高产大豆鼓粒期叶片衰老生理规律的研究

葛 杰，张 桦，姚正培，李 月

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

大豆是新疆的主栽农作物之一。大豆蛋白含有多种氨基酸成分，除了含有人体所必需的8种氨基酸，还是一类优质植物蛋白资源［1－3］。超高产大豆“中黄35”于2006年和2007年在新疆连续创造了5197 kg/hm2和5577 kg/hm2的高产量，2010年在兵团农八师148团试验田更是达到了6088.35 kg/hm2的超高产指标［4－5］。有研究表明，大豆产量与其生殖生长的持续时间正相关，大豆籽粒重的绝大部分来源于开花后的光合产物，如果能延缓其开花后叶片的衰老，提高其生理功能，则有利于增加植物的粒重［6］。目前，在小麦、棉花等经济作物上进行了较多的叶片衰老规律研究，而关于大豆开花后叶片衰老规律的研究特别是叶片衰老对籽粒影响的报道还较少，且前期报道多集中于环境因素对大豆叶片衰老的影响方面［7－11］。本实验采用超高产大豆“中黄35号”和一般产量大豆品种新大豆“10号”为材料，研究其开花后籽粒产量形成的关键时期的叶片衰老机制，对新疆大豆高产栽培和育种研究具有一定的理论价值和实践意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验以超高产大豆“中黄35号”和新大豆“10号”为材料。

1.2 实验设计

选用伊犁地区伊宁县吉里于孜镇种植推广的“中黄35号”和新大豆“10号”大豆品种，于2013年5月6日播种。每公顷施用155 kg氮磷钾复合肥作为种肥，初花期每公顷追施155 kg尿素。初花期(7月15日)时，选取具有代表性的植株20株，在刚展开的叶片上挂牌。分别于7月15日(叶片展开当天)、7月25日(展开后10 d)、8月4日(展开后20 d)、8月14日(展开后30 d)和8月24日(展开后40 d)，每次取3～5株初花期已挂牌的叶片。植物叶片取样后立即放入液氮中速冻，返回实验室后在－40℃低温下保存。于2013年7—8月在实验室内统一测定过氧化氢酶(CAT)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MAD)浓度、叶绿素(总)含量和可溶性蛋白质含量。

1.3 测定方法

取1 g样品，加入5 mL pH值为7.8的磷酸缓冲液，采用冰浴研磨，冷冻离心10000 r/min，上清液保留用于上述项目的测定。SOD活性测定用改进的NBT光化还原法，MDA含量测定参照王晓峰等提出的方法;CAT活性测定采用改进的碘量法;可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝法;测定POX活性采用愈创木酚法;丙二醛(MDA)变化使用硫代巴比妥酸(TBA)测定;叶绿素含量用丙酮法来测定。

2 结果与分析

2.1 大豆叶片的过氧化氢酶(CAT)活性

由图1可知:大豆叶片刚展开时(7月15日)其CAT活性非常低，新大豆“10号”CAT活性仅为338 μmol H2O2·min－1·g－1FW，“中黄35 号”大豆CAT 活性为324 μmol H2O2·min－1·g－1FW。之后两者CAT活性迅速增加，至8月14日(叶片展开后30 d)达到高峰，新大豆“10号”和“中黄35号”大豆CAT 活性数值分别为 2142 μ mol H2O2·min－1·g－1FW 和1876 μmol H2O2·min－1·g－1FW。之后“中黄35号”大豆CAT活性继续升高，在叶片展后40 d，“中黄35号”大豆CAT活性远大于新大豆“10号”CAT活性，其峰值达到 2488 μmol H2O2·min－1·g－1FW 左右。过氧化氢酶(CAT)是自由基清除酶之一，是过氧化物酶体的标志性酶，约占过氧化物酶体酶总量的40%，主要作用是催化H2O2分解为H2O与 O2，避免 H2O2与O2在铁螯合物作用下反应生成有害的－OH，其活性可衡量植物叶片衰老状况。

图1 “中黄35号”和新大豆“10号”叶片的过氧化氢酶(CAT)活性比较

2.2 大豆叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性

SOD也是自由基清除酶之一，是一种源于生命体的活性物质，能消除生物体在新陈代谢过程中产生的有害物质。SOD活性可标志植物的衰老状态，它在生物体内的水平高低直观地反映了衰老与死亡。由图2可知:2个品种的大豆叶片SOD活性变化趋势不同。在植物叶片展开初期，大豆叶片SOD活性较高，峰值分别为241 unit·g－1FW和230 unit·g－1FW，且“中黄35号”大豆略高于新大豆“10号”SOD活性。之后两者SOD活性都下降。在叶片展开20 d后出现拐点，“中黄35号”SOD活性先升高再降低，数值为188 unit·g－1FW，叶片展开30 d后迅速下降;而新大豆“10号”SOD活性在8月4号之后出现了慢慢升高现象。

