胡 躍，佘躍輝，劉衛(wèi)國，楊文鈺，武曉玲

（四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，成都 611130）

“十三五”以來，國家對大豆生產(chǎn)日益重視，將恢復和增加大豆種植面積，以緩解國內(nèi)大豆生產(chǎn)面積日益萎縮以及進口大豆量的不斷增加[1]。近年來我國西南地區(qū)玉米套作大豆發(fā)展推廣較快[2]，顯著提高了土地利用率和區(qū)域糧食生產(chǎn)能力，同時提高了農(nóng)民的收入，經(jīng)濟效益明顯。但在玉米–大豆帶狀復合種植模式中，高稈作物玉米對低位作物大豆的遮光限制了大豆獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，尤其在大豆苗期影響更大，大豆植株莖稈細弱、纖長、易倒伏，導致產(chǎn)量大大降低[3-4]。由于大豆在苗期接受的光照不足，大豆冠層的光環(huán)境發(fā)生明顯改變，光合有效輻射降低從而導致生長受到抑制。研究顯示植物能通過感受外界環(huán)境脅迫充分發(fā)揮自身可塑性，并通過改變自身結(jié)構(gòu)性狀和生理性狀來維持正常生長。T.Umezaki等[5]在對大豆苗期弱光下研究中發(fā)現(xiàn)大豆植株株高明顯增加；劉衛(wèi)國等[6]研究表明弱光下大豆莖稈從第3節(jié)間開始顯著伸長，并且莖稈明顯變細；王竹等[7]研究發(fā)現(xiàn)在弱光環(huán)境下大豆幼苗葉片變薄，表皮細胞體積變大，角質(zhì)層變薄，柵欄組織和海綿組織分化不明顯，細胞間隙增大；范元芳等[8]研究表明弱光下不同品種大豆光合色素含量表現(xiàn)不一致，但凈光合效率均有所降低。光照不但影響植物地上部分生長，而且還影響植物根系的生長發(fā)育[9-10]。劉典三[11]在對弱光下烤煙的根系研究中指出光照不足抑制了烤煙的根系生長，一級側(cè)根數(shù)量及根系干重顯著低于正常光照。王麗等[12]在對弱光脅迫下水稻根系研究中同樣指出弱光抑制了水稻根系的生長，隨著遮蔭越嚴重根系受到的影響越大。于曉波等[13]利用盆栽試驗研究了弱光下大豆根系的形態(tài)特征和生理變化，發(fā)現(xiàn)弱光下大豆根長、根系活力和傷流量均有所降低。

前人的研究多集中于大豆植株形態(tài)或光合等對蔭蔽響應(yīng)的研究，從不同耐蔭大豆整體對弱光響應(yīng)的研究較少。因此，本研究通過比較正常光照和弱光環(huán)境下不同耐蔭性大豆材料的根系、地上部形態(tài)、干物質(zhì)積累與分配以及光合熒光相關(guān)參數(shù)，明確不同耐蔭性大豆材料在苗期根系及其他性狀對弱光脅迫的響應(yīng)，為耐蔭大豆品種的改良和選育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選用田間性狀表現(xiàn)差異明顯的強耐蔭菜豆1號、本地黃、弱耐蔭簡陽九月黃和貢選5號共4份大豆材料。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2016年在四川農(nóng)業(yè)大學日光溫室內(nèi)進行，室內(nèi)溫度為25℃。試驗采取隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置3個重復，每個重復兩盆，每盆3株，播種后分別放置在正常光照1 000 μmol/（m2·s2）和弱光400 μmol/（m2·s2）下，在出苗后第20天時測定相關(guān)性狀。試驗期間兩個處理的其他環(huán)境條件以及管理措施都一致。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 根系性狀及生物量測定

大豆出苗后第20天時分別從兩個處理中選取長勢均勻的大豆植株3株以下胚軸底部為界將根部剪下，清水沖凈干凈后，利用根系掃描儀EPSONTW AIN PRO（30 bit）（愛普生公司）進行掃描并用WinRHIO根系分析系統(tǒng)進行分析[14-15]，測定其根長、根表面積、根直徑、側(cè)根數(shù)、根體積，然后裝進信封放在烘箱中，105℃下殺青1 h，在80℃下烘干至恒重獲得根系干重。

1.3.2 地上部性狀及生物量測定

利用直尺測量植株主莖株高和下胚軸長、用電子游標卡尺測量莖稈第一節(jié)寬度作為莖粗、葉片厚度（葉片厚度儀，托普）、葉面積（根系掃描儀，愛普生），節(jié)間數(shù)。將植株的葉、莖，分別裝進信封放在烘箱中，105℃下殺青1 h，然后在80℃下烘干至恒重，獲得各部分的干物質(zhì)重量[16]。

1.3.3 光合色素含量的測定

選取倒數(shù)第一片復葉，去掉葉脈，剪切稱取0.1 g，按照比例丙酮∶無水乙醇∶蒸餾水=4.5∶4.5∶1 的混合液提取葉片色素。分別在波長663、646、470 nm下測定光密度，然后計算葉綠素（Chls）和類胡蘿卜素（Cars）含量[17]。

