烯效唑对苗期低温胁迫下红小豆产量及茎部抗逆生理指标的影响

李 琬，项洪涛，何 宁，王雪扬，王彤彤，王曼力，唐晓东，李一丹

(黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所，黑龙江哈尔滨150086)

温度是作物生长的重要环境条件，每种植物都有其独特的最佳生育温度，低于该温度被认为是一种胁迫［1］。在各种非生物胁迫中，低温是制约植物生长发育和作物产量的主要环境因素之一［2］。低温在植物生长全过程中均可发生，是严重影响农业生产的主要自然灾害，尤其在种子萌发和幼苗建植期［3］。低温影响植物生长和代谢，使植株体内活性氧(ROS)自由基大量积累，自由基的累积会诱发植株体内相应的抗氧化酶系统反应［4］，激活植物体内的防御机制，通过调节自身的生理代谢以增强对低温的耐受性［1］。但是未被及时清除的ROS积累在植物体内，会加剧植物细胞膜脂过氧化伤害，并对细胞膜系统产生损害［4］，干扰作物的生理生化过程，最终影响作物产量和品质［5］。

施用植物生长调节剂是缓解作物非生物胁迫重要措施之一［6］，相关研究表明:多效唑能够提高金属胁迫下大豆抗氧化酶活性，并显著降低丙二醛(MDA)含量，缓解重金属胁迫对膜系统的氧化损伤［7］;油菜素内酯(BR)能够缓解大豆幼苗在干旱条件下所遭受的氧化伤害，增加抗旱性［8］;外源脱落酸(ABA)能够显著提高涝渍条件下小麦叶片内保护酶活性，并显著降低MDA含量和相对外渗电导率，提高耐涝性［9］;6-苄基腺嘌呤(6-BA)可以缓解盐胁迫对老芒麦草幼苗的伤害，提高耐盐性［10］;茉莉酸甲酯(MeJA)在一定程度上能缓解高温高湿对紫苏造成的氧化损伤［11］。

烯效唑(Uniconazole)S3307是一种经实践证明有效的植物生长延缓剂［12］，具有提高产量和品质的作用，常被应用在调控作物生长和发育、增强抗逆性等方面［13］。逆境条件下，S3307可有效增强作物的抗氧化酶活性，进而提高抗逆性和产量［14］;曲亚英等［15］研究得出S3307浸种可显著增强低温下甜椒幼苗的可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量，降低膜脂过氧化程度;郑春芳等［16］得出S3307能显著提高低温胁迫下SOD和POD活性，进而提高作物的抗逆能力，减少低温对细胞的伤害，从而提高幼苗的抗冷性。姜英等［17］研究得出低温条件下，烯效唑灌根处理能提高苗木质膜相对透性，并正向调控叶绿素荧光参数Fv/Fm的变化幅度，有助于提高苗木的抗寒能力。

红小豆(Vigna angularis)，又名红豆、赤小豆、小豆等，是豆科豇豆属一年生草本植物，属药食兼用作物。红小豆对环境的适应性很强，在瘠薄地、盐碱地、干旱地均可生长，是喜光不耐冷、短日照作物，在东亚地区有较长的栽培历史［18］。红小豆对温度条件较为敏感，最适生育温度是20～24℃。在生育进程中如果遭遇低温产生冷害，对产量会产生不同程度的损失。茎部是红小豆植株重要的营养器官，起到支撑和运输养分的重要作用，当红小豆受到低温胁迫时，茎的形态和生理代谢会受到较大影响，同化物通过韧皮部向下运输、无机养分通过木质部向上运输都会不同程度受阻，同时植株倒伏率提高，最终导致产量下降。因此本试验于幼苗期对红小豆进行低温处理，开展低温胁迫下S3307对红小豆植株茎部逆境生理及产量的影响研究，旨在分析S3307对抵御低温胁迫的作用，丰富东北地区红小豆抗冷技术工程体系，为红小豆耐冷栽培、高产优质生产提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用宝清红和天津红为红小豆试验品种。宝清红为耐冷品种、天津红为冷敏品种。供试材料由国家食用豆产业技术体系栽培生理岗位实验室提供。

