低磷胁迫下不同野生大豆的形态和生理响应差异

董秋平++赵恢++张小芳++张炜坤++张华雪++张锴++李桂兰++乔亚科

摘要：选用9份耐低磷能力存在差异的野生大豆，在苗期通过浇灌低磷营养液进行低磷胁迫处理，分别测定不同的形态、生理指标，分析不同材料间各指标的表现差异。结果表明：不同野生大豆材料的形态和生理指标对低磷胁迫的响应不同，并存在显著差异；在低磷胁迫下，株高、干物质质量及全磷含量均降低，耐低磷材料的降幅均低于磷敏感材料；丙二醛含量升高，不同材料随胁迫时间延长，丙二醛积累增幅差异逐渐加大，敏感型的野生大豆材料增幅显著大于耐低磷的材料；不同野生大豆的光合色素含量随着低磷处理的时间增加表现不同，耐低磷材料在低磷处理后光合色素含量先降低后升高，可以恢复到处理前水平，低磷敏感材料不能恢复。

关键词：野生大豆；低磷胁迫；形态指标；生理指标

中图分类号： S565.101文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）09-0079-04

磷是植物必需的营养元素之一，在植物生长发育及新陈代谢过程中起着重要的作用[1]。磷在土壤中的有效性和含量较低（含量约为2 μmol/L），一般以无机、有机2种形态存在，但能被植物直接吸收利用的无机磷只占土壤全磷的1%[2]。事实上，土壤中的有效磷远远不能满足一季作物的需求，因而只有通过向土壤中不断施用磷肥，作物才能获得或维持较高产量。由于近年来磷肥施用量的不断增多，使得土壤盈余的农田磷通过地表径流、渗漏方式向地表、地下水体迁移，从而增加了农田磷的环境风险[3]。

大豆是需磷量较大的作物，其整个生育期均要有较高的磷营养水平，其中以出苗到盛花期对磷的要求最为迫切。大豆植株缺磷后将表现出明显的缺素症状，如植株变矮、叶片变小、出现坏死斑点等，若植株结荚期缺磷，还将导致叶片脱落、花期延迟、结荚变少等症状出现，从而严重影响大豆产量和品质[4-5]。大豆耐低磷种质资源匮乏，遗传基础狭窄，成为大豆耐低磷育种的瓶颈[6]。

野生大豆（Glycine soja L.）是栽培大豆的近缘野生物种，目前人们已经对野生大豆开展了包括生态学[7]、结构植物学[8]、品质化学[9]、植物保护[10]等基础生物学研究。结果显示，野生大豆化学品质特异，同时具有抗病、抗虫、抗旱、耐贫瘠等较强的抗逆性和适应能力。野生大豆对于拓宽大豆育种遗传基础、创造新资源及选育新品种将起到一定的作用。近年来，野生大豆种质资源利用在大豆品质改良中已有许多成功的事例，目前已筛选出一批优质、抗逆性强的种质资源[11-13]。但是，目前关于野生大豆在大豆耐低磷育种中的应用研究较少。

本研究以前期初步筛选出的9份野生大豆为材料，通过低磷胁迫处理后测定不同类型材料的形态、生理指标，比较不同类型的野生大豆在低磷胁迫下的耐低磷能力，以期探讨野生大豆的耐低磷机制，从而为野生大豆耐低磷基因型的筛选和大豆遗传改良提供方法和材料基础。

