于華榮， 郭 園， 曹 帥， 向殿軍， 劉 鵬， 李志剛

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

干旱脅迫是抑制作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素之一[1]，我國(guó)是全球干旱最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，干旱和半干旱面積約占國(guó)土總面積的52.5%，同時(shí)約有48.5%的耕地處于干旱或半干旱地區(qū)，其中約51.9%的耕地沒(méi)有灌溉條件[2]。2011年以來(lái)通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)作物受旱面積為50.8萬(wàn)hm2，占全市總播種面積的33.7%，隨著全球變暖，北方土壤蒸發(fā)量較大和西部水資源短缺的地區(qū)，干旱嚴(yán)重制約著我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

大豆是重要的糧、油、飼兼用作物，我國(guó)每年進(jìn)口大豆量達(dá)國(guó)內(nèi)產(chǎn)值的5倍。大量進(jìn)口大豆對(duì)我國(guó)大豆產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大沖擊，國(guó)內(nèi)大豆產(chǎn)業(yè)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，如何提升大豆產(chǎn)量就顯得十分重要[3]。而干旱一直是限制大豆產(chǎn)量的重要因素之一，干旱致使大豆體內(nèi)水分缺失，從而破壞大豆體內(nèi)源庫(kù)流的正常運(yùn)行，阻礙大豆的生長(zhǎng)發(fā)育、使大豆品質(zhì)下降、抑制其光合作用、呼吸作用以及氮代謝等，導(dǎo)致大豆產(chǎn)量降低20%～50%，甚至絕產(chǎn)[4-5]。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)大豆耐旱性鑒定及種質(zhì)資源篩選做了大量研究，臧紫薇等[6]、李貴全等[7]研究表明，干旱脅迫會(huì)嚴(yán)重抑制大豆葉綠素的合成，致使葉綠素含量降低。Zenis等[8]研究表明，干旱脅迫會(huì)阻礙大豆根、莖、葉的正常發(fā)育，降低株高和葉面積系數(shù)。王敏等[9]研究表明，干旱脅迫會(huì)降低大豆的單株莢數(shù)、粒數(shù)、粒重、分枝數(shù)和產(chǎn)量等，從而導(dǎo)致葉片黃化、脫落節(jié)位增加，且不同種質(zhì)間存在差異。根瘤作為豆類獨(dú)有特征，可反映干旱脅迫對(duì)大豆的影響程度，同時(shí)根瘤數(shù)量和質(zhì)量還可決定整個(gè)植株的營(yíng)養(yǎng)狀況。王偉等[10]對(duì)30份大豆種質(zhì)進(jìn)行耐旱性綜合評(píng)價(jià)、根據(jù)大豆生長(zhǎng)性狀、葉片相對(duì)含水量和生物量等性狀，篩選出五河齊黃豆、PI 595843和科豐1號(hào)等耐旱種質(zhì)。由于單個(gè)性狀或少數(shù)性狀無(wú)法全面反映出大豆的耐旱性，所以用多個(gè)性狀和分析方法綜合評(píng)價(jià)大豆的耐旱性更為準(zhǔn)確，同時(shí)大豆開花期缺水，會(huì)影響大豆植株的結(jié)實(shí)率和籽粒的飽滿程度。為此，本試驗(yàn)選用前人[11-13]已鑒定的耐旱品種及普通品種作試驗(yàn)材料，在科爾沁沙質(zhì)土壤中進(jìn)行大豆開花期干旱脅迫試驗(yàn)。在開花期取樣測(cè)定、利用生理性狀、農(nóng)藝性狀和百粒重等15個(gè)性狀綜合分析不同大豆種質(zhì)間的抗旱能力，以期篩選出適宜科爾沁區(qū)種植的大豆種質(zhì)，同時(shí)，在了解大豆耐旱機(jī)理的基礎(chǔ)上，闡明大豆在干旱處理下各性狀之間的關(guān)聯(lián)，深入了解大豆各性狀的作用機(jī)制，進(jìn)一步了解大豆的耐旱機(jī)理，并為耐旱品種的選育及干旱地區(qū)土地的有效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試大豆品種共7份，分別為：黑農(nóng)44、綏農(nóng)28、四粒黃、吉林47、晉豆40、雜交豆5號(hào)、吉育86，均由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，將大豆播種于55 cm×40 cm×35 cm的花盆中，花盆底部有5個(gè)直徑1 cm左右的小孔用于排水，花盆內(nèi)裝有深約28 cm的科爾沁沙質(zhì)土壤，pH值為8.3，有機(jī)質(zhì)含量0.64%，全氮含量0.036%，堿解氮含量35.37 mg·kg-1，速效鉀含量77.51 mg·kg-1，速效磷含量3.71 mg·kg-1。每個(gè)花盆中播種4穴，每穴播種2粒，出苗后進(jìn)行間苗處理，保證每穴留苗1株。出苗30 d后開始進(jìn)行水分處理，7個(gè)品種分別設(shè)置對(duì)照(ck)、干旱(T)2組處理，每個(gè)品種6盆，共計(jì)42盆，其中，每組設(shè)置3盆重復(fù)，將其平均放置在2個(gè)旱棚中，旱棚的面積均為16 m2，旱棚的位置、朝向等相同且均不受建筑物遮蔽。干旱脅迫土壤含水量控制在10%，ck處理正常灌水。于開花期土壤含水量降至10%后兩組分別取樣測(cè)定各指標(biāo)，取樣后復(fù)水成熟后收獲考種。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1土壤水分測(cè)定