供试植物生长调节剂为烯效唑(S3307)，由黑龙江八一农垦大学化控研究中心提供。

1.2 试验设计与处理

试验于2017、2018年在黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所盆栽场及人工气候室内进行，由于2017年和2018年规律一致，本研究选用2018年数据。采用盆栽方式，试验用盆高30 cm、直径25 cm，每盆装自然风干土7.0 kg，播种后覆土200 g，每盆保苗3株。试验用土取自哈尔滨市道外区民主乡，土壤类型为草甸黑土。供试土壤的理化性质:土壤容重约为1.67 g·cm-3，最大田间持水量约为26.88%，有机质含量 29.2 g·kg-1、全氮 1.35 g·kg-1、全磷 0.64 g·kg-1、缓效钾 341.5 mg·kg-1、碱解氮 151.6 mg·kg-1、速效磷 49.97 mg·kg-1、速效钾149.6 mg·kg-1、土壤pH 值6.77。4月30日播种，每品种分别播种150桶，选取长势均匀的样本进行试验，试验共设6个处理，每个处理设3次重复，具体设计见表1。待植株生长至幼苗期时(5月13日，此时真叶完全展开，第一片复叶露头)进行低温处理，处理温度为恒定15℃。进行低温处理当天上午10∶00点，采取叶面喷施方式施用S3307，使用浓度为20 mg·L-1，折合每hm2用液量为225 L。喷施完毕后随即进入人工气候室内进行低温处理，持续时间分别是 1、2、3、4、5 d。本试验以室外常温为对照，2018年5月13日到5月18日试验地区室外昼夜温度依次为:26/16℃、26/20℃、27/18℃、21/12℃、22/12℃、24/15℃。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 取样方法 处理期间，连续取样5次，每天上午10∶30取样一次，各处理分别进行取样，将红小豆植株根系迅速剪下并去掉叶片，对剩余茎部样品进行取样，并立即放入液氮中，而后置于-80℃冰箱中保存，供测定逆境生理指标使用。

低温处理后每天各处理移至室外6盆，直至成熟，供产量调查使用。

1.3.2 测定方法 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)的酶活性及MDA含量按照李合生等［19］的方法;可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝G-250染色法［19］;可溶性糖含量测定采用硫酸蒽酮比色法［20］;脯氨酸含量测定采用茚三酮比色法［20］。

表1 试验设计方案Table 1 Experiment design

1.3.3 产量测定方法 产量测定采用称量法，待红小豆完全成熟后，按盆摘荚收获，并用天平进行称量(g)。

1.4 数据处理

试验所有数据利用Excel 2010进行处理和作图，使用DPS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆植株茎部抗性相关生理指标的影响

2.1.1 对MDA含量的影响 由图1可知，幼苗期低温处理后，红小豆植株茎部MDA含量随低温处理时间延长呈增加趋势。低温处理1 d时，天津红和宝清红茎部MDA含量分别为0.019μmol·g-1和0.026μmol·g-1，低温处理5 d后，天津红和宝清红茎部MDA含量分别达到0.052μmol·g-1和0.053 μmol·g-1，与处理 1 d 相比，增加了 0.033 μmol·g-1和0.027μmol·g-1，分别增加了1.74倍和1.04倍。S3307能够明显抑制低温条件下MDA含量的增加，尤以低温处理4 d开始更为明显。经方差分析可知:低温处理3 d内，T3与T2、T6与T5之间没有显著差异。天津红处理4 d时，MDA含量高低顺序为T5＞T6＞T4，方差结果表明 T6极显著低于 T5，T5和T6极显著高于T4;处理第5天，MDA含量高低顺序也为T5＞T6＞T4，其中T5较T6和T4分别高出13.55%和138.33%，T6显著低于T5，但都极显著高于T4。宝清红低温处理4～5 d时，MDA含量高低顺序均为T2＞T3＞T1，经方差分析可知，T3极显著低于T2，T3和T2都显著或极显著高于T1。

2.1.2 对脯氨酸含量的影响 由图2可知，幼苗期低温处理后，红小豆植株茎部脯氨酸含量呈先升后降变化规律。低温处理3 d时，脯氨酸含量达到最高值;其中，T2和T1脯氨酸含量分别为14.69μg·g-1和12.93μg·g-1，方差分析结果表明T2显著高于T1;T5和T4脯氨酸含量分别为13.58μg·g-1和11.68μg·g-1，经方差分析可知两者之间无显著性差异。叶面喷施S3307提高了低温条件下红小豆植株茎部脯氨酸含量，尤其是处理3 d开始更为明显，处理3～5 d时，T3较T2分别高出11.61%、8.11%和 31.33%;T6较 T5分别高出 16.52%、3.43%和2.27%。方差分析结果表明，低温处理3～5 d，T3显著高于T2，T6和 T5之间没有显著性差异。