图2 “中黄35号”和新大豆“10号”叶片的超氧化物歧化酶(SOD)活性比较

2.3 大豆叶片过氧化物酶(POD)活性

氧化酶和过氧化氢酶都存在于过氧化物酶体中。在植物生长发育过程中过氧化物酶(POD)活性在不断地发生变化，它的作用是将对细胞有毒性物质的过氧化氢水解，保护细胞，一般在老化组织中POD活性较高，在幼嫩组织中活性较弱。过氧化物酶能使组织中所含的某些碳水化合物转化成木质素，增加植物木质化程度，因此过氧化物酶可作为组织老化的一种生理指标［12－13］。从图3可以看出:2个品种的大豆叶片刚展开时(7月15日)，“中黄35号”POD活性较低，为457 D470·mol·min－1·g－1FW，其叶片展开 10 d 内逐渐增加，7月25号后迅速降低，叶片展开后20 d再次出现谷底，之后又升高，在叶片展开后25 d达到高峰，峰值为 1475 D470·mol·min－1·－1FW，再出现缓慢下降。从叶片展开到展开10 d，新大豆“10号”POD活性降到最低，7月25号后数峰值缓慢升高，在叶片展开后30 d到达峰值953 D470·mol·min－1·g－1FW，明显低于“中黄 35 号”POD活性。

图3 “中黄35号”和新大豆“10号”叶片的过氧化物酶(POD)活性比较

2.4 大豆叶片的丙二醛(MAD)浓度

丙二醛(MDA)是脂质氧化终产物，在体外影响线粒体呼吸链复合物及线粒体内关键酶活性。在植物体内，自由基作用于脂质发生过氧化反应，氧化终产物为丙二醛，会引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合，具有细胞毒性，是反映膜质过氧化程度的重要指标［14］。在植物叶片衰老的过程中MDA积累越多，表明植物组织的保护能力越弱。由图4可知:“中黄35号”大豆MDA浓度在叶片展开后10 d内迅速上升，达到峰值3.55 μmol/g FW，然后缓慢下降;而新大豆“10号”大豆MDA浓度变化不大，一直呈下降趋势。

图4 “中黄35号”和新大豆“10号”叶片的丙二醛(MAD)浓度比较

2.5 大豆叶片叶绿素含量

光合作用通过合成一些有机化合物将光能转变为化学能，叶绿素是参与植物叶片光合作用的重要物质。植物叶片逐渐衰老时，叶绿素降解速度大于合成速度，含量下降，因此叶绿素含量高低可衡量大豆叶片的衰老状况。自大豆叶片展开0～10 d，2种大豆品种的叶绿素总量变化趋势基本一致，均缓慢下降。“中黄35号”叶片在刚展开时叶绿素总含量较低，之后逐渐增加，至20 d达到高峰，峰值为298 mg·g－1FW，然后又逐渐下降，8月14号后再次升高。新大豆“10号”和“中黄35号”品种之间的叶绿素总含量存在差异，新大豆“10号”的叶绿素总含量一直在下降，大豆叶片展开后40 d数值为207 mg·g－1FW，其叶绿素含量一直低于“中黄35号”大豆品种。

图5 “中黄35号”和新大豆“10号”叶片的叶绿素含量比较

2.6 大豆叶片可溶性蛋白质含量

可溶性蛋白质是指以小分子状态溶于水或其他溶剂的蛋白，通常是植物生理实验的重要指标，其含量与叶片光合速率密切相关，是植物叶片衰老的重要指标。叶片展开10 d时(7月25日)，“中黄35号”和新大豆“10号”的可溶性蛋白质含量较高，分别为573 mg·g－1FW 和571 mg·g－1FW;至8月4日，“中黄35号”达到最低值，为343 mg·g－1FW，之后先增加再缓慢下降。新大豆“10号”的可溶性蛋白质含量先降低后升高，在7月25日(展开后10 d)蛋白质含量达到317 mg·g－1FW，到叶片展开40 d，其数值最小为190 mg·g－1FW。总的看来，在叶片展开后0～40 d，“中黄35号”可溶性蛋白质含量高于新大豆“10号”，是大豆叶片功能较强、可溶性蛋白质含量积累较多的时期。

