7个大豆品种在科尔沁地区的抗旱性综合评价

于华荣， 郭 园， 曹 帅， 向殿军， 刘 鹏， 李志刚

(内蒙古民族大学农学院， 内蒙古 通辽 028000)

干旱胁迫是抑制作物正常生长发育的主要因素之一[1]，我国是全球干旱最为严重的国家之一，干旱和半干旱面积约占国土总面积的52.5%，同时约有48.5%的耕地处于干旱或半干旱地区，其中约51.9%的耕地没有灌溉条件[2]。2011年以来通辽市科尔沁区农作物受旱面积为50.8万hm2，占全市总播种面积的33.7%，随着全球变暖，北方土壤蒸发量较大和西部水资源短缺的地区，干旱严重制约着我国农业发展。

大豆是重要的粮、油、饲兼用作物，我国每年进口大豆量达国内产值的5倍。大量进口大豆对我国大豆产业产生巨大冲击，国内大豆产业面临严峻考验，如何提升大豆产量就显得十分重要[3]。而干旱一直是限制大豆产量的重要因素之一，干旱致使大豆体内水分缺失，从而破坏大豆体内源库流的正常运行，阻碍大豆的生长发育、使大豆品质下降、抑制其光合作用、呼吸作用以及氮代谢等，导致大豆产量降低20%～50%，甚至绝产[4-5]。

国内外很多学者针对大豆耐旱性鉴定及种质资源筛选做了大量研究，臧紫薇等[6]、李贵全等[7]研究表明，干旱胁迫会严重抑制大豆叶绿素的合成，致使叶绿素含量降低。Zenis等[8]研究表明，干旱胁迫会阻碍大豆根、茎、叶的正常发育，降低株高和叶面积系数。王敏等[9]研究表明，干旱胁迫会降低大豆的单株荚数、粒数、粒重、分枝数和产量等，从而导致叶片黄化、脱落节位增加，且不同种质间存在差异。根瘤作为豆类独有特征，可反映干旱胁迫对大豆的影响程度，同时根瘤数量和质量还可决定整个植株的营养状况。王伟等[10]对30份大豆种质进行耐旱性综合评价、根据大豆生长性状、叶片相对含水量和生物量等性状，筛选出五河齐黄豆、PI 595843和科丰1号等耐旱种质。由于单个性状或少数性状无法全面反映出大豆的耐旱性，所以用多个性状和分析方法综合评价大豆的耐旱性更为准确，同时大豆开花期缺水，会影响大豆植株的结实率和籽粒的饱满程度。为此，本试验选用前人[11-13]已鉴定的耐旱品种及普通品种作试验材料，在科尔沁沙质土壤中进行大豆开花期干旱胁迫试验。在开花期取样测定、利用生理性状、农艺性状和百粒重等15个性状综合分析不同大豆种质间的抗旱能力，以期筛选出适宜科尔沁区种植的大豆种质，同时，在了解大豆耐旱机理的基础上，阐明大豆在干旱处理下各性状之间的关联，深入了解大豆各性状的作用机制，进一步了解大豆的耐旱机理，并为耐旱品种的选育及干旱地区土地的有效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试大豆品种共7份，分别为：黑农44、绥农28、四粒黄、吉林47、晋豆40、杂交豆5号、吉育86，均由吉林省农业科学院作物科学研究所提供。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，将大豆播种于55 cm×40 cm×35 cm的花盆中，花盆底部有5个直径1 cm左右的小孔用于排水，花盆内装有深约28 cm的科尔沁沙质土壤，pH值为8.3，有机质含量0.64%，全氮含量0.036%，碱解氮含量35.37 mg·kg-1，速效钾含量77.51 mg·kg-1，速效磷含量3.71 mg·kg-1。每个花盆中播种4穴，每穴播种2粒，出苗后进行间苗处理，保证每穴留苗1株。出苗30 d后开始进行水分处理，7个品种分别设置对照(ck)、干旱(T)2组处理，每个品种6盆，共计42盆，其中，每组设置3盆重复，将其平均放置在2个旱棚中，旱棚的面积均为16 m2，旱棚的位置、朝向等相同且均不受建筑物遮蔽。干旱胁迫土壤含水量控制在10%，ck处理正常灌水。于开花期土壤含水量降至10%后两组分别取样测定各指标，取样后复水成熟后收获考种。