2.2 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆茎部抗氧化酶活性的影响

2.2.1 对SOD活性的影响 由图3可知随着幼苗期低温处理时间的延长，红小豆植株茎部SOD活性呈先升后降的变化趋势。宝清红在处理第2天达到最高，T2较TI高出15.35%;而天津红在处理第3天时达到最高，T5较T4高出20.73%。方差分析结果表明，T2处理在处理第2天时显著高于T1，其他取样时期两者之间差异不显著;T5和T4之间，在各取样时期均未达到显著差异水平。S3307能明显提高SOD活性，宝清红T3各取样时期均高于T2，方差分析结果表明，处理1 d时，T3显著高于T2，处理3 d和4 d时，T3极显著高于T2。天津红处理3 d开始T6处理SOD活性明显高于T5，但方差分析结果表明T6和T5之间没有显著性差异。

2.2.2 对POD活性的影响 从图4可以看出，幼苗期低温处理后，红小豆植株茎部POD活性呈单峰曲线变化规律，T2和T5都是在处理后第3天达到最高值，此时 T2较 T1高出 75.31%，T5较 T4高出63.50%，方差分析可知T2极显著高于T1，T5极显著高于T4;低温处理第5天，T2和T5的POD活性分别低于T1和T4，方差分析结果表明T2显著低于T1，T5极显著低于 T4。喷施 S3307提高了红小豆POD活性，尤其是低温处理4～5 d效果更为明显。低温处理期间，T3均高于T2处理，T6均高于T5处理。经方差分析可知:宝清红低温处理4d时，T3极显著高于T2，处理第5天，T3显著高于T2。天津红低温处理4～5 d，T6极显著高于T5。

图1 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆植株茎部丙二醛含量的影响Fig.1 Effect of S3307 on MDA content in stem of adzuki bean under low temperature stress during seedling stage

图2 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆植株茎部脯氨酸含量的影响Fig.2 Effect of S3307 on proline content in stem of adzuki bean under low temperature stress during seedling stage

2.2.3 对CAT活性的影响 由图5可知，幼苗期低温处理后，红小豆植株茎部CAT活性呈先升高后降低的变化趋势。CAT活性峰值出现在低温处理后第3天，此时 T2的 CAT活性为153.33 U·g-1·min-1，较T1高出4.55%;T5的CAT活性为146.67 U·g-1·min-1，较T4高出22.22%。整体来看，低温条件下，红小豆植株茎部CAT活性有所提高，经方差分析可知，天津红处理3 d时，T5显著高于T4，其他取样时间T5和T4之间无显著性差异;宝清红所有取样时间内T2和T1之间均无显著性差异。喷施S3307能够明显促进低温条件下红小豆植株茎部CAT活性的提高，处理期间，T3高于T2，T6高于T5。方差分析结果表明:宝清红低温处理4 d时，T3显著高于T2，其他取样时期各处理之间差异不显著。天津红低温处理3 d时，T6显著高于T5，其他取样时期各处理间差异不显著。

2.3 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆茎部可溶性物质含量的影响

2.3.1 对可溶性糖含量的影响 由图6可知，幼苗期低温处理后，不同品种红小豆植株茎部可溶性糖含量变化趋势不同，其中宝清红呈先升高后降低的变化规律，天津红变化规律不明显。整体来看低温促进红小豆植株茎部可溶性糖含量增加，经过方差分析可知，天津红处理3 d时，T5极显著高于T4;处理5 d时，T5显著高于T4;其他取样时间T5和T4之间差异不显著。对宝清红来说，处理3 d时，T2显著高于T1，其他取样时期T2和T1之间差异不显著。喷施S3307对红小豆植株茎部可溶性糖含量作用效果不明显，经方差分析可知:宝清红低温处理4 d时，T3极显著高于T2，其他取样时期T3和T2之间差异不显著。喷施S3307对天津红植株茎部可溶性糖含量没有显著性影响。

图3 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆植株茎部SOD活性的影响Fig.3 Effect of S3307 on SOD activity in stem of adzuki bean under low temperature stress during seedling stage

