低作物对化肥的依赖性[9]，达到减少氮肥施用的目的。在间套作系统中，大豆作为养地作物，可提高土壤氮含量，减少氮肥使用量 60～90 kg/hm2[10]。

玉米对养分的吸收直接影响其产量。玉米作为单株生产力较强的作物[11]，其强大的根系是吸收养分和水分的重要器官，根系的生长特性和地上部分器官的光合作用、生长发育有很大的相关性[12]。玉米根系的生长随生育期而变化，从发芽至拔节前后，根绝对干物重增加缓慢，从拔节到抽雄、散粉，根干物重直线增长，是次生根、气生根及其侧根大量形成期，随后变化很小，稳定在一定水平上[13]。玉米根系衰老一般始于生殖生长旺盛时期，衰老时间越早，籽粒灌浆时间就越短[14]，产量越低。苗期是根系生长的主要时期，良好的根系生长可决定后期生长状态[15]。

玉米根系的生长发育随品种、环境条件和栽培措施的不同而不同[16]。间套作种植模式为研究玉米根系养分吸收规律提供了新的研究方向。前人研究发现，玉米大豆间套作达到种间的互惠互补效应，调节土壤中氮素的转化过程，使之向利于作物吸收的方向转化。在该模式下，禾本科作物的根系活力、根系还原力[17]、根系质量显著得到提升[18]。杨航[19]的研究中表明，间套作中，玉米表现出根系发达、根际微生物数量增加、根系活性和酶活性增强等优势。玉米根系的数量、在土壤中的分布与植物吸收水分和养分的能力密切相关[20]，玉米根系保持较强的活力和较强的生理功能[21]对玉米产量的形成也具有重要作用。当前对间套作种植模式下玉米根系发育研究多集中于中后期[22-24]，对苗期的研究相对较少。

本试验首先通过46种大豆品种与玉米间作的盆栽试验，根据玉米根系生长情况对大豆品种进行聚类分析，根据聚类分析的结果选出3种对玉米根系生长表现为强促进的品种再次与玉米进行间作，进一步探究不同大豆品种与种植模式对苗期玉米根系的影响，为玉米大豆间套作系统中的根系、根系分泌物的研究提供支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试的46份大豆材料由农业农村部西南作物生理生态与耕作栽培重点实验室提供，玉米材料为紧凑型玉米品种登海605，由山东登海种业股份有限公司选育。

1.2 试验设计

1.2.1 间作大豆品种筛选

品种筛选试验为盆栽试验，于2017年4月—6月在四川农业大学实验农场开展。试验采用单因素完全随机设计，以玉米单作为对照，利用46个不同大豆品种与玉米进行间作（表1）。共47个处理，3次重复。大豆于4月15日播种。待大豆长至三叶期时，播种玉米。大豆每盆播2穴，穴距10 cm，穴留2株；玉米每盆播2穴，穴距10 cm，穴留1株，与大豆行垂直间距10 cm。各盆钵间距1 m摆放，试验用土为营养土，定期采用自来水浇灌，保证各处理处在同一水平，控制玉米和大豆生长条件一致。

表1 参试大豆材料编号及名称Table 1 Material number and name of tested soybean

1.2.2 不同大豆品种对间作玉米根系的影响

试验采用盆栽试验，于2018年4月—6月在四川农业大学实验农场开展。在试验1.2.1聚类分析的基础上，进一步探究间作大豆如何影响玉米根系衰老，从聚类结果第Ⅰ类即对苗期玉米根系生长强促进品种中结合四川省主推品种类型，选出3个表型差异较大、结瘤特性有异的品种“南豆25”、“桂夏1号”和“贡秋豆4号”（表2），为接下来探究间作大豆对苗期玉米根系影响的原因做铺垫。试验设计、种植方式和管理方法同试验1.2.1。