使用托普土壤水分速測(cè)儀TZS-1 K測(cè)定土壤水分。

1.3.2生理指標(biāo)的測(cè)定

本試驗(yàn)在科爾沁沙地生態(tài)農(nóng)業(yè)國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)于2019年大豆的開花期，每盆隨機(jī)選取有代表性的大豆3株，每株選取頂端倒三葉完全展開葉片，摘取帶回室內(nèi)，測(cè)定其丙二醛(MDA)含量、相對(duì)電導(dǎo)率、過(guò)氧化物酶(POD)活性、可溶性總糖、淀粉、游離氨基酸、脯氨酸以及葉綠素含量(葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素)。其中，MDA含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法，相對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定采用DDS-11 A電導(dǎo)儀法進(jìn)行測(cè)定，POD活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法，游離氨基酸含量測(cè)定采用茚三酮比色法，葉綠素含量測(cè)定采用浸提法，葉片中可溶性糖和淀粉含量測(cè)定采用蒽酮比色法，具體的試驗(yàn)方法參照李合生[14]和張志安[15]的方法。

1.3.3農(nóng)藝性狀測(cè)定

在大豆結(jié)莢后55 d(即成熟期)時(shí)，選擇4個(gè)單株進(jìn)行株高、底莢高度、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、根瘤數(shù)、百粒重等產(chǎn)量相關(guān)農(nóng)藝性狀測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理以及圖表的繪制工作均采用DPSV 7.05統(tǒng)計(jì)軟件和Excel 2019軟件處理分析，計(jì)算各處理生理指標(biāo)的平均數(shù)，并進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析、主成分分析和模糊隸屬函數(shù)分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)大豆葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由表1所示，干旱脅迫下，除雜交豆5號(hào)、吉育86外，其余品種可溶性糖含量均高于ck，且四粒黃和黑農(nóng)44葉片可溶性糖含量顯著高于晉豆40、雜交豆5號(hào)和吉育86；而各品種葉片淀粉含量均低于ck；葉片游離氨基酸含量、脯氨酸含量處理組均高于ck，且黑農(nóng)44和綏農(nóng)28葉片游離氨基酸含量顯著高于其他品種。從變化率上看，受脅迫后，綏農(nóng)28和四粒黃葉片可溶性糖含量和游離氨基酸含量上升幅度較大，變化率分別為0.27、0.24和7.00和5.51；而淀粉含量下降幅度相對(duì)較小，變化率為-0.38和-0.39。

表1 干旱脅迫下對(duì)大豆葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

2.2 干旱脅迫對(duì)大豆葉片質(zhì)膜系統(tǒng)的影響

MDA的含量是反映細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)，由表2可知，7個(gè)品種在干旱脅迫條件下MDA含量均高于ck，且除晉豆40和吉育86外，其余品種處理前后均呈顯著差異(p<0.05)；從變化率上看，黑農(nóng)44和四粒黃變化率均高于其他品種，變化率分別為1.12和1.00，吉育86變化率最低，僅為0.07；相對(duì)電導(dǎo)率是衡量細(xì)胞膜透性的一個(gè)重要指標(biāo)，值越大表示電解質(zhì)外滲越多，細(xì)胞膜受到的破壞性越大，干旱條件下，除四粒黃、吉育86之外其他品種干旱脅迫相對(duì)電導(dǎo)率高于ck，且呈顯著差異(p<0.05)；品種間比較，黑農(nóng)44、綏農(nóng)28、吉林47顯著高于其他品種；從變化率來(lái)看，黑農(nóng)44值最高，為1.20，四粒黃值最低，為-0.22。