图6 “中黄35号”和新大豆“10号”叶片的可溶性蛋白质含量比较

3 讨论

植物CAT活性、SOD活性、POD活性、叶绿素和可溶性蛋白质含量都可反映大豆叶片的衰老状况。由本实验可以看出，大豆叶片展开后10 d(7月25日)和30 d(8月4日)是其变化的2个转折点。叶片展开后10 d，可溶性蛋白质含量、CAT活性、SOD活性以及POD活性迅速增加;叶片展开后20 d，“中黄35号”叶绿素含量达到高峰。超氧化物歧化酶活性、过氧化氢酶活性和过氧化物酶活性在2个大豆品种中的变化趋势是相似的，在叶片生长后期下降较为缓慢，但2个大豆品种间叶片衰老过程却有不同。有研究指出，大豆群体叶面积指数(LAI)是决定光合产物多少的重要指标，和植物产量密切相关。也有人认为，大豆在始花期之前，叶面积指数逐步增大，在其结荚期前后可达最大值，在大豆鼓粒期直至成熟前保持植物较大的叶面积指数能保证大豆的高产。因此，植物的光合生产率与其生物籽粒产量相关，生育后期光合生产率较高，更利于大豆籽粒产量的增加。本实验认为，超高产“中黄35号”大豆品种叶片展开后10～30 d是植物大豆的功能最强的时期，这时大豆叶片存在较强的活性氧清除能力，全生育期的总光合势较高，后期光合生产率高，对“中黄35号”大豆籽粒形成非常有利。超高产大豆“中黄35”号可溶性蛋白质含量、CAT活性、SOD活性、POD活性、叶绿素含量一般高于一般产量大豆——新大豆“10号”。

4 结束语

本研究首次取超高产“中黄35号”和新大豆“10号”2个材料，在大豆鼓粒期(叶片展开后)，采用田间实验结合室内生理生化指标测定的方法，对超高产和一般产量大豆的不同品种群体冠层叶片过氧化氢酶(CAT)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MAD)浓度、叶绿素(总)含量和可溶性蛋白质含量等生化指标进行了初步分析测定。实验结果表明:超高产大豆“中黄35”号可溶性蛋白质含量、CAT活性、SOD活性、POD活性、叶绿素含量一般情况下高于新大豆“10号”。这说明中黄35号”光合能力和细胞防御活性氧毒害的能力更强，其产量也更高。通过观察大豆籽粒产量形成关键时期(鼓粒期直至成熟前)叶片衰老规律，为新疆大豆的高产栽培和大面积丰产提供一定的理论指导和现实意义。

［1］Cooper R L，Mendiola T，St-Martin S K，et al.Registration of Apex，soybean［J］.Crop Science，2003，43:1563.

［2］Benavidez R Gosparini C O，Morandi E N.Vegetable soybean in Argentina:Breeding cultivars adapted to local production environment［C］//Lumpkin T and S Shanmuga sun daram Proceedings and Conference Information of the Second International Vegetable Soybean Conference.Tacoma Washington，USA:［s.n.］，2001:17－20.

［3］罗庚彤.新大豆1号高产纪录的创造［J］.大豆科学，2001(4):272－273.

［4］章建新，翟云龙.密度对高产春大豆生长动态及干物质积累分配的影响［J］.大豆科学，2006，25(1):1－5.

［5］李路，王连铮.超高产高蛋白广适应性大豆中黄13亩产300公斤的营养基础［J］.大豆科技与产业化，2006(1):2－34.

［6］宋慧，冯佰利.不同品种小豆根系活力与叶片衰老的关系［J］.西北植物学报，2011，31(11):2270－2275.

［7］傅金民，张庚灵，史春余，等.大豆开花后叶片衰老规律的研究［J］.西北植物学报，2000，20(5):796－ 801.

［8］高小丽，高金锋.不同绿豆品种生育后期叶片衰老的研究［J］.西北植物学报，2007，27(5):0859－0863.

［9］严雯奕，叶胜海.植物叶片衰老相关进展［J］.作物杂志，2010，4:4－9.

［10］王建勇，姚晓华.植物叶片衰老机理与调控研究进展［J］.安徽农业科学，2011，39(31):19036－19038.

［11］杨淑慎.高等植物叶片的衰老［J］.西北植物学报，2001，21(6):1271－1227.

［12］薛丽华，章建新.大豆鼓粒期非叶光合器官与粒重的关系研究［J］.大豆科学，2006，25(4):25－428.

［13］翟云龙，章建新.密度对超高产春大豆叶粒空间分布的影响研究［J］.新疆农业科学，2005，42(1).

［14］倪丽，章建新.氮肥施用对高产大豆根系、干物质积累及产量的影响［J］.新疆农业大学学报，2004，27(2):36－39.