噻苯隆对大豆碳代谢与产量形成的影响

2023-06-27何瑞方淑梅王庆燕朱洪德樊琦王梦欣胡慧迪包笑璨梁喜龙

黑龙江八一农垦大学学报 2023年3期

何瑞，方淑梅，2，王庆燕，朱洪德，樊琦，王梦欣，胡慧迪，包笑璨，梁喜龙，2

（1.黑龙江八一农垦大学，大庆 163319；2.黑龙江省植物生长调节剂工程技术研究中心）

大豆（Glycine nax（Linn.）Merr.）不仅是重要的食用油和蛋白食品原料，而且还是重要的饲料蛋白来源，在我国的工农业生产中占有重要地位[1]。大豆属于高光耗的C3 作物，在其生育期间光合产物的形成、转化与调控不仅影响植株生长发育进程，还关系到产量的高低和品质的改善。源是籽粒形成的物质基础，源的大小和能力可直接影响到库的扩大与充实，而源库学说认为库容增加又可以提高光合源的生产能力，从而提高经济产量，所以合理调控光合特性和碳代谢对大豆的稳产、高产与优质至关重要[2-3]。

叶片是作物进行光合作用与合成糖类物质的主要场所，糖不仅可以参与碳代谢，而且可在分子水平上调控植株生理及发育过程，包括光合作用[4]。应用作物化学调控技术能够改变大豆叶片与荚果光合性能，促进大豆植株生长发育[5]。细胞分裂素是一类促进胞质分裂的物质，在细胞生长、分化及其他相关生理活动过程中，合理使用细胞分裂素可以调控大豆植株生长发育[6-7]，并能提高叶片碳代谢能力[8]。前人通过研究发现细胞分裂素类调节剂胺鲜酯（DA-6）能有效提高玉米、大豆等作物的光合速率，增加叶绿素含量[9]，6-苄基腺嘌呤（6-BA）可调控大豆叶片转化酶活性与糖含量[10]。植物生长调节剂噻苯隆（Thidiazuron）的研究结果已经显示其具有强烈的细胞分裂素类似作用，其诱导植物细胞分裂的作用可达6-BA 的100倍。目前其主要的应用是促进棉花落叶，另有研究发现噻苯隆与其他调节剂复配可提高坐果率、改善品质[11]。同时在功能上，噻苯隆可诱导或增强细胞内的许多生理生化反应，作用机制可能是直接或间接修饰内源激素系统，从而促进植物的生长发育[12-13]。

细胞分裂素类调节剂可以有效调控作物的碳代谢相关指标，噻苯隆诱导植物细胞分裂的作用效果高倍超出其他调节剂，但关于其对大豆光合作用及产物作用效果的研究鲜有报道。试验将从细胞分裂素发挥作用的角度出发，利用环境友好型细胞分裂素类植物生长调节剂噻苯隆解析大豆后期生育过程中的碳代谢和产量表现，进而为噻苯隆在大豆优质高效生产中的科学利用及广泛推广提供重要基础与理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选择大豆品种垦农18，由黑龙江八一农垦大学科研所提供。植物生长调节剂噻苯隆，购于四川润尔科技有限公司。

1.2 试验设计

试验采用盆栽方式进行，于2020 年在黑龙江八一农垦大学国家杂粮工程技术研究中心试验场内进行。试验种植盆栽128 桶，盆栽所用白色塑料桶高43 cm，直径30 cm，桶底均钻5 个1 cm 直径小孔，种植土为土∶沙子（3∶1）的混合土，每桶装土16 kg，于5月16 日用自来水将盆土浇透，次日选取大小饱满、颜色健康且均匀一致的大豆种子8 粒播种，然后覆盖2 kg 相同土壤（覆土深度为3 cm），V1 期定苗，每盆保苗4 株。待大豆植株生长至盛花期（R2 时期）叶面喷施不同浓度的植物生长调节剂噻苯隆，喷药时确保大豆植株的整株叶片全部均匀的分布药剂，试验共设4 个处理，每处理喷施30 桶，共120 桶，并于喷药后在大豆植株自上向下对第三节完全展开的三出复叶用细绳做出标记，以此作为固定取样点进行取样与测定。喷施噻苯隆浓度为0.20 mg·L-1（T1），1.00 mg·L-（1T2），5.00 mg·L-（1T3），对照喷施清水（TCK），于喷药后9、18、27、36、45 d 时进行取样并测定相关指标。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 光合色素含量的测定

