PEG胁迫对大豆分枝期生理特性的影响

曹 帅 包乌日娜 刘 鹏

（内蒙古民族大学农学院，通辽 028042）

干旱对作物生长发育是一种环境胁迫，特别是在生殖阶段受到干旱影响时，可导致粮食产量大幅度下降，通常下降30%～40%，在极度干旱胁迫下甚至绝收[1]。近年来随着全国气候变化，降雨减少、地下水位持续下降，水资源严重不足，导致干旱面积和频率都在不断上升，这些因素严重影响并制约着农业的可持续发展[2]。当作物在干旱环境下生长，自身会做出对生长发育等方面的适应性反应，以此来适应干旱环境[3]。已有学者对大豆种质资源的筛选和鉴定的方法进行研究[4]。董兴月等[5]、杨小环等[6]研究表明，大豆叶片游离脯氨酸和可溶性糖含量在水分胁迫下均呈升高趋势；王敏等[7]、纪展波等[8]研究表明，丙二醛含量和大豆根系活性在水分胁迫下呈显著升高趋势。植物种类不同，对干旱的适应能力不同，即使同种作物的不同品种，对干旱的反应也存在差异[9]，在追求高产、优质、高效、生态、安全等多个目标协同发展的同时，筛选耐旱作物种质资源[10]，提高干旱情况下作物的产量和品质一直是科研人员重要的研究方向。

大豆[Glycine max L.]原产于中国，是最重要的经济作物之一。它不仅是人类获取蛋白质、油脂和微量营养素的重要来源，而且还是生物柴油生产最具有吸引力的作物[11]。大豆生长易受极端温度、干旱、养分缺乏和土壤酸度等不利环境因素的影响，这些因素构成了大豆生产的主要制约因素[12-13]。大豆在整个生育期对水分都极其敏感，因此耐旱大豆种质的筛选在栽培和育种领域的研究都具有重要意义。本研究以4个大豆品种为试验材料，在大豆分枝期测定叶片游离脯氨酸和丙二醛含量等指标，分析大豆对干旱胁迫的生理生化反应，以期为筛选和鉴定抗旱品种提供合理依据。

1 材料与方法

1.1 材料试验材料选用由吉林省农业科学院大豆研究所提供的4个大豆品种：杂交豆2号、杂交豆5号、吉育88和吉育72。

1.2 试验设计试验在内蒙古民族大学农场防雨棚中进行。挑选籽粒饱满、大小相似的种子，用5%的次氯酸钠消毒后，用无菌水冲洗3次。2017年5月17日将种子种植于直径30cm、高19cm、桶底带有直径1cm圆孔的花盆中，用草炭土、珍珠岩、蛭石（体积比4∶3∶3）的混合物为基质。每盆种植7株，干旱胁迫前将高分子聚乙二醇6000（PEG6000）进行高温灭菌处理后，密封放好待第2天使用。于分枝期（播种后30d）开始干旱胁迫处理，4个处理分别为：CK（营养液）、轻度水分胁迫（营养液+5%的PEG6000）、中度水分胁迫（营养液+10%的PEG6000）、重度水分胁迫（营养液+15%的PEG6000）。处理后第10天开始取样，选取长势一致、节位一致、生长健壮的幼叶测定各项指标。采用完全随机排列设计，3次重复。

1.3 测定项目及方法叶绿素含量的测定 用SPAD-502叶绿素仪在分枝期（6月20日）定点选取叶片，测定不同叶位的SPAD值。在每个叶片的前、中、后各测1次，最后取平均值。游离脯氨酸（Pro）含量测定 参照李合生等[14]的方法稍加改良。称取0.5g叶片放入具塞试管，加3%磺基水杨酸5mL，于沸水浴中提取10min，离心，取上清液2mL加入冰醋酸2mL、酸性茚三酮2mL，沸水浴显色30min，520nm波长处比色测定。可溶性糖含量的测定 采用蒽酮比色法[15]。丙二醛（MAD）含量的测定 采用硫代巴比妥酸（TBA）法[16]。