图4 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆植株茎部POD活性的影响Fig.4 Effect of S3307 on POD activity in stem of adzuki bean under low temperature stress during seedling stage

2.3.2 对可溶性蛋白含量的影响 由图7可知，幼苗期低温处理后，红小豆植株茎部可溶性蛋白质含量呈单峰曲线变化规律，T2和T5均在低温第3天时达到最高值。方差分析结果表明:宝清红在低温处理第3天时，T2极显著高于T1;天津红在低温处理第3天时，T5显著高于T4，处理第4天时，T5极显著高于T4。喷施S3307可提高红小豆植株茎部可溶性蛋白质含量，经方差分析可知:宝清红低温处理4～5 d时，T3显著高于T2;天津红低温处理3 d时，T6显著高于T5，其他取样时期可溶性蛋白含量无显著性差异。

2.4 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆产量的影响

由表2可知，幼苗期低温处理后，红小豆产量降低。T2产量低于 T1，T5低于 T4。处理5 d，T2较T1下降了19.39%、T5较T4下降了41.69%。方差分析结果表明，宝清红处理3 d开始，T2与T1差异显著或极显著降低;天津红处理2 d和3 d时，T5显著低于T4，处理4 d和5 d，T5极显著低于T4。

图5 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆茎部CAT活性的影响Fig.5 Effect of S3307 on CAT activity in stem of adzuki bean under low temperature stress during seedling stage

图6 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆茎部可溶性糖含量的影响Fig.6 Effect of S3307 on soluble sugar content in stem of adzuki bean under low temperature stress during seedling stage

图7 幼苗期低温胁迫下S3307对红小豆茎部可溶性蛋白质含量的影响Fig.7 Effect of S3307 on soluble protein content in stem of adzuki bean under low temperature stress during seedling stage

表2 幼苗期低温条件下S3307对红小豆产量的影响/(g·pot-1)Table 2 Effect of S3307 on yield of adzuki bean under low temperature stress during seedling stage

低温条件下，喷施S3307可提高红小豆产量，尤其是低温处理3～5 d更加明显，低温处理5 d，T3较T2提高了23.06%，T6较T5提高了43.88%。经方差分析可知:宝清红低温处理3 d以上，T3显著高于T2，但未达到极显著差异水平。天津红低温处理4 d时，T6显著高于T5;低温处理5 d时，T6极显著高于T5。

3 讨论

温度是影响作物生长发育的重要气象因素之一［21］，生育期遭受低温会引起植物体内生理代谢发生明显变化［22］。郭数进等［23］研究表明苗期冷害导致豆类作物减产的原因主要是延迟了植株前期的生长发育。张勇［24］研究表明冷害使单株粒数及百粒重降低明显，致使产量明显降低，减产幅度与受冷害程度呈正相关。S3307是一种重要的植物生长调节剂，在改善植物生长性能、增强植物抗逆性、提高作物产量中发挥着重要作用［25］。S3307通过降低贝壳衫烯氧化酶活性，减少赤霉素(GA)合成前体原料的形成，从而阻抑GA的生物合成，降低内源GA水平，并能够降低生长素(IAA)水平，同时提高脱落酸(ABA)水平;S3307通过上述理化功能，使植物体内产生一系列的生理效应，对促进植株抗倒伏、延迟衰老具有明显效果，尤其在作物面对逆境(干旱、低温等)的胁迫时，S3307能显著增强作物对逆境的抵抗能力，从而达到增产的目的［25］。