表2 干旱脅迫對(duì)大豆葉片質(zhì)膜系統(tǒng)的影響

2.3 干旱脅迫對(duì)大豆葉綠素含量的影響

如表3所示，受脅迫后綏農(nóng)28、四粒黃和雜交豆5號(hào)葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量均顯著高于ck，且變化率也高于其他品種；從變化率來(lái)看，四粒黃葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量變化幅度最大，說(shuō)明四粒黃可通過(guò)調(diào)節(jié)自身葉綠素含量來(lái)適應(yīng)干旱環(huán)境，黑農(nóng)44葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量在干旱脅迫下變化幅度相對(duì)穩(wěn)定，變化率分別為-0.05、0.11、-0.02、0.03，說(shuō)明在干旱脅迫下對(duì)黑農(nóng)44影響最小。

表3 干旱脅迫對(duì)大豆葉片葉綠素含量的影響

2.4 干旱脅迫對(duì)大豆農(nóng)藝性狀的影響

由表4可見(jiàn)，干旱脅迫處理下僅晉豆40成熟期的株高略高于ck，且變化率相對(duì)較小，僅為0.02，其余品種株高均在脅迫處理后低于ck，說(shuō)明晉豆40主要受脅迫影響最?。辉诟珊得{迫處理下7個(gè)大豆品種單株粒重、單株莢皮重、根瘤數(shù)均顯著低于對(duì)照，從變化率來(lái)看，黑農(nóng)44和四粒黃受脅迫后變化率較大，分別為-0.72和-0.50、-0.73和-0.54、-0.28和-0.46；干旱脅迫處理下黑農(nóng)44和吉林47百粒重顯著高于ck外，其余品種百粒重均低于ck，說(shuō)明干旱脅迫嚴(yán)重影響了大豆的農(nóng)藝性狀，且不同品種間存在差異。

表4 干旱脅迫對(duì)大豆農(nóng)藝性狀的影響

2.5 干旱脅迫下大豆各性狀間相互關(guān)系

由表5可知，干旱脅迫下對(duì)7個(gè)大豆品種15個(gè)性狀的相對(duì)值進(jìn)行了相關(guān)性分析可知?？扇苄蕴呛颗c淀粉含量和游離氨基酸含量極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.947 7、0.877 5。游離氨基酸含量與MDA含量顯著相關(guān)，與單株莢皮重顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.847 7和-0.847 6；脯氨酸含量與相對(duì)電導(dǎo)率顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.806 6；MDA含量與單株粒重和單株莢皮重顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.785、-0.816；葉綠素a含量與葉綠素b含量、類胡蘿卜素、葉綠素a+b含量極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.948 6、0.957 4、0.995 7；單株粒重與單株莢皮重極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.95。

表5 干旱脅迫下大豆各性狀間相互關(guān)系

2.6 3個(gè)主成分特征值及貢獻(xiàn)率

為排除作用較小而干擾較大的因素，提高分析精確率，將15個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析。結(jié)果如表6所示，前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)82.556%，可見(jiàn)前3個(gè)主成分足以說(shuō)明該數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，完全符合主成分分析的要求，故取前3個(gè)主成分作為數(shù)據(jù)分析的有效成分。這3個(gè)主成分與7個(gè)抗旱性狀的相關(guān)系數(shù)(即因子負(fù)荷量)，反映了它們之間的相關(guān)性(表6)。第Ⅰ主成分特征根為5.826，貢獻(xiàn)率為38.843%，對(duì)應(yīng)特征向量中，數(shù)量較大的為葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量，相關(guān)系數(shù)分別為0.777、0.922和0.828，主要反映出大豆光合能力狀況，可稱其為光合因子。第Ⅱ主成分特征根為4.476，貢獻(xiàn)率為29.843%，對(duì)應(yīng)特征向量中，數(shù)量較大的是單株粒重和單株莢皮重，相關(guān)系數(shù)分別為0.860、0.843，主要反映出大豆結(jié)實(shí)情況，可稱其為產(chǎn)量因子；第Ⅲ主成分與各指標(biāo)的因子荷載中，以根瘤數(shù)的負(fù)荷量最大，相關(guān)系數(shù)為0.690，可反映出大豆地下部位生長(zhǎng)情況，將其稱為地下生長(zhǎng)因子。