1.3.4 光合特征參數(shù)的測定

選取倒數(shù)第一片展開復葉，于上午 9∶00—11∶00，利用Li-6400（美國LI-COR公司）便攜式光合儀測定光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）等光合特性參數(shù)。在測定時，設(shè)定儀器內(nèi)置光源光強為800 μmol/（m2·s2），CO2濃度為450 μmol/mol，室內(nèi)溫度為 25 ℃。

1.3.5 葉綠素熒光參數(shù)的測定

采用便攜式葉綠素熒光（PAM-2100Walz，GERMANY）在設(shè)定光強為1 000 μmol/（m2·s2）下測定大豆葉片的熒光參數(shù)F0′（實際熒光）、Fm′（光下最大熒光），再置于黑暗處2 h后測定大豆葉片的Fm（暗適應(yīng)最大熒光）、F0（初始熒光），計算獲得光化學熒光猝滅系數(shù)：qp=（Fm′-Fs）/（Fm′-F0′）、非化學熒光猝滅：NPQ=（Fm-Fm′）/Fm′、PSII白天有效光化學量子產(chǎn)量和晚上最大光化學量子產(chǎn)量[18]：PSII=（Fm-F0）/Fm′。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

使用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，SPSS19.0軟件進行統(tǒng)計方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 弱光對大豆根系形態(tài)的影響

弱光下兩個強弱耐蔭大豆的根長、根表面積、側(cè)根數(shù)、根體積、根重相較于正常光照差異均呈極顯著降低（見表1），而根平均直徑除了弱耐蔭品種貢選5號差異顯著外均差異不顯著。

表1 弱光對大豆幼苗根系形態(tài)及生物量的影響Table 1 Effect of low light on morphological characteristics and biomass of soybean

2.2 弱光對大豆地上部形態(tài)及生物量的影響

由表2可知，在弱光下，兩個強弱耐蔭材料的株高、下胚軸長、節(jié)間長顯著增加，葉厚、葉面積、莖粗、葉重降低大部分達到顯著水平。不同耐蔭材料的節(jié)數(shù)在兩種光照下差異不顯著，強耐蔭材料的地上部干重在弱光下顯著上升，而弱耐蔭材料則顯著下降。同時弱光降低了4個大豆品種的根冠比（見圖1），而莖生物量比值和葉生物量比值表現(xiàn)出相反的趨勢，前者增加后者降低，這主要是由于大豆植株受到蔭蔽影響，莖稈變細節(jié)間伸長從而導致莖稈生物量增加，而葉片在蔭蔽下厚度和面積均降低。葉柄生物量比值變化不一致，弱耐蔭品種貢選5號的差異最大，表明弱光下大豆干物質(zhì)分配側(cè)重于莖稈。

2.3 弱光對大豆功能葉片光合色素的影響

如表3所示，弱光下兩個強弱耐蔭大豆材料的葉綠素a和葉綠素b均有所升高，其中葉綠素a在強耐蔭材料中差異達到顯著水平，葉綠素b在弱耐蔭材料中差異達到顯著水平，而類胡蘿卜素的表現(xiàn)不一致，除弱耐蔭品種貢選5號降低外均顯著升高。弱光均降低了強弱耐蔭材料的葉綠素a與葉綠素b的比值，但強耐蔭材料的差異不顯著，而弱耐蔭材料差異達到顯著水平，葉綠素與類胡蘿卜素的比值同樣表現(xiàn)不一致，表明不同耐蔭大豆材料對弱光的響應(yīng)不同。

2.4 弱光對大豆功能葉片光合特性的影響

在兩種處理下除菜豆5號的凈光合速率（Pn）差異不明顯外，弱光導致其他3個大豆品種的凈光合速率極顯著下降（見表4）。強耐蔭大豆在弱光下的蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）均都高于正常光照，弱耐蔭大豆中貢選5號的蒸騰速率（Tr）略有上升差異不明顯，而簡陽九月黃呈極顯著降低，這可能是不同材料之間的差異導致的，同時也說明大豆苗期對弱光的光合響應(yīng)的復雜性。

圖1 4個大豆品種的根冠比以及各器官占地上部生物量的比值Figure 1 The root/shoot ratio of four soybean varieties and the ratio of the total biomass of each organ

表2 弱光對大豆地上部分形態(tài)及生物量的影響Table 2 Effect of low light on aboveground part shape and biomass of soybean

表3 弱光對大豆功能葉片光合色素的影響Table 3 Effect of low light on leaf photosynthetic pigment of soybean

表4 弱光對大豆幼苗功能葉片光合特性的影響Table 4 Effect of low light on photosynthetic characteristics of soybean