表2 3个大豆品种的主要特征Table 2 Main characteristics of three soybean varieties

1.3 测定指标与项目

1.3.1 玉米植株和根系样品取样时期与取样方法

于玉米六叶期（V6期）取样，将植株分为地上、地下两部分分别收集。地上部植株按处理装入牛皮纸袋；地下部根系收集方法为，在剪去植株地上部后将试验盆倒置，并用自来水从土壤中冲洗出玉米根系。一部分根系样品立即取回实验室进行根系生理指标测定，另一部分根系样品经根系扫描后同地上部一起放入烘箱，105℃杀青1 h后70℃烘干至恒重，最后称取样品重量。根系扫描使用爱普生Expression10000XL扫描仪，图片分析采用WinRHIZO根系分析系统，并计算根长、根体积、根表面积。

取回实验室的玉米根系样品中，一部分用于测定根系活力，另一部分放入-80℃冰箱储存，用于测定玉米根系相关抗氧化酶活性以及MDA含量。其中POD活性、CAT活性以及MDA含量仅为试验

1.3.1 测定内容。

1.3.2 玉米根系生理指标测定方法

根系活力：改良TTC测定法[25]；

过氧化物酶（POD）活性：愈创木酚法[25]；

超氧化物歧化酶（SOD）活性：氮蓝四唑光化还原法[25]；

过氧化氢酶（CAT）活性：紫外吸收法[25]；

丙二醛（MDA）含量：硫代巴比妥酸比色法[25]。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据整理及作图，SPSS 22.0进行数据统计分析（LSD，α=0.05）与聚类分析。

2 结果与分析

2.1 玉米苗期性状变异性分析

变异系数的大小表明了参试材料变异程度的大小，反映出各性状的变异丰富程度。由表3可知，玉米的6项性状存在较为丰富的变异，其变异系数范围为18.88%～40.33%。变异系数大于30%的性状有根系活力、根系生物量、地上部分生物量和整株植株干重，表明间作大豆品种对玉米这4个性状有较大影响。其中根系生物量变异系数最大，为40.33%，说明间作大豆品种对玉米根系生物量的积累具有重要作用。根冠比的变异系数低于20%，为18.88%，说明大豆品种对间作玉米根冠比的影响较小。根系SOD活性性状的变异系数为26.94%，处于20%～30%之间。

表3 6个性状的基本参数统计分析Table 3 The basic parameters of 6 traits

2.2 基于玉米长势的大豆品种聚类分析

根据单作与间作玉米的根系SOD抗氧化酶活性、根系活力、根系生物量和地上部分生物量，并结合试验1.2.2需要，将46份大豆材料分为对苗期玉米根系生长影响为强、一般和无明显影响3类，进行聚类分析。结果表明，在阈值为8.5时，46个大豆品种被分成3大类，如图1所示。对3类大豆品种各性状的表现特征进行平均（表4）。结果表明，第Ⅰ类大豆品种根系抗氧化酶SOD活性高于第Ⅱ类、第Ⅲ类，分别高出36.32%、47.74%；第Ⅰ类大豆品种根系活力高于第Ⅱ类、第Ⅲ类，分别高出22.46%、86.60%；第Ⅰ类大豆品种根系生物量高于第Ⅱ类、第Ⅲ类，分别高出23.14%、6.80%；第Ⅰ类大豆品种地上部分生物量高于第Ⅱ类、第Ⅲ类，分别高出24.82%、5.81%；第Ⅰ类大豆品种植株干重高于第Ⅱ类、第Ⅲ类，分别高出24.19%、6.31%；；第Ⅰ类大豆品种根冠比低于第Ⅱ类1.67%、高出第Ⅲ类1.72%。第Ⅰ类大豆品种对玉米根系生物量、部分生理活性的影响高于第Ⅱ、Ⅲ类，相对其他两类大豆品种，对玉米根系生长影响表现为强促进作用。