表6 干旱脅迫下大豆材料各性狀的主成分分析及各因子載荷矩陣

綜上分析，由于前3個(gè)主成分反映了原來(lái)15個(gè)指標(biāo)82.556%的信息，對(duì)大豆耐旱性的影響較大，因此可以用葉綠素含量、單株粒重和根瘤數(shù)3個(gè)指標(biāo)作為大豆耐旱性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

2.7 干旱脅迫下大豆品種的模糊隸屬函數(shù)耐旱性評(píng)價(jià)

采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對(duì)大豆干旱脅迫的耐受性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，把各個(gè)品種的各項(xiàng)性狀的隸屬值累加求平均值。隸屬值越大，耐旱性越強(qiáng)。通過(guò)比對(duì)7個(gè)大豆品種的隸屬值，進(jìn)行耐旱性排序(表7)，抗旱性由強(qiáng)到弱順序依次為：四粒黃、綏農(nóng)28、雜交豆5號(hào)、吉林47、黑農(nóng)44、晉豆40、吉育86。

表7 干旱脅迫下大豆各指標(biāo)參數(shù)的隸屬值

3 討 論

3.1 干旱脅迫對(duì)大豆葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

在干旱壓力條件下，作物為了抵抗干旱壓力，在生理代謝中產(chǎn)生一系列的適應(yīng)調(diào)整反應(yīng)。滲透調(diào)節(jié)是作物抗干旱脅迫的重要生理機(jī)制之一[16]。探索作物在干旱脅迫下的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，對(duì)耐旱品種的選育和配套的栽培技術(shù)非常重要。王一鳴[17]和蔡昆爭(zhēng)等[18]研究表明，作物在干旱條件下生長(zhǎng)，會(huì)通過(guò)增加自身滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，使細(xì)胞膨壓保持在正常范圍內(nèi)，脯氨酸、可溶性糖、淀粉、游離氨基酸等物質(zhì)均參與作物的滲透調(diào)節(jié)。本研究表明，干旱脅迫降低了各品種葉片淀粉含量，增加了游離氨基酸、脯氨酸含量，可溶性糖含量除雜交豆5號(hào)、吉育86兩品種外其余品種也是增加的。在干旱脅迫下，大豆自身通過(guò)增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，致使組織水勢(shì)下降，以此來(lái)維持自身細(xì)胞膨壓，從而保證其自身生理代謝活動(dòng)可以正常運(yùn)行，7個(gè)品種中以四粒黃和綏農(nóng)28兩個(gè)品種各滲透調(diào)節(jié)性狀在脅迫條件下表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性，晉豆40和吉育86受脅迫后，兩品種表現(xiàn)出對(duì)干旱的敏感性。

3.2 干旱脅迫對(duì)大豆葉片質(zhì)膜系統(tǒng)的影響

與正常供水條件相比，干旱脅迫會(huì)使植物積累大量的活性氧，致使細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，從而形成MDA，造成膜系統(tǒng)受損，增加質(zhì)膜透性，導(dǎo)致胞內(nèi)電解質(zhì)外滲。MDA作為細(xì)胞膜質(zhì)過(guò)氧化的重要產(chǎn)物之一，可以衡量植物在逆境生長(zhǎng)中受傷害的程度。相對(duì)電導(dǎo)率也是衡量細(xì)胞膜穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。賈斯淳等[19]研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致大豆葉片MDA含量在各生育期均顯著增加。季楊等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫條件下，鴨茅葉片及根系相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量均顯著升高。本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫條件下各大豆品種MDA含量均顯著高于正常灌水時(shí)的含量，且黑農(nóng)44和四粒黃葉片MDA含量變化率均高于其他品種。而相對(duì)電導(dǎo)率，僅有四粒黃和吉育86兩品種低于對(duì)照?？赡苁歉珊得{迫不僅致使大豆細(xì)胞膜受到損害，還導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)過(guò)氧化程度提升，內(nèi)溶物外滲，未能有效的排除體內(nèi)所積累的活性氧，且吉育86和晉豆40所受傷害程度高于其他品種。