1.4 数据统计分析采用Excel 2003和DPS16.05进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫对大豆叶片SPAD值的影响图1所示，与正常供水（CK）相比，随着PEG浓度增加，吉育88、吉育72和杂交豆2号的叶绿素含量均先下降再上升，但变化幅度很小，从最高值到最低值分别降低了2.63%、2.65%和6.42%；杂交豆2号在轻度干旱处理下SPAD值极显著高于中度和重度水分胁迫处理（P〈0.01）。杂交豆5号SPAD值在不同浓度干旱下变化趋势为先升高再降低，在中度干旱情况下，SPAD值极显著高于轻度胁迫（P〈0.01），显著高于重度水分胁迫（P〈0.05）。吉育72和杂交豆2号在轻度、中度和重度干旱下SPAD值与对照相比分别下降2.33%、4.59%、1.89%和3.04%、10.11%、8.16%。在轻度干旱胁迫下，4个品种大豆SPAD值大小依次为吉育88〉杂交豆5号〉杂交豆2号〉吉育72；中度胁迫下SPAD值大小依次为杂交豆5号〉吉育88〉吉育72〉杂交豆2号；重度干旱胁迫下SPAD值大小依次为吉育88〉杂交豆5号〉吉育72〉杂交豆2号。经上述分析得出，干旱胁迫对吉育88和杂交豆5号的SPAD值影响较小，说明这2个品种对干旱反应不敏感，对水分胁迫有较强的耐受性。

2.2 PEG胁迫对大豆叶片脯氨酸含量的影响图2所示，在不同浓度水分胁迫下，吉育72叶片脯氨酸含量变化趋势为先下降后上升，其他3个品种大豆叶片脯氨酸含量变化趋势均为下降—上升—下降。在正常供水情况下，吉育88叶片脯氨酸含量极显著高于轻度水分胁迫（P〈0.01），显著高于重度水分胁迫（P〈0.05）；吉育72和杂交豆2号叶片脯氨酸含量在不同干旱胁迫处理下均极显著低于对照（P〈0.01）；杂交豆5号叶片脯氨酸含量在不同干旱胁迫处理下均显著低于对照（P〈0.05）。且吉育88叶片脯氨酸含量在各处理下均高于吉育72和杂交豆2号，杂交豆5号叶片脯氨酸含量除在重度胁迫（PEG浓度15%）处理下低于吉育72外，其余各处理均与吉育88表现出相同趋势，因此吉育88和杂交豆5号具有较强耐旱性。

图1 不同处理对大豆叶片SPAD值的影响

2.3 PEG胁迫对大豆叶片可溶性糖含量的影响由图3可知，在不同浓度PEG胁迫下，吉育72和杂交豆2号叶片可溶性糖含量均低于对照，吉育72和杂交豆2号在重度胁迫处理下叶片可溶性含量达到最低值，相比对照分别下降7.4%和38.22%。随着胁迫浓度的增加，杂交豆5号叶片可溶性糖含量变化趋势为先上升后下降；吉育88叶片可溶性糖含量变化趋势为先下降再上升。在不同浓度PEG模拟干旱胁迫处理下吉育88和杂交豆5号叶片可溶性糖含量均高于吉育72和杂交豆2号。可溶性糖是一种细胞渗透调节物质，含量高有助于调节细胞内的渗透压，延缓细胞由于受到干旱等逆境胁迫而导致的大量失水。上述分析得出，杂交豆5号和吉育88抵御干旱能力较强。

图3 不同处理对大豆叶片可溶性糖含量的影响

2.4 PEG胁迫对大豆叶片丙二醛含量的影响如图4所示，4个大豆品种在不同浓度PEG胁迫下，叶片丙二醛含量均高于对照组。杂交豆2号在重度胁迫处理下叶片丙二醛含量高达88.67nmol/g，比吉育88、吉育72和杂交豆5号丙二醛含量分别高出63.03%、35.04%和54.93%。吉育72在轻度、中度和重度干旱胁迫下叶片丙二醛含量比吉育88分别高9.64%、21.23%和17.39%，比杂交豆5号分别高31.63%、15.30%和3.32%。丙二醛含量过高易使细胞膜受到伤害，说明吉育88和杂交豆5号对干旱胁迫反应不敏感。