1材料与方法

1.1供试材料

本试验选用笔者所在课题组自1997年从河北省东部沿海搜集而来并且经低磷缺素鉴定的9份野生大豆，分级标准、分级结果分别见表1、表2。

1.2试验设计

试验于2014、2015年在河北科技师范学院进行，采用盆栽试验方法。在直径为8 cm的营养钵中装入用自来水冲洗干净的细湿沙，摆放在长×宽×高为46.5 cm×35.0 cm×135 cm的塑料盆中，随机区组设计。野生大豆籽粒硬实，不易吸水，为了能正常出苗，用刀割破其种皮。每份材料播6钵，每钵6粒，并使材料在盆中随机排列，播种后覆盖约1 cm的湿沙。播种1周后，开始浇灌霍格兰氏营养液[14]，营养液磷素水平设无磷（P0）、正常磷（P1）2个水平，其中无磷（P0）营养液使用氯化钾（KCl）替代磷酸二氢钾（KH2PO3），每隔 5 d 浇1次营养液，其余时间视情况补充水分。出苗10 d后间苗，每盆留下大小均匀的3株。生长期间进行观察并记载生物学特性，在低磷胁迫12 d开始每隔6 d测1次植株的光合色素、丙二醛含量。生长到50 d，每个处理取3株进行各形态指标测定。

1.3测定项目与方法

1.3.1形态指标测定项目与方法出苗后30 d进行缺素症调查并进行分级。冲洗干净处理50 d的植株根系的沙土，分别采集地上部分、根系（以子叶节为界）并测量相关指标。株高的测量：子叶节至植株顶端生长点的高度；干物质质量：将地上部分、根系放入烘箱中，在105 ℃左右杀青30 min，之后于70 ℃烘干至恒质量，分别用1/10 000电子天平称量地上部、根部干物质量。

1.3.2生理指标测定项目与方法每个处理取相同部位的叶片，每个指标重复测定3次。

光合色素含量参照王学奎的80%丙酮比色法[15]测定；丙二醛含量参照杨晴等的硫代巴比妥酸比色法[16]测定；植株全磷含量的测定采用硫酸钾过氧化氢消煮，钒钼黄比色法[17]。

1.4数据统计分析

数据采用Excel 2007和SPSS 19进行整理和分析。相關计算公式：

形态指标降幅=（正常磷对照测定值-低磷测定值）/正常磷对照测定值×100%；

丙二醛增幅=（低磷处理测定值-处理前测定值）/处理前测定值×100%；

光合色素降幅=（处理前测定值-低磷处理测定值）/处理前测定值×100%。

2结果与分析

2.1低磷胁迫对不同野生大豆形态的影响

由表3可见，在低磷胁迫下，野生大豆生长受到抑制，各形态指标均出现不同程度的下降。

2.1.1低磷胁迫对野生大豆株高的影响由表3、图1可以看出，不同野生大豆材料受低磷胁迫的影响不同，低磷胁迫对不同野生大豆株高的影响达到极显著水平；材料2012编4、2012编6、2012编8在低磷胁迫下基本不受影响，株高的降幅小于20%，植株生长旺盛，在低磷条件下可以正常生长；材料2012编37对磷极其敏感，供磷植株株高43.57 cm，而缺磷植株株高仅为13.80 cm，降幅达到70.45%，地上部分基本枯萎，不能正常生长，植株受到很大的影响，不能完成相应的生活史，在生育期40 d左右开始死亡；其他材料在低磷胁迫下株高均受到不同程度的抑制，植株生长缓慢，但都能存活。

2.1.2低磷处理对不同野生大豆干物质量的影响植株干物质量是磷利用情况的反映。由图2、表3可见，在低磷环境下野生大豆根质量、地上部干质量均低于正常磷环境，低磷胁迫对不同野生大豆的根系干质量、地上部干质量的影响达到显著或极显著水平。分析可知，野生大豆耐低磷级别与干物质量降幅呈极显著正相关，相关系数分别为0.714、0.920。在低磷条件下，材料2012编39、2012编4、2012编6、2012编8、2012编93、2012编82的根质量降幅在20.79%～52.62%之间，与敏感材料差异明显；磷敏感材料2012编36、2012编37的根质量下降幅度较大，分别为71.19%、71.05%（表3）。结果说明，磷胁迫下耐低磷材料根系受到的影响较小。

在低磷条件胁迫下，地上干物质量下降幅度最小的是2012编4，为25.17%；下降幅度较大的为2012编36、2012编37，这些材料的下降幅度达到90%以上，基本绝产；其余各材料均受到不同程度的影响，下降幅度在44%～79%之间（图3）。2012编4、2012编6、2012编8、2012编39、2012编82之间地上干物质量降幅差异不显著，但均显著低于磷敏感材料2012编36、2012编37（表3）。结果说明，磷胁迫下耐低磷材料地上部干物质量受到的影响较小。

