李 丹，靳鯤鵬，李小霞，曹晉軍，韓文清，劉永忠，李萬星

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 谷子研究所，山西 長治 046011）

干旱是全世界范圍內(nèi)普遍發(fā)生的一種氣象災(zāi)害，也是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要因素。山西省地處黃土高原東部，屬于半干旱地區(qū)，旱地面積占山西省總耕地面積的近80%。此外，山西省常年呈現(xiàn)降水量少、蒸發(fā)量大、年降水變化大、季節(jié)分配不均的氣候特點，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響主要表現(xiàn)為水資源總量嚴重匱乏、降水與作物需水不同步、旱情發(fā)生頻率高。因此，干旱是限制山西省農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個主要生態(tài)因子[1-2]。隨著溫室效應(yīng)加劇，全球氣候會變暖，未來干旱可能變得更加頻繁和嚴重[3-4]。

大豆整個生長發(fā)育階段需水量較多，植株根系不發(fā)達，葉片蒸騰系數(shù)高，且對缺水較為敏感，每年因干旱造成損失、減產(chǎn)嚴重[5-6]。當(dāng)前，灌溉條件遠遠不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。選育抗旱品種、提高作物抗旱性是抗旱研究的突破點，同時也是一種經(jīng)濟、有效的方法[7]。種質(zhì)資源是培育優(yōu)良、抗旱品種的基礎(chǔ)和保障，種質(zhì)資源研究和有效利用，對于奠定現(xiàn)有大豆品種的遺傳基礎(chǔ)和培育突破性品種具有重要意義。

筆者在國內(nèi)外學(xué)者對大豆抗旱研究的基礎(chǔ)上，對大豆抗旱性鑒定篩選及評價方法進行總結(jié)，從而為大豆種質(zhì)抗旱研究提供理論支撐和幫助。

1 大豆種質(zhì)抗旱性鑒定方法

目前，大豆抗旱性鑒定的方法主要有3種，分別是田間自然干旱條件鑒定、人工控制水分條件鑒定及實驗室鑒定。

1.1 田間自然干旱條件鑒定

田間鑒定主要有兩種方法，一種是將鑒定品種直接種植于降水量小于500 mm 地區(qū)的田間，利用自然干旱條件造成水分脅迫，并用人工灌溉作為對照；另一種是將鑒定品種種植在不同生態(tài)地區(qū)，利用天然降水量差異形成的不同水分狀況進行多點試驗。該方法的優(yōu)點是簡單易行，鑒定結(jié)果接近實際生產(chǎn)情況；缺點是由于年際間自然降水量變化較大，結(jié)果不具備重復(fù)性，需要較長的時間才能評價一個結(jié)果，同時對灌溉條件有一定的要求[8-9]。

1.2 人工控制水分條件鑒定

人工控制水分條件鑒定是將大豆種植在干旱棚、生長箱或人工氣候室內(nèi)，在溫度、濕度及光照可控的條件下進行干旱脅迫，對一系列指標進行測定與評價。該方法優(yōu)點是易于控制試驗條件、重復(fù)性好、結(jié)果可靠，缺點是需要一定的設(shè)備且能源消耗大、處理樣品數(shù)量有限、試驗結(jié)果與大田表現(xiàn)存在一定的差異。

1.3 實驗室鑒定

實驗室鑒定法可突破大豆生育期長、測定周期長的限制，在各個生育時期均可進行鑒定。但是實驗室鑒定結(jié)果與大田的抗旱性情況存在一定差異。常見的實驗室鑒定方法包括水培模擬法、高滲溶液脅迫法等，高滲溶液脅迫法應(yīng)用更為廣泛。常見的高滲溶液有蔗糖溶液、聚乙二醇溶液、甘露醇溶液、生理鹽水等。利用高滲溶液對植株進行脫水處理、模擬干旱條件并測定抗旱指標[10-11]。