1.3 测定指标及方法

1.3.1土壤水分测定

使用托普土壤水分速测仪TZS-1 K测定土壤水分。

1.3.2生理指标的测定

本试验在科尔沁沙地生态农业国家民委重点实验室进行。试验于2019年大豆的开花期，每盆随机选取有代表性的大豆3株，每株选取顶端倒三叶完全展开叶片，摘取带回室内，测定其丙二醛(MDA)含量、相对电导率、过氧化物酶(POD)活性、可溶性总糖、淀粉、游离氨基酸、脯氨酸以及叶绿素含量(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素)。其中，MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法，相对电导率测定采用DDS-11 A电导仪法进行测定，POD活性测定采用愈创木酚法，游离氨基酸含量测定采用茚三酮比色法，叶绿素含量测定采用浸提法，叶片中可溶性糖和淀粉含量测定采用蒽酮比色法，具体的试验方法参照李合生[14]和张志安[15]的方法。

1.3.3农艺性状测定

在大豆结荚后55 d(即成熟期)时，选择4个单株进行株高、底荚高度、主茎节数、单株荚数、单株粒数、根瘤数、百粒重等产量相关农艺性状测定。

1.4 数据处理

所有试验数据的整理以及图表的绘制工作均采用DPSV 7.05统计软件和Excel 2019软件处理分析，计算各处理生理指标的平均数，并进行方差分析、相关性分析、主成分分析和模糊隶属函数分析等。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对大豆叶片渗透调节物质的影响

由表1所示，干旱胁迫下，除杂交豆5号、吉育86外，其余品种可溶性糖含量均高于ck，且四粒黄和黑农44叶片可溶性糖含量显著高于晋豆40、杂交豆5号和吉育86；而各品种叶片淀粉含量均低于ck；叶片游离氨基酸含量、脯氨酸含量处理组均高于ck，且黑农44和绥农28叶片游离氨基酸含量显著高于其他品种。从变化率上看，受胁迫后，绥农28和四粒黄叶片可溶性糖含量和游离氨基酸含量上升幅度较大，变化率分别为0.27、0.24和7.00和5.51；而淀粉含量下降幅度相对较小，变化率为-0.38和-0.39。

表1 干旱胁迫下对大豆叶片渗透调节物质的影响

2.2 干旱胁迫对大豆叶片质膜系统的影响

MDA的含量是反映细胞膜脂过氧化作用强弱的一个重要指标，由表2可知，7个品种在干旱胁迫条件下MDA含量均高于ck，且除晋豆40和吉育86外，其余品种处理前后均呈显著差异(p<0.05)；从变化率上看，黑农44和四粒黄变化率均高于其他品种，变化率分别为1.12和1.00，吉育86变化率最低，仅为0.07；相对电导率是衡量细胞膜透性的一个重要指标，值越大表示电解质外渗越多，细胞膜受到的破坏性越大，干旱条件下，除四粒黄、吉育86之外其他品种干旱胁迫相对电导率高于ck，且呈显著差异(p<0.05)；品种间比较，黑农44、绥农28、吉林47显著高于其他品种；从变化率来看，黑农44值最高，为1.20，四粒黄值最低，为-0.22。

表2 干旱胁迫对大豆叶片质膜系统的影响

2.3 干旱胁迫对大豆叶绿素含量的影响

如表3所示，受胁迫后绥农28、四粒黄和杂交豆5号叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量均显著高于ck，且变化率也高于其他品种；从变化率来看，四粒黄叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量变化幅度最大，说明四粒黄可通过调节自身叶绿素含量来适应干旱环境，黑农44叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量在干旱胁迫下变化幅度相对稳定，变化率分别为-0.05、0.11、-0.02、0.03，说明在干旱胁迫下对黑农44影响最小。