MDA是细胞膜过氧化产物，其含量高低是质膜受损严重与否的重要指标［26］，MDA含量与植物耐寒性间呈负相关，胁迫程度越强，MDA积累量越多。低温条件下，作物体内积累大量脯氨酸充当能量库来协调细胞氧化还原势的生理生化作用［27］，对作物抗逆生长具有较好作用。李宁毅等［28］研究指出，S3307处理能够提高叶片中脯氨酸含量，同时减少MDA含量的积累，维持逆境条件下膜系统的稳定性，减少对细胞的毒害作用，提高逆境条件下的适应性。马艳华［29］也提出叶面喷施S3307能够提高脯氨酸含量，而MDA含量减少，提高作物的抗逆性。本试验表明，苗期低温条件下喷施S3307，可显著抑制红小豆植株茎部MDA含量的增加，并小幅提高脯氨酸含量。这可能是因为喷施S3307能够影响植物体内自由基和△-二氢吡咯-5-羧酸合成酶(P5C synthetase，P5CS)的合成。自由基作用于脂质发生过氧化反应，氧化最终产物是MDA，喷施S3307抑制了自由基的合成，进而降低了MDA合成的量，增加了作物抗冷性。P5CS基因在胁迫条件下对植物中脯氨酸合成水平起着重要作用，P5CS的转基因烟草中产生了大量的P5CS酶蛋白，脯氨酸合成量比正常植株升高10倍。积累的脯氨酸通过参加细胞内的渗透调节，起到了防冻剂或膜稳定剂的作用，对细胞起到保护作用，进而提高了小豆的抗冷性。植物处于逆境时，细胞内自由基产生和清除的平衡系统受到破坏，植物体内存在清除自由基的多种途径，其中最主要的就是抗氧化酶系统，通过SOD、POD和CAT三者协同作用，使体内的氧自由基维持在较低水平，可以在一定程度上减缓或防御低温胁迫［30］。低温条件下，植物体内活性氧自由基含量明显增加，如果保护酶活性受到抑制，多余的自由基无法及时清除，导致在细胞内大量积累，对植物产生伤害［31］。郑春芳等［16］研究得出 S3307能显著提高低温胁迫下SOD和POD活性，进而提高作物的抗逆能力，减少低温对细胞的伤害，刘丽琴等［14］也得出S3307处理可有效促进逆境胁迫下红小豆根系SOD和POD活性。本试验表明，低温导致红小豆植株茎部SOD、POD和CAT活性相对增加，喷施S3307可显著提高POD活性，笔者认为这与S3307促进内源激素CTK含量有关，朱木兰等［32］报道过S3307能够促进作物体内CTK水平增加，增加的CTK能够促进过氧化物酶体的分裂，而POD主要存在于过氧化物酶体中。S3307通过促进过氧化物酶体分裂的方式，增加了植物体内的POD的含量，进而提高POD活性，从而降低了膜脂过氧化程度，减少低温带来的伤害。

植物为了减缓由逆境胁迫造成的生理代谢不平衡，会大量积累一些小分子有机化合物，通过渗透调节来降低水势，以维持较高的渗透压，保证细胞的正常生理功能［33］。低温胁迫下可溶性糖和可溶性蛋白在植物体内会大量积累，可溶性糖通过某些糖代谢途径形成保护性物质，提高植物抵抗低温的能力［34］。有报道提出S3307能提高逆境条件下叶片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的增加［28］，本试验研究结果表明S3307提高了低温条件下红小豆植株茎部可溶性蛋白含量，但对可溶性糖含量影响不大，这可能与苗期叶片需要大量碳素用来建立碳结构促进叶片快速发育以抵御逆境有关。

有报道表明S3307通过显著增加同化物的积累和运输，促进豆荚的建成，提高了大豆产量［35］，王畅等［36］也得出S3307处理能极显著增加芸豆单株荚数，显著提高芸豆产量。本研究表明，低温处理可降低红小豆产量，低温条件下S3307处理能够显著提高红小豆的产量。

4 结论

幼苗期低温导致红小豆茎部逆境生理指标发生变化，低温明显促进红小豆植株茎部MDA含量增加，但对脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量影响较小;低温3 d导致红小豆植株茎部POD活性显著提高，但SOD和CAT活性提高的不明显，耐冷品种的整体效果好于冷敏品种。S3307具有抵御低温，降低作物受损的作用，其能有效增加茎部可溶性蛋白含量，降低MDA含量，同时能够显著提高POD活性。

幼苗期低温导致红小豆产量下降，S3307能缓解低温对红小豆产量的影响。上述结果说明耐冷品种能迅速响应低温胁迫，并通过调节自身的抗逆生理代谢来抵御伤害，S3307通过调节作物抗逆生理代谢进而提高作物的抗低温能力，降低产量损失，本试验为进一步研究红小豆幼苗抵御低温伤害的生理机制提供了参考，并得出S3307能够缓解低温对小豆造成的伤害。今后将通过研究非酶抗氧化系统的变化情况进一步揭示S3307抵御低温的生理机制，并通过研究内源激素水平的变化、分子机理等，系统揭示S3307抵御逆境的全面机制。