2.2低磷胁迫对不同野生大豆生理指标的影响

2.2.1低磷胁迫对不同野生大豆丙二醛含量的影响由表4可见，低磷胁迫造成野生大豆叶片的丙二醛含量增加，不同野生大豆材料间随低磷胁迫时间的延长，丙二醛含量增幅差异加大；低磷胁迫处理12 d时，材料2012编37丙二醛的增幅显著高于其余材料，达到85.86%，其余材料差异不显著；低[CM（25]磷胁迫处理18[KG*3]d时，材料2010编35、2012编36、2012编 37增幅达到136.33%～241.10%，与其余大部分材料存在显著差异；低磷处理24 d时，不同耐低磷级别之间的丙二醛增幅差异达到显著水平，此时丙二醛增幅与耐低磷级别存在极显著相关性（r=0.792），丙二醛增幅越大，耐低磷能力越弱。结果表明，丙二醛含量增幅可作为野生大豆耐低磷鉴定指标，并且在低磷胁迫24 d后测定合适。

2.2.2低磷胁迫对不同野生大豆光和色素含量的影响由图4可见，低磷胁迫造成野生大豆叶片的光合色素含量变化，不同材料的变化趋势存在差异；材料2012编4、2012编6、2012编8在低磷胁迫后变化趋势表现为先下降后上升，在处理 18 d 或12 d时出现1个低谷，在处理24 d时上升到低磷胁迫前的水平；材料2010编35、2012编36、2012编37在低磷处理后光合色素含量明显下降，而且到24 d時光合色素含量不能恢复，此时降幅分别为50.6%、55.3%、48.2%。低磷胁迫到24 d时，光合色素降幅与耐低磷级别呈显著正相关（r=0.798）。结果表明，在低磷胁迫24 d后光合色素的含量降幅可作为野生大豆耐低磷鉴定指标。

2.3低磷胁迫下野生大豆植株磷含量

由图5可见，低磷胁迫下野生大豆植株的全磷含量均下降，材料之间降幅存在差异。野生大豆耐低磷级别与植株磷含量降幅呈极显著正相关（r=0.803），材料2010编35、2012编36、2012编37的磷含量下降幅度明显大于其余材料，分别为 79.2%、90.2%、92.9%，说明这些材料对磷极其敏感；材料2012编4、2012编6降幅较小，降幅分别为20.6%、285%，表现出低磷条件下有较强的磷吸收、积累能力。

3讨论

磷是作物生长发育所必需的大量元素之一，缺磷可以使作物的形态指标、产量发生变化，同时可以引起作物发生一系列的生理生化反应。大豆缺磷时，植株矮小，早期叶色浓绿，叶厚且凹凸不平，无光泽，底部叶片脉间失绿，生长缓慢，根系不发达；出现花期、成熟期延迟，籽粒小，产量下降等特征[5]。有研究显示，低磷胁迫对苗期大豆株高、分枝数和主茎节数等植株形态性状影响较小[18-19]。而刘渊等研究认为，低磷胁迫对大豆株高影响较大[20-21]。在本研究中，低磷胁迫下不同野生大豆植株整体表现细弱，株高降低，但受到的抑制程度不同，部分材料受到的影响较小，低磷耐受程度强；部分材料株高受到很大的抑制，为低磷敏感材料。根是植物养分主要吸收器官，在低磷胁迫的逆境中最先感受到胁迫。有研究表明，植物根系形态指标（根长、根表面积和根体积）与磷效率间存在显著正相关[18-26]。本研究从根质量的角度反映不同野生大豆的耐受程度，结果表明，耐受程度高的材料根质量较高，说明根干质量指标可以作为筛选不同野生大豆耐低磷程度的参考。地上部干质量和植株含磷量是植株耐低磷性的直接表现，已被作为筛选植物耐低磷的指标应用在水稻[27-28]、高粱[29]、玉米[30]、大豆[21，24]等作物上。本研究与其他研究一致，认为在低磷胁迫下，不同材料地上部干质量、含磷量均减少，且耐低磷材料降幅小于低磷敏感型的材料。