2 常見的鑒定指標

2.1 農(nóng)藝性狀鑒定指標

干旱對大豆農(nóng)藝性狀的影響較大。干旱條件下，大豆株高、百粒重降低，主莖節(jié)數(shù)、分枝數(shù)、單株莢數(shù)減少。大豆單株產(chǎn)量、單株粒數(shù)和單株莢數(shù)等3個指標可作為大豆成株期抗旱性的指標。祁旭升等[12]對77個來自不同地區(qū)的大豆品種進行干旱脅迫，成株期分別對株高、有效分枝數(shù)等8個性狀進行測定，結(jié)果表明，干旱脅迫使株高、百粒重降低，生物產(chǎn)量、單株產(chǎn)量下降，有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、莢粒數(shù)減少。喬亞科等[13]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下，形態(tài)指標中的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和單株粒重與抗旱性聯(lián)系密切。張彥軍等[14]對246份大豆種質(zhì)資源進行田間自然抗旱鑒定，結(jié)果與祁旭升等[12]、喬亞科等[13]的結(jié)果一致，抗旱性與株高、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、單株生物量等6個農(nóng)藝性狀指標呈顯著正相關(guān)。

2.2 冠層萎蔫指數(shù)

在大豆整個生育期，田間材料有20%～30%的植株表現(xiàn)出萎蔫現(xiàn)象開始統(tǒng)計萎蔫指數(shù)。將萎蔫指數(shù)分為6級：無萎蔫、輕微萎蔫（個別植株出現(xiàn)萎蔫）、萎蔫（1/2 或較多的植株出現(xiàn)萎蔫）、明顯萎蔫（多數(shù)植株出現(xiàn)萎蔫）、嚴重萎蔫（葉片有灼傷或大部分葉片卷曲）、完全萎蔫（葉片黃化、褐化、大部分葉片干枯、死亡、脫落）。為了篩選出緩慢萎蔫基因型品種，每隔3～5 d 觀測記錄1次，觀測時應(yīng)避免10：00 之前觀測時存在的萎蔫情況[15-16]。

2.3 大豆根系形態(tài)指標

根作為直接感受脅迫的器官，與大豆抗旱能力有直接關(guān)系[17]。根長、側(cè)根數(shù)、根表面積、根體積4個指標可作為根系形態(tài)鑒定的指標。汪桂鳳[18]對62個大豆品種的根系形態(tài)進行研究，結(jié)果表明，根長、側(cè)根數(shù)、根表面積、根體積、根冠比與萎蔫指數(shù)呈顯著負相關(guān)，與根平均直徑呈顯著正相關(guān)。閆春娟等[19]研究發(fā)現(xiàn)，根的表面積越大、相對根生物量越多，大豆有效抵御干旱脅迫能力越強。魏曼娜[20]測定了72個大豆品種不同生育期的根系狀況，結(jié)果表明，不同大豆品種的根長、根表面積、體積、根尖數(shù)在鼓粒期最大，且與干旱脅迫呈負相關(guān)；抗旱品種的根干重、根冠比、根系活力大于不抗旱品種。韓新華等[21]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的增加，不同抗旱大豆品種的總根長、根總面積、根體積及根冠比總體呈增加趨勢。

2.4 大豆發(fā)芽指標

大豆發(fā)芽率、發(fā)芽勢等種子發(fā)芽相關(guān)指標可以作為大豆抗旱性評價的指標。大豆種子48 h 發(fā)芽率是抗旱性鑒定的方法之一。袁野等[22]測定了109份大豆材料48 h的發(fā)芽率，按照發(fā)芽率進行抗旱分級，并在大豆的萌發(fā)期、營養(yǎng)生長期和生殖生長期對發(fā)芽率抗旱等級進行驗證，結(jié)果表明，48 h 發(fā)芽率與抗旱性密切相關(guān)，并與后期脅迫結(jié)果一致。王利彬等[23]采用15%的PEG-6000溶液對91份大豆材料進行脅迫，對種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、胚根長及下胚軸長度進行測量，并根據(jù)隸屬函數(shù)值篩選出抗旱型品種6份、較抗旱型品種12份。