参照胡秉芬等[14]的方法测定叶片光合色素含量，取新鲜大豆功能叶片剪碎混匀，用95%乙醇浸泡避光提取12 h，然后将浸提液在649 nm 和665 nm 波长下比色。计算叶绿素浓度，参考公式Chla=13.95A665-6.88A649，Chlb=24.96A649-7.32A665。

1.3.2 光合参数的测定

采用Li-6400 便携式光合仪（Li-Cor，USA）测定大豆固定取样点叶片中间小叶的净光合速率Pn、胞间CO2浓度Ci 及气孔导度Gs。

1.3.3 叶绿素荧光参数的测定

采用OS-5p+荧光仪（OPTI-sciences，USA）测定与计算叶片中叶绿素的荧光特性。测量大豆固定取样点叶片PSII 的最大光化学效率Fv/Fm，PSII 的量子产额ΦPSII，光化学猝灭系数qP，PSII 有效光化学量子产量，最大光能转化潜力Fv/Fo，表观光合电子传递速率ETR。

1.3.4 碳代谢酶活性的测定

取大豆固定取样点叶片用液氮速冻，保存于-40 ℃冰箱中，参照Tsai 等[15]方法测定酸性转化酶和中性转化酶活性，参照Chopra 等[16]方法测定蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性。

1.3.5 光合产物的测定取大豆固定取样点叶片及其籽粒用液氮速冻，保存于-40 ℃冰箱中，参照张志良[17]的方法测定叶片与籽粒中蔗糖、淀粉、可溶性糖及果糖含量。

1.3.6 产量及产量构成因素的测定

2020 年秋季收获时每处理选择10 株测量单株荚数、单株粒数、百粒重及产量。

1.4 数据统计分析

采用SPSS 2019 进行数据比较分析，并用Excel 2019 进行图表处理。

2 结果与分析

2.1 噻苯隆对大豆光合色素含量的影响

由表1 可知，叶片内叶绿素a、叶绿素b 及总叶绿素含量在处理后27 d 达到最高后开始降低，叶面喷施适宜浓度的噻苯隆可促进光合色素含量升高，T1、T2、T3 处理与T-CK 相比在9、18 和27 d 叶绿素a 含量增长幅度依次为14.88%～19.39%、4.67%～7.19%和5.44%～10.19%；在9 d 和18 d 叶绿素b 含量增长幅度为5.35%～17.88%和4.26%～6.36%；在9 d 各处理较T-CK 相比，总叶绿素含量分别增长了17.59%、20.53%和18.98%，在18 d 时T2 处理较TCK 增长了13.92%，其中T2 处理在18、36 及45 d 时达到显著差异水平。

表1 噻苯隆对大豆叶片光合色素含量的影响Table 1 Effect of thidiazuron on photosynthetic pigment content of soybean leaves

2.2 噻苯隆对大豆光合参数的影响

如图1-A，与T-CK 相比，叶面喷施噻苯隆能使Pn 维持在较高水平，Pn 呈先上升后下降的趋势，在生育中期达到最高后随生育时间延长逐渐下降，T1、T2 及T3 处理较T-CK 在9、18 和27 d 的增长幅度依次为3.87%～30.73%、18.81%～31.38%和10.87%～14.18%；由图1-B 可知，Gs 随处理时间逐渐升高并在生育末期下降，各处理较T-CK 在9、18 和27 d 的增长幅度依次为7.14%～28.57%、6.25%～12.5%和10.00%～16.67%，T2、T3 处理Gs 在喷药后36 d 有显著提高，增长了23.26%、20.93%；叶面喷施噻苯隆有效提高了大豆叶片的Ci，在18 d 与36 d，分别增长了4.19%～13.13%和1.86%～4.89%，其中T2 处理达到显著性差异。