植物在低磷胁迫后发生一系列的生理生化反应，从而调节植物的生长发育[23，26，31-34]。光合色素含量与植物光合作用关系密切，当植物在逆境条件下，植物体内叶绿素受到破坏，光合作用受到抑制，最终导致植物不能正常生长，因此光合色素含量的下降是植物受到胁迫所表现的关键生理特征。在本研究中，在低磷胁迫后12、18 d时，野生大豆的光合色素含量均明显下降；在低磷胁迫24 d时，不同材料光合色素含量出现明显差异，耐低磷型的材料光合色素含量能恢复到低磷处理前的水平，这部分材料可以进行正常的光合作用，植株可以正常生长，敏感型的材料不能恢复到处理前的水平，植物体不能进行正常的光合作用，植株不能完成其生活史，说明耐低磷野生大豆材料具有自我调节机制以适应低磷环境。丙二醛是膜脂过氧化分解的终产物，在逆境胁迫下，超氧自由基不断累积并提高了植物组织脂膜氧化的程度，使其最终产物丙二醛含量增加。本研究表明，在低磷胁迫后，野生大豆的丙二醛含量增加，在不同材料之间，随胁迫时间延长，丙二醛积累增幅差异逐渐加大，到处理24 d时差异达到显著水平，敏感型的野生大豆材料增幅显著大于耐低磷材料。

4结论

本研究探讨了盆栽条件下低磷胁迫对不同野生大豆材料苗期形态、生理指标的影响。结果表明，低磷条件下耐低磷材料表现为具有保持正常生长的能力，株高、干物质量降幅明显低于磷敏感材料；具有较强的磷吸收、积累能力；丙二醛增加幅度显著或明显小于敏感材料；能维持较高光合水平并在一定时间（24 d）恢复到正常光合水平。此外，研究表明，野生大豆耐低磷能力与植株干物质量、磷含量、丙二醛含量、光合色素含量有显著的相关性，可作为鉴定野生大豆耐低磷指标，丙二醛、光合色素含量在低磷胁迫24 d后测定能够显示出材料之间的差异。

参考文献：

[1]王保明，陈永忠，王湘南，等. 植物低磷胁迫响应及其调控机制[J]. 福建农林大学学报（自然科学版），2015，44（6）：567-575.

[2]丁广大，陈水森，石磊，等. 植物耐低磷胁迫的遗传调控机理研究进展[J]. 植物营养与肥料学报，2013，19（3）：733-744.

[3]Win M，Nakasathien S，Sarobol E. Effects of phosphorus on seed oil and protein contents and phosphorus use efficiency in some soybean varieties[J]. Kasetsart J Nat Sci，2010，44：1-9.

[4]吴冬婷. 磷素营养对大豆磷素吸收与产量的影响[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2012.

[5]鲁剑巍. 大豆常见缺素症状图谱及矫正技术[M]. 北京：中国农业出版社，2012：15-18.

[6]Zhang D，Song H，Cheng H，et al. The acid phosphatase-encoding gene GmACP1 contributes to soybean tolerance to low-phosphorus stress[J]. PLoS Genetics，2014，10（1）：e1004061.

[7]Goto H，Shimada H，Horak M J，et al. Characterization of natural and simulated herbivory on wild soybean （Glycine soja Seib. et Zucc.） for use in ecological risk assessment of insect protected soybean[J]. PLoS One，2016，11（3）：e0151237.

[8]Chen P，Yan K，Shao H，et al. Physiological mechanisms for high salt tolerance in wild soybean （Glycine soja） from Yellow River Delta，China：photosynthesis，osmotic regulation，ion flux and antioxidant capacity[J]. PLoS One，2013，8（12）：e83227.