3.3 干旱脅迫對(duì)大豆葉綠素含量的影響

光合作用作為植物維持生命的最基本活動(dòng)，是對(duì)干旱脅迫響應(yīng)最為敏感的生理性狀之一，植物在干旱條件下生長(zhǎng)會(huì)破壞其水分代謝，致使葉綠素分解，直接影響植物光能電子傳遞和轉(zhuǎn)換[21]。葉綠素a和葉綠素b作為葉綠素的主要組成成分，是植物不可缺少的植物色素[22]。葉綠素a主要吸收長(zhǎng)波光，葉綠素b主要吸收短波光。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉片光合色素含量降低，影響植物對(duì)光能的正常吸收，影響后續(xù)光能的傳遞、耗散和分配，最終破壞光合作用的正常進(jìn)行[23]。本研究表明，受脅迫后，綏農(nóng)28、四粒黃和雜交豆5號(hào)葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量均顯著高于ck，說(shuō)明其在受到干旱脅迫后擁有較強(qiáng)的光能吸收能力，能較好地適應(yīng)脅迫環(huán)境。而吉育86、晉豆40和吉林47三個(gè)品種，葉片葉綠素a含量和葉綠素b含量均低于對(duì)照，可能是干旱脅迫致使其光合色素分解，光合作用未能正常運(yùn)行。

3.4 干旱脅迫對(duì)大豆農(nóng)藝性狀的影響

干旱作為影響植物正常生長(zhǎng)最為嚴(yán)重的逆境因子之一，植物各器官生長(zhǎng)情況及其生物量分配比例的變化均是植物應(yīng)對(duì)逆境脅迫的基本響應(yīng)機(jī)制之一。前人研究表明，水分脅迫會(huì)降低植物株高、莖粗、葉面積系數(shù)、百粒重和單株產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀。本研究中7個(gè)大豆品種株高、單株粒重、單株莢皮重和根瘤數(shù)均低于對(duì)照，僅有吉林47和黑農(nóng)44百粒重高于ck，但由于其他農(nóng)藝性狀表現(xiàn)并不理想，單一性狀并不能說(shuō)明其耐旱性較好。這一結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[24-25]。

3.5 干旱脅迫下大豆各性狀間相互關(guān)系

前人研究表明，采用單一性狀對(duì)種質(zhì)耐旱性鑒定并沒(méi)有說(shuō)服力，且不同性狀對(duì)種質(zhì)耐旱性影響強(qiáng)弱也并不一致[26-27]。因此，為更全面準(zhǔn)確鑒定大豆種質(zhì)耐旱性，需綜合多項(xiàng)性狀共同評(píng)價(jià)。本研究對(duì)7個(gè)大豆品種15個(gè)性狀進(jìn)行相關(guān)性分析表明，可溶性糖含量與淀粉含量和游離氨基酸含量呈極顯著正相關(guān)。游離氨基酸含量與MDA含量呈顯著相關(guān)，與單株莢皮重呈顯著負(fù)相關(guān)；脯氨酸含量與相對(duì)電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)；MDA含量與單株粒重和單株莢皮重呈顯著負(fù)相關(guān)；葉綠素a含量與葉綠素b含量、類胡蘿卜素、葉綠素a+b含量呈極顯著正相關(guān)；單株粒重與單株莢皮重呈極顯著正相關(guān)水平。說(shuō)明大豆受到干旱脅迫后，提升自身可溶性糖含量來(lái)調(diào)控自身滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，也可通過(guò)自身脯氨酸含量調(diào)節(jié)大豆在逆境環(huán)境下的平衡，以此來(lái)降低相對(duì)電導(dǎo)率從而維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性，降低MDA含量，提升單株粒重和單株莢皮重，以此來(lái)增加產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

干旱脅迫使細(xì)胞膜質(zhì)透性增大、破壞了大豆?jié)B透調(diào)節(jié)平衡、影響了光合性能和生長(zhǎng)情況。本試驗(yàn)條件下，7個(gè)大豆品種中以四粒黃和綏農(nóng)28具有較強(qiáng)的耐旱性，適宜在科爾沁區(qū)大面積種植，而吉育86和晉豆40為干旱敏感品種。通過(guò)主成分分析用葉綠素含量、單株粒重和根瘤數(shù)3個(gè)指標(biāo)，可以作為大豆耐旱性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。