图1 46个大豆品种聚类分析树状图Figure 1 Cluster analysis tree of 46 soybean varieties

表4 各类群大豆材料各性状的表现特征Table 4 Discription of different types in soybean

2.3 不同大豆品种对玉米生物量的影响

不同种植方式下玉米根系生物量、地上部分生物量有显著差异，间作玉米生物量显著高于单作玉米。由图2可以看出，与“南豆25”、“桂夏1号”和“贡秋豆4号”间作，玉米根系生物量分别较单作玉米分别高出38.2%、57.4%和24.7%；地上部分生物量分别高56.4%、80.5%和32.6%。不同品种处理对玉米地上部分生物量影响不显著，表现为“桂夏1号”＞“南豆 25”＞“贡秋豆 4 号”“桂夏 1 号”较“贡秋豆4号”高出26.2%；根系生物量表现为，间作下“南豆25”与“桂夏1号”、“贡秋豆4号”之间差异不显著，“桂夏1号”与“贡秋豆4号”差异显著，前者比后者高36.2%。

图2 大豆品种对间作玉米苗期生物量的影响Figure 2 The effect of soybean varieties on the biomass of intercropping maize at seedling stage

2.4 不同大豆品种对玉米根系形态的影响

不同种植方式对根系形态均有显著影响。与“南豆25”、“桂夏1号”、“贡秋豆 4号”间作玉米根长分别比单作玉米高40.3%、52.0%和44.0%；根表面积分别高出28.1%、36.0%和37.9%；根体积规律不同于根长与根体积，其中与“贡秋豆4号”间作的与单作差异不显著，与“南豆25”、“桂夏1号”间作的与单作有差异显著，与“南豆25”、“桂夏1号”间作的玉米根体积分别高出单作59.6%、65.8%，间作下“桂夏 1 号”＞“南豆 25”＞“贡秋豆 4 号”，“桂夏 1号”比“贡秋豆4号”高32.8%。不同大豆品种间作对玉米根长无显著影响，其中以“桂夏1号”最高，“南豆 25”最低，“桂夏 1 号”比“南豆 25”高 8.3%；不同大豆品种间作对玉米根表面积无显著影响，“贡秋豆 4 号”＞“桂夏 1 号”＞“南豆 25”，“贡秋豆 4 号”高“南豆25”7.6%。

图3 大豆品种对间作玉米苗期根系形态的影响Figure 3 Effects of soybean varieties on root morphology of intercropping maize at seedling stage

2.5 大豆品种对玉米根系活力的影响

根系活力是反映根系吸收养分能力的重要指标。由图4可以看出，不同种植方式对根系活力的大小影响显著，间作玉米根系活力显著高于单作玉米。其中间作下“南豆25”、“桂夏1号”和“贡秋豆4号”玉米根系活力分别比单作玉米高27.7%、25.0%和39.7%；不同品种处理下对玉米根系活力大小无显著影响，间作下“贡秋豆 4号”＞“南豆 25”＞“桂夏 1号”，“贡秋豆4号”比“桂夏1号”高10.5%。

图4 大豆品种对间作玉米苗期根系活力的影响Figure 4 Effect of soybean varieties on root activity of intercropping maize at seedling stage

2.6 大豆品种对玉米根系抗氧化酶活性、MDA含量的影响

抗氧化酶活性是反映根系发育情况的重要指标。由图5可以看出，不同种植方式对玉米根系SOD活性有显著影响。与单作相比“南豆25”、“桂夏1号”和“贡秋豆4号”间作玉米根系SOD活性分别高97.4%、71.2%和120.9%；不同间作大豆品种对玉米根系抗氧化酶SOD活性影响不显著。不同种植方式对玉米根系抗氧化酶CAT活性有显著影响，“南豆25”、“桂夏1号”和“贡秋豆4号”间作玉米比单作玉米分别高47.4%、67.5%和44.7%；不同品种下，与“南豆25”、“贡秋豆4号”间作的玉米根系CAT活性差异不显著。不同种植方式对玉米根系POD活性有显著影响，“南豆25”、“桂夏1号”和“贡秋豆4号”间作玉米根系POD活性比玉米单作分别高28.5%、11.8%和16.2%；不同品种处理对玉米根系抗氧化酶POD活性影响不显著，且“南豆25”＞“贡秋豆4号”＞“桂夏1号”。