2.5 生理生化指標

2.5.1 光合系統(tǒng) 許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下，葉片含水量降低，大量氣孔關(guān)閉，CO2和水蒸氣進出受阻，酶活性降低，葉綠素合成速度減緩，光合作用減弱，從而影響作物干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量的形成。因此，光合作用的強弱可作為判定植物抗旱能力的指標[24]。其中，凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、葉綠素含量、光合酶活性是光合作用的主要影響因素[25]。王明澤[24]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫條件下，大豆葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率均降低?？购敌詮姷钠贩N凈光合速率、氣孔導(dǎo)度降低幅度小，蒸騰速率降幅大，不抗旱品種正好相反。汪桂鳳[18]得到的結(jié)果與王明澤[24]的研究結(jié)果一致。譚春燕等[26]研究發(fā)現(xiàn)，葉片水分利用效率較高的植株具有更高的抗旱性。

2.5.2 滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì) 常見的滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)包括可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸。干旱條件下，植物通過降低細胞的滲透勢來保護細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，從而提高抗逆能力，故滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)是重要的抗逆生化指標。其中，脯氨酸表達穩(wěn)定，可作為抗旱指標[27]。趙振寧等[28]在干旱脅迫條件下對3個大豆品種的滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)進行測定，結(jié)果表明，3個品種的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量均明顯上升，且黃豆（野生種）增加的幅度明顯高于其他2個品種，表明大豆具有更強的抗旱性。這與許興等[29]的研究結(jié)果一致。但是，可溶性糖、可溶性蛋白等滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)作為大豆抗旱指標的研究也存在不同的結(jié)果，董娜等[30]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱程度的加劇，大豆的可溶性糖含量先增加后降低，可溶性蛋白含量降低，脯氨酸含量升高。因此，為了避免造成結(jié)果的不確定性，在進行大豆抗旱性研究時應(yīng)選穩(wěn)定的滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)作為抗旱指標。

2.5.3 內(nèi)源激素 植株受到干旱脅迫時，體內(nèi)會產(chǎn)生多種內(nèi)源激素來調(diào)控植株的生長發(fā)育，其中脫落酸（ABA）是研究較多的一種。植株受到干旱脅迫時，體內(nèi)產(chǎn)生大量的脫落酸。脫落酸會使植物葉片生長受到抑制、氣孔關(guān)閉，根系吸收水分能力提高，使植物更適應(yīng)逆境環(huán)境。故可將內(nèi)源激素中的脫落酸作為一個抗旱指標[31-32]。李建英等[33]研究表明，在苗期對大豆進行干旱脅迫，大豆葉片內(nèi)赤霉素（GA）、脫落酸（ABA）的含量增加，玉米素核苷（ZR）、生長素（IAA）含量降低。劉浩然[34]對大豆抗旱品種和敏感品種進行脅迫研究，結(jié)果表明，大豆的脫落酸含量分別增長了10倍及4.6倍，茉莉酸（JA）、水楊酸（SA）含量略有下降。

2.6 大豆抗旱基因表達

植物抗旱基因根據(jù)功能可劃分為功能基因與調(diào)節(jié)基因兩大類。功能基因可在逆境條件下編碼相關(guān)蛋白直接保護植物，調(diào)節(jié)基因編碼的蛋白在相關(guān)途徑中起調(diào)節(jié)作用。功能基因主要包括滲透物調(diào)節(jié)基因、活性氧清除相關(guān)基因及保護生物大分子的活性基因；調(diào)節(jié)基因包括抗旱調(diào)節(jié)基因及轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶類信號因子等[35]。WRKY 是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，王巖巖等[36]從野生大豆中克隆得到GsWRKY57 基因，該基因在大豆葉片中表達豐度較高，受干旱等逆境誘導(dǎo)表達?？蓪sWRKY57 作為判斷抗旱指標。張春蘭等[37]以抗旱大豆品種為材料，對干旱脅迫響應(yīng)基因（BADH1、GmDREBa、GmDREBb和GmERF3）表達情況進行分析，結(jié)果表明，這4個基因相對表達量隨脅迫時間的延長均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。