[9]Haun W，Coffman A，Clasen B M，et al. Improved soybean oil quality by targeted mutagenesis of the fatty acid desaturase 2 gene family[J]. Plant Biotechnology Journal，2014，12（7）：934-940.

[10]原麗. 禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）毒素对野生大豆幼苗根茎的影响[D]. 新乡：河南科技学院，2014.

[11]张玉梅，胡润芳，林国强. 福建省野生大豆耐盐种质的筛选[J]. 中国农学通报，2014，30（27）：114-118.

[12]王迪. 抗草甘膦野生大豆资源筛选鉴定及抗性机理研究[D]. 秦皇岛：河北科技师范学院，2014.

[13]崔杰印，于凤丽，吴纪安，等. 野生大豆种质资源抗旱性筛选[J]. 中国西部科技，2014，295（2）：70-71.

[14]郭世荣. 无土栽培学[M]. 北京：中国农业出版社，2003：26-30.

[15]王学奎. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 2版.北京：高等教育出版社，2006：58-60.

[16]杨晴，郭守华. 植物生理生化实验[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2010：53-55.

[17]钟磊. 农杆菌介导大豆未成熟子叶节遗传转化及转录因子GmPTF1在大豆中的表达[D]. 秦皇岛：河北科技师范学院，2012.

[18]张彦丽，贾健辉，赵月琪，等. 大豆苗期耐低磷筛选指标的研究[J]. 农业科学与技术（英文版），2010，11（3）：87-89，97.

[19]刘婧琦，谢甫绨，敖雪，等. 磷对不同磷效率大豆品种光合生理和农艺性状的影响[J]. 大豆科学，2009，28（2）：217-220.

[20]刘渊，李喜焕，王瑞霞，等. 大豆耐低磷指标筛选与耐低磷品种鉴定[J]. 中国农业科技导报，2015，104（4）：30-41.

[21]武兆云，郭娜，赵晋铭，等. 大豆苗期耐低磷主成分及隶属函数分析[J]. 大豆科学，2012，31（1）：42-46.

[22]赵艳红，陈怀珠，杨守臻，等. 大豆耐低磷鉴定指标研究[J]. 大豆科学，2009，28（1）：175-177.

[23]谢甫绨，孙海姝，张惠君，等. 磷素对不同品质类型大豆光合生理的影响[J]. 大豆科学，2012，31（2）：232-236.

[24]王英，李喜焕，张彩英. 河北大豆地方品种耐低磷种质筛选[J]. 大豆科学，2009，28（4）：588-594.

[25]马兆惠. 磷酸二铵对单混种植条件下超高产大豆农艺性状和生理生化指标的影响[D]. 沈阳：沈阳农业大学，2014.

[26]蒋小忠. 磷素对小麦生长发育特性、产量和品质的影响[D]. 扬州：扬州大学，2008.

[27]李莉，张锡洲，李廷轩，等. 高产磷高效水稻磷素吸收利用特征[J]. 应用生态学报，2014，25（7）：1963-1970.

[28]曹璇，赵建宁，李刚，等. 磷高效转基因水稻磷效率特征分析[J]. 中国农学通报，2015，31（24）：14-18.

[29]马建华，王玉国，孙毅，等. 低磷胁迫对不同品种高粱苗期形态及生理指标的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2013，19（5）：1083-1091.

[30]贺囡囡. 磷高效甜玉米品种筛选及营养差异性研究[D]. 湛江：广东海洋大学，2010.

[31]李俊，张春雷，秦岭，等. 不同磷效率基因型油菜对低磷胁迫的生理响应[J]. 中国油料作物学报，2010，32（2）：222-228，234.

[32]何鹏. 低磷胁迫下橡胶树的生理应答及SSH文库构建与分析[D]. 海口：海南大学，2011.

[33]崔世友. 与产量有关的大豆株型、光合生理及耐低磷性状的基因定位[D]. 南京：南京农业大学，2006.

[34]敖雪，谢甫绨，刘婧琦，等. 不同磷效率大豆品种光合特性的比较[J]. 作物学报，2009，35（3）：522-529.