根系MDA含量是反映根系发育情况的重要指标。由图5可以看出，不同种植方式对玉米根系MDA含量的影响不同于根系活力及抗氧化酶活性，玉米单作与间作“南豆25”、“桂夏1号”差异不显著，与间作“贡秋豆4号”差异显著，但间作下根系MDA含量均低于玉米单作，间作“南豆25”、“桂夏1号”和“贡秋豆4号”分别低25.8%、33.2%和34.8%；不同品种处理下，玉米根系MDA含量差异不显著，间作下，“南豆25”＞“桂夏1号”＞“贡秋豆4号”，且“南豆25”比“贡秋豆4号”高12.0%。

图5 大豆品种对间作玉米苗期根系抗氧化酶活性、MDA含量的影响Figure 5 Effects of soybean varieties on antioxidant enzyme activity and MDA content in roots of intercropped maize at seedling stage

3 讨论

禾本科与豆科间套作时，一方面豆科植物本身可以有效固定空气中的氮，提高系统氮利用效率，另一方面豆科与禾本科间作通过时间、空间生态位分离，更充分地利用光、热和水等资源，吸收土壤不同深度养分资源，显著提高系统产量[17]。该系统中，禾本科作物优势十分明显，产量和氮素吸收量与单作相比都有很大提升[26]。

本试验结果表明，玉米大豆间作模式下，玉米苗期地上部分生物量及根系生物量显著提高；根长、根表面积、根体积显著增加。这与前人的研究结果相同，宋日等[22]的研究表明，玉米-大豆间作与玉米单作相比，可使玉米在不同深度土壤中的根干重增加，间作玉米的根冠比明显提高；在0～80 cm土层中，相比单作，间作玉米的根系形态特征发生不同程度变化，间作玉米的根系长度增加。间作模式有效地促进了玉米根系生长，提高了根系吸收能力和对地上部养分的供应能力，对促进物质吸收、转运与分配起到了重要作用，为地上部植株更好地生长提供了条件。

根系活力是一种较客观地反映根系生命活动的生理指标，泛指根系的吸收、合成、氧化和还原等能力[27]。自由基学说[28]中认为，活性氧清除酶系统对生物体的生长发育有重要影响，活性氧清除剂[29-30]（如SOD、CAT和POD）活性水平下降，活性氧积累，会导致膜脂过氧化加剧，造成植物组织的衰老死亡[20]。丙二醛的积累可使多种酶和膜系统遭到严重损伤[31]。前人研究表明，抗衰型越强的品种，丙二醛含量越低[32]。雍太文等[18]的研究表明，在玉米大豆间套作系统中，玉米的单株根系活力表现为套作＞单作；刘均霞[33]的研究表明，在玉米大豆间作条件下，间作玉米根系活性、酶活性增强。本试验结果与前人研究结果相同，本试验中间作系统中玉米根系的根系活力、抗氧化酶活性显著高于单作系统，膜脂过氧化物MDA含量显著低于单作系统，表明间作在一定程度上促进了苗期玉米根系发育。不同大豆品种对玉米根系生理指标的影响不同，除了生长环境、管理等原因。前人研究[34-36]在间套作系统中，作物产生根系分泌物通过化感作用影响整个系统。所以更深层原因可能是，不同品种大豆所产生的根系分泌物不同，使得玉米产生不同响应，也可能是不同根系分泌物造成的不同的根际环境对玉米根系产生了影响，具体原因需要进一步的实验证明。

4 结论

间作条件下，玉米苗期地上、地下生长状况好于单作。间作玉米苗期地上部分生物量显著高于单作；根系生物量、根系长度、表面积和体积显著高于单作，吸收养分能力较强；根系活力、抗氧化酶SOD、CAT和POD活性显著提高，MDA含量显著降低，根系抗氧化能力提高，生理活动能力强。与单作相比，间作系统能够更好地促进苗期玉米根系吸收养分，平衡其代谢能力，提高其活性，为后期生殖生长提供良好的基础。