3 大豆抗旱性評價方法

大豆的抗旱性通過抗旱鑒定的指標表示出來，包括農(nóng)藝性狀指標、根系形態(tài)指標、生理生化指標和抗旱基因指標。一般來說，單一評價指標可靠、簡單，可以快速地評價品種的抗旱性，但是不能綜合反映一個品種的抗旱性。大豆抗旱性是許多相關(guān)的數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀基因積累組合互作的結(jié)果。因此，為了全面準確評價、篩選抗旱品種，多采用綜合評價法。

3.1 直接評價

直接評價法是以單株產(chǎn)量指標為依據(jù)進行評價，該方法簡單易行，結(jié)果較為可靠[12]。常見的包括敏感指數(shù)、傷害系數(shù)、抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)等方法。

3.2 綜合評價

綜合評價是綜合幾個不同的指標進行評價，可以彌補單個指標的局限性，常見的綜合評價法包括隸屬函數(shù)法、平均抗旱系數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等。

3.2.1 隸屬函數(shù)法 隸屬函數(shù)法是將不同品種的多個抗旱指標的隸屬值進行累加，求其均數(shù)，并進行比較，以評價不同品種的抗旱性[28]。隸屬函數(shù)法應(yīng)用廣泛，該方法雖然煩瑣，但結(jié)果可靠。

當(dāng)某一指標與抗旱性成正相關(guān)性時，隸屬值=（某一指標某個品種的相對值-某一指標的最小值）/（某一指標最大值-某一指標最小值）；當(dāng)某一指標與抗旱性呈負相關(guān)時，隸屬值=[1-（某一指標某個品種的相對值-某一指標的最小值）]/（某一指標最大值-某一指標最小值）。

3.2.2 平均抗旱系數(shù) 平均抗旱系數(shù)（ADC）是將各性狀的抗旱系數(shù)累加求其平均值。平均抗旱系數(shù)越大，品種抗旱能力越強。根據(jù)抗旱系數(shù)的大小、抗旱分級標準可將材料分為5個級別：耐、較耐、中耐、較敏感、敏感[38]。

3.2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法 該方法可以將各品種與鑒定指標進行關(guān)聯(lián)分析，并衡量各品種及鑒定指標的關(guān)聯(lián)程度。首先將反映系統(tǒng)行為特征序列及影響系統(tǒng)行為的序列確定為參考數(shù)列和比較數(shù)列，其次對兩個數(shù)列進行無量綱化處理，最后求參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ、關(guān)聯(lián)度ri[39-41]。具體公式如下

式中，ri為灰色關(guān)聯(lián)度；n表示品種數(shù)；ξi（k）為關(guān)聯(lián)系數(shù)；i表示品種數(shù)。

4 討論

為了全面、準確地評價一個大豆品種的抗旱性，應(yīng)從形態(tài)指標、農(nóng)藝性狀、生理生化指標分別選取多個指標進行綜合評價。選取的評價指標越多，鑒定結(jié)果越可靠。但是，當(dāng)鑒定的大豆種質(zhì)批量較大時，應(yīng)綜合考慮鑒定效率、結(jié)果準確性選取評價指標。將評價指標與大豆的生育期相結(jié)合進行大豆抗旱性鑒定是一種科學(xué)合理的方法。例如萌發(fā)期可將發(fā)芽率作為主要的鑒定指標，苗期可選取根系指標、生理生化指標，成熟期可將農(nóng)藝性狀指標作為重點。