图4 不同处理对大豆叶片丙二醛含量的影响

2.5 PEG胁迫对大豆叶片谷胱甘肽还原酶活性的影响如图5所示，在干旱胁迫下，杂交豆2号谷胱甘肽还原酶活性迅速下降，且在轻度和重度胁迫下极显著低于对照组（P〈0.01），并在重度干胁迫下谷胱甘肽还原酶活性达到最低值0.049μmol/min，与对照相比下降70%。杂交豆5号和吉育88在不同浓度PEG处理下，谷胱甘肽还原酶活性变化趋势均为上升—下降—上升，且均高于对照。吉育88在重度水分胁迫处理下谷胱甘肽还原酶活性最高为0.10μmol/min，比对照高17.14%。吉育72除在轻度干旱胁迫处理下谷胱甘肽还原酶活性高于对照外，在中度和重度水分胁迫下均低于对照，在中度胁迫下达到最低值0.058μmol/min，相比对照下降41.64%。因为谷胱甘肽还原酶是一种保护细胞免受氧化应激损坏的酶。在相同程度的干旱胁迫下，吉育88和杂交豆5号细胞氧化损伤较小，属于耐旱型大豆品种。

图5 不同处理对大豆叶片谷胱甘肽还原酶活性的影响

3 结论与讨论

植物进化了复杂的机制来感知和适应水分亏缺。例如，植物可以通过最大限度地吸收水分，尽量减少水分损失或积累一些渗透调节物质来应对压力，从而避免干旱[1]。叶绿素相对含量（SPAD值）、可溶性糖含量、脯氨酸含量、丙二醛含量和谷胱甘肽还原酶活性是表征作物耐旱水平最主要的生理指标。有关干旱胁迫对作物生理指标的影响已经有一些阐述。叶绿素是植物的光合色素，主要体现出植物对光能利用率[17]。可溶性糖和脯氨酸含量都是细胞内重要的渗透调节物质，可溶性糖和脯氨酸含量高有利于调节细胞内的渗透压，延缓细胞由于受到干旱等逆境胁迫而导致的大量失水[18]。当植物遇到逆境胁迫时，通常游离脯氨酸含量会大量积累[19]。卢琼琼等[20]研究干旱胁迫对大豆苗期光合生理特性的影响得出水分胁迫处理组叶片中的脯氨酸含量较对照都显著增加。本研究表明大豆分枝期叶片脯氨酸含量均低于对照，这与卢琼琼等[20]研究结果恰好相反，还需进一步试验论证。丙二醛作为膜脂过氧化的最终产物，它的积累会严重地损伤生物膜结构[21]。芮海英等[22]研究了苗期干旱胁迫对不同大豆品种叶片保护酶活性及丙二醛含量的影响，发现随着干旱胁迫时间的延长MDA含量均有积累。本研究表明大豆干旱胁迫后丙二醛含量均高于对照，与前人研究结果一致。谷胱甘肽还原酶活性可以有效地保护细胞免受氧化应激损坏[23]，张腾国等[24]研究了10%的PEG模拟干旱胁迫下油菜谷胱甘肽还原酶活性的变化，发现2种油菜谷胱甘肽还原酶活性与对照相比显著升高。本研究结果得出4个品种大豆SPAD值和叶片脯氨酸含量平均值大小均为杂交豆5号〉吉育88〉吉育72〉杂交豆2号；叶片可溶性糖含量和谷胱甘肽还原酶活性均值大小依次为吉育88〉杂交豆5号〉吉育72〉杂交豆2号；叶片丙二醛含量大小依次为杂交豆2号〉吉育72〉吉育88〉杂交豆5号。综上所述，根据不同浓度PEG模拟干旱胁迫下4个品种大豆的综合生理反应及表型特征，耐旱性品种表现为叶片叶绿素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量和谷胱甘肽还原酶活性均高于对干旱胁迫反应敏感品种，丙二醛含量呈现相反趋势。可知吉育88和杂交豆5号在分枝期表现出更强的耐旱能力。