图1 噻苯隆对大豆叶片光合参数的影响Fig.1 Effect of thidiazuron on photosynthetic parameters of soybean leaves

2.3 噻苯隆对大豆荧光参数的影响

由图2 可知，与T-CK 相比，噻苯隆对Fv′/Fm′（图2-D）的作用效果不显著，但提高了Fv/Fm（图2-A）、ETR（图2-C）和Φps II（图2-E），其促进作用主要表现在喷药后18 d 和27 d，各处理分别提高了1.31%～4.29%、2.99%～3.12%、2.99%～3.12%，T2 处理与T-CK 相比在喷药后27 d Fv/Fo（图2-F）显著增长了2.68%，通过Fv/Fo 的变化趋势可知噻苯隆促进了光系统II 实际最大光能转化效率，有效增强了光合系统II 的光合活力。在喷药后36 d，T3 处理对qP（图2-B）和Φps II 出现了抑制作用，分别降低了3.75%和4.36%。

图2 噻苯隆对大豆叶片荧光参数的影响Fig.2 Effect of thidiazuron on fluorescence parameters of soybean leaves

2.4 噻苯隆对大豆叶片碳代谢相关酶活性的影响

从图3 可以看出，噻苯隆处理促进了叶片内的蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性、蔗糖合成酶（SS）活性和酸性转化酶活性（AI）活性，噻苯隆处理9、18、27 和36 d 后，T1 及T2 处理大豆叶片SPS 活性与T-CK 相比增长幅度分别为6.98%～11.63%、4.08%～6.12%、5.26%～10.53%和6.82%～9.09%；SS 活性（图3-B）随着生育时间推进呈整体呈逐渐下降的趋势，处理后9 d和18 d 各处理较T-CK 增长幅度为4.17%～10.42%和4.44%～8.89%，达到显著差异；AI（图3-C）活性整体呈逐渐下降的趋势，处理后9、18 d 各处理较TCK 增长幅度分别为4.17%～8.33%和4.76%～11.90%，达到显著差异，说明外源喷施噻苯隆能够明显提高大豆碳代谢相关酶活性。

图3 噻苯隆对大豆叶片碳代谢相关酶活性的影响Fig.3 Effect of thidiazuron on carbon metabolism related enzyme activity of soybean leaves

2.5 噻苯隆对大豆叶片光合产物的影响

从图4 可知，大豆叶片蔗糖（图4-A）与果糖（图4-D）含量整体表现为持续降低的趋势，淀粉（图4-B）与可溶性糖（图4-C）含量呈先上升后下降的趋势。与CK 相比，T2 处理在9 d 与18 d 显著促进了叶片蔗糖与淀粉含量增长，分别提升了6.36%、9.39%、11.37%和4.57%；在喷药后27、36 和45 d 时，噻苯隆对大豆叶片可溶性糖含量较T-CK 有显著提升，增长幅度为2.51%～4.87%，T2 处理在18、27、36 和45 d与T-CK 相比分别显著增长了5.71%、5.52%、7.28%和16.01%。

图4 噻苯隆对大豆叶片光合产物含量的影响Fig.4 Effect of thidiazuron on photosynthetic product content of soybean leaves

2.6 噻苯隆对大豆单株产量及其构成因素的影响

由表2 可知，叶面喷施噻苯隆可以促进大豆单株荚数、单株粒数、百粒重及单株产量（单株粒重）增长，与T-CK 相比T1、T2 处理分别促进单株荚数增长了16.70%和15.46%，单株粒数增长了16.09%和11.68%，百粒重增长了8.04%和6.74%，噻苯隆对大豆单株产量有显著促进效果，其中T1 与T2 处理较T-CK 分别增长了2.12%和2.84%。

表2 噻苯隆对大豆单株产量及其构成因素的影响Table 2 Effect of thidiazuron on soybean yield per plant and its constituent factors