2.5 弱光對大豆葉片光系統(tǒng)光反應(yīng)的影響

與正常光照相比弱光增加了4個大豆品種的最大熒光（Fm′）和晚上初始熒光（F0）（見表 5），并且4個大豆品種的暗適應(yīng)最大熒光（Fm）差異均達到極顯著水平，值得注意的是弱光下強耐蔭品種的暗適應(yīng)最大熒光（Fm）高于弱耐蔭品種。PSII有效光化學量子產(chǎn)量均顯著增加，而晚上PSII最大光化學量子產(chǎn)變化不一致，強耐蔭品種增加而弱耐蔭品種則略有降低，但是差異不明顯。光化學熒光淬滅系數(shù)（qp）和非光化學熒光淬滅系數(shù)（NPQ）顯著降低，其中弱耐蔭品種差異達到極顯著水平。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

在作物的生命活動中，光照是重要的環(huán)境因子之一。作物的根系、莖稈以及葉片等外觀形態(tài)特征對光照變化的響應(yīng)十分敏感，能通過調(diào)整自身形態(tài)來與之相適應(yīng)[19-20]。據(jù)前人研究[21-22]，在弱光環(huán)境下大豆幼苗的根長、根系活躍吸收表面積以及總面積均顯著下降。本研究發(fā)現(xiàn)，不管是弱光下表現(xiàn)較好的強耐蔭品種還是弱耐蔭品種在所測定的根系相關(guān)性狀指標中與正常對照相比絕大部分性狀值均極顯著降低。這說明大豆根系對弱光環(huán)境的感應(yīng)十分敏感且受其影響明顯。植物生長環(huán)境的脅迫首先直接影響到根系的生理代謝，進而影響到整個植株的生育進程[23]。目前對環(huán)境脅迫下植物根系的研究主要集中低溫、干旱、土肥脅迫以及根系分泌物的作用和誘導機制[24-25]。而關(guān)于蔭蔽弱光下大豆根系的深入研究報道尚少。于曉波等[13]研究表明在蔭蔽下大豆幼苗的根長變短而根直徑增加，與本研究的結(jié)果不同，這也許是不同品種間差異以及不同取樣測定時間所造成的。而對于側(cè)根數(shù)顯著減少的原因目前尚無明確的相關(guān)報道，但是顯然與地上部受到蔭蔽有關(guān)。植物地下部和地上部在物質(zhì)營養(yǎng)上相互供應(yīng)，使得它們相互促進、共同發(fā)展[26]。

表5 弱光對大豆幼苗葉片光系統(tǒng)光反應(yīng)的影響Table 5 Effect of low light on photosystems and photoreaction

弱光下強弱耐蔭大豆品種莖稈干重均表現(xiàn)出增加的趨勢，此結(jié)果說明蔭蔽下大豆幼苗的光合產(chǎn)物更多的趨向莖稈分配[27-28]，另外4個大豆品種的主莖節(jié)數(shù)較正常光照均無明顯差異，而株高、下胚軸長、平均節(jié)間長均極顯著增加，這進一步說明主莖的伸長主要是由于莖稈節(jié)間變長所導致的[29]。

弱光雖然增加了4個大豆品種的葉綠素含量但導致了凈光合速率的降低，氣孔導度和胞間二氧化碳濃度在強耐蔭品種中表現(xiàn)為增加，在弱耐蔭品種中為降低。而氣孔是植物葉片與外界進行氣體交換的主要通道，其開張程度直接影響著植物光合作用的高低，這與蘇本營等[30]的研究結(jié)論一致，另外胞間二氧化碳濃度與凈光合速率的關(guān)系現(xiàn)在雖然尚未明確，但可以看出和氣孔導度成正比關(guān)系，因此其含量高低也將間接影響葉片的光合作用[31]。弱光下4個大豆品種光化學猝滅系數(shù)和非光化學猝滅均有所降低，表明弱光使大豆功能葉片捕獲的光能用于光化學反應(yīng)比例降低，而轉(zhuǎn)化為熱能消耗的比例增高，這有利于作物的同化作用[32]。同時說明大豆在弱光下幼苗葉片吸收的剩余光能將通過非輻射的熱能及相關(guān)途徑耗散，造成植物光合化學效率的降低，發(fā)生光合作用的光抑制[33]，最終導致光合速率降低。這一點在2個強耐蔭和弱耐蔭品種間表現(xiàn)相同。與宋艷霞等[34]的研究結(jié)果一致但與武曉玲等[35]研究結(jié)果有所不同，這說明大豆對弱光的響應(yīng)機制十分復雜，不同種間的響應(yīng)也是不同的。

3.2 結(jié)論

本研究表明弱光對大豆苗期的影響是地上部與地下部同時進行的，通過不同材料對比試驗可以看出強耐蔭大豆品種在弱光下的優(yōu)勢主要集中在光合特性方面，尤其是凈光合速率和胞間CO2濃度。因此在研究大豆對弱光脅迫的響應(yīng)機制以及選育適宜玉米大豆帶狀復合種植的大豆品種時本文結(jié)論具有重要參考意義。

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