3 讨论

叶绿素是将光能转变为化学能的关键物质，其含量的高低决定了叶片功能期的长短，叶绿素b 作为光合作用的天线色素之一吸收并传递光能，较高的光合色素含量可以影响植物光合作用[18]。试验在噻苯隆处理下9 d 和18 d 叶绿素b 含量平均增长了11.62%和7.44%，总叶绿素含量有显著提升。而噻苯隆能够影响植物体内的许多参数，如对天竺葵离体叶片的叶绿素降解有保护作用[19]，所以噻苯隆对光合色素含量的提升作用可能是通过抑制叶绿素的降解达到的。大豆叶片的Pn 高，有利于光合产物的供应，Pn 可以表现为叶绿体合成有机物的量，而Gs 是限制作物叶片光合作用提高的重要因素之一，叶片Gs 增加，有利于气体交换，Gs 越大叶片对二氧化碳的吸收量就越多，Ci 则会越大，从而提高叶片光合速率。试验中，噻苯隆对Gs 的调控作用达到显著性差异，通过促进Gs 增长提高光能利用效率，提高叶片糖含量和蔗糖酶活性。试验在18 d 噻苯隆对Fv/Fm、ETR、ΦpsII、Fv/Fo 的促进效果显著，说明噻苯隆在前期促进了电子传递效率，使光系统Ⅱ实际光化学效率升高，光能转换效率增长。在生育后期，噻苯隆通过调控叶绿素含量，抑制其在衰老过程中的降解，使叶绿素荧光反应在后期的光系统Ⅱ光化学效率获得一定增长。胡志辉[19]的研究表明，喷施细胞分裂素可使豇豆叶片的荧光参数在生育后期维持较高水平，在此期间，叶绿素含量的提升同样会促进荧光反应活性，所以在生育后期，Pn 在噻苯隆处理后有显著增长，不仅是Gs 增大加速了气体交换，同样也有荧光反应维持较高活性的原因。

植物光合作用产生的磷酸丙糖转运到细胞质中后通过蔗糖合成酶（SPS 和SS）的催化作用形成蔗糖，蔗糖转化酶（NI 和AI）可以调控水解蔗糖转化葡萄糖和果糖的速率，在大豆叶片中积累的蔗糖如果不能运输到根系和籽粒当中，在叶片中过度积累反而会抑制叶片光合作用，导致植株生长减缓[20]。试验在噻苯隆处理后9 d 和18 d，SPS、SS 与AI 活性显著提升，加速了蔗糖从叶片通过韧皮部向库器官输送碳源和能量，供应植物的生长和贮藏物质的合成。噻苯隆对糖代谢的调控作用可能不仅直接表现在对酶活性的调控，张鋆[21]研究发现细胞分裂素对于植物光合作用和碳水化合物的分配与运输都有一定的调控作用，它可以有效促进光合同化物的输出，增加碳水化合物的输入，所以噻苯隆可能对糖类物质的运输途径同样有调控作用。植物光合作用产生的磷酸丙糖在叶片的叶绿体中被转化并合成淀粉，作为能量物质储存在叶片中，大豆叶片的生长发育依靠少部分的淀粉和大部分的蔗糖作为碳源，蔗糖是荚果形成的重要组分[22]。在喷药处理后27 d，是籽粒灌浆关键时期，试验中与对照相比叶片生长前中期蔗糖、淀粉含量有显著增长，在中后期可溶性糖含量有显著提高，源的生产能力与叶片碳代谢的同化能力得到提升，使籽粒粒重升高从而促进单株产量增长。

大豆的荚粒数及籽粒大小是产量的重要组成部分，试验在喷药处理后，大豆的荚数与粒数得到显著增长，可能是噻苯隆表现出细胞分裂素功能，诱导天然的细胞分裂素样反应，内源生长素、乙烯和ABA浓度在噻苯隆处理后改变[23]。刘晓双等[11]发现噻苯隆-乙烯利复配剂可以增加灌浆后期春玉米籽粒中IAA 和GA 含量，调节激素比例，增加籽粒粒重。从试验结果中可以看出噻苯隆能够促进大豆碳代谢能力与产量提升，可能是与噻苯隆调控了大豆内源激素含量有关。李颖[24]研究表示施用外源细胞分裂素可以促进花生单株结果数，郝青南[25]研究同样发现外源细胞分裂素可以促进大豆荚数与粒数增加，增产率为8.8%，与试验所得结果相同，但试验的大豆荚数及粒数的增加幅度与其相比更高。