表3 干旱胁迫对大豆叶片叶绿素含量的影响

2.4 干旱胁迫对大豆农艺性状的影响

由表4可见，干旱胁迫处理下仅晋豆40成熟期的株高略高于ck，且变化率相对较小，仅为0.02，其余品种株高均在胁迫处理后低于ck，说明晋豆40主要受胁迫影响最小；在干旱胁迫处理下7个大豆品种单株粒重、单株荚皮重、根瘤数均显著低于对照，从变化率来看，黑农44和四粒黄受胁迫后变化率较大，分别为-0.72和-0.50、-0.73和-0.54、-0.28和-0.46；干旱胁迫处理下黑农44和吉林47百粒重显著高于ck外，其余品种百粒重均低于ck，说明干旱胁迫严重影响了大豆的农艺性状，且不同品种间存在差异。

表4 干旱胁迫对大豆农艺性状的影响

2.5 干旱胁迫下大豆各性状间相互关系

由表5可知，干旱胁迫下对7个大豆品种15个性状的相对值进行了相关性分析可知。可溶性糖含量与淀粉含量和游离氨基酸含量极显著正相关，相关系数分别为0.947 7、0.877 5。游离氨基酸含量与MDA含量显著相关，与单株荚皮重显著负相关，相关系数分别为0.847 7和-0.847 6；脯氨酸含量与相对电导率显著负相关，相关系数为-0.806 6；MDA含量与单株粒重和单株荚皮重显著负相关，相关系数分别为-0.785、-0.816；叶绿素a含量与叶绿素b含量、类胡萝卜素、叶绿素a+b含量极显著正相关，相关系数分别为0.948 6、0.957 4、0.995 7；单株粒重与单株荚皮重极显著正相关，相关系数为0.95。

表5 干旱胁迫下大豆各性状间相互关系

2.6 3个主成分特征值及贡献率

为排除作用较小而干扰较大的因素，提高分析精确率，将15个农艺性状进行主成分分析。结果如表6所示，前3个主成分的累计贡献率达82.556%，可见前3个主成分足以说明该数据的变化趋势，完全符合主成分分析的要求，故取前3个主成分作为数据分析的有效成分。这3个主成分与7个抗旱性状的相关系数(即因子负荷量)，反映了它们之间的相关性(表6)。第Ⅰ主成分特征根为5.826，贡献率为38.843%，对应特征向量中，数量较大的为叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量，相关系数分别为0.777、0.922和0.828，主要反映出大豆光合能力状况，可称其为光合因子。第Ⅱ主成分特征根为4.476，贡献率为29.843%，对应特征向量中，数量较大的是单株粒重和单株荚皮重，相关系数分别为0.860、0.843，主要反映出大豆结实情况，可称其为产量因子；第Ⅲ主成分与各指标的因子荷载中，以根瘤数的负荷量最大，相关系数为0.690，可反映出大豆地下部位生长情况，将其称为地下生长因子。

表6 干旱胁迫下大豆材料各性状的主成分分析及各因子载荷矩阵

综上分析，由于前3个主成分反映了原来15个指标82.556%的信息，对大豆耐旱性的影响较大，因此可以用叶绿素含量、单株粒重和根瘤数3个指标作为大豆耐旱性评价的重要指标。

2.7 干旱胁迫下大豆品种的模糊隶属函数耐旱性评价

采用模糊数学隶属函数法对大豆干旱胁迫的耐受性进行综合评价，把各个品种的各项性状的隶属值累加求平均值。隶属值越大，耐旱性越强。通过比对7个大豆品种的隶属值，进行耐旱性排序(表7)，抗旱性由强到弱顺序依次为：四粒黄、绥农28、杂交豆5号、吉林47、黑农44、晋豆40、吉育86。

表7 干旱胁迫下大豆各指标参数的隶属值

3 讨 论

3.1 干旱胁迫对大豆叶片渗透调节物质的影响

在干旱压力条件下，作物为了抵抗干旱压力，在生理代谢中产生一系列的适应调整反应。渗透调节是作物抗干旱胁迫的重要生理机制之一[16]。探索作物在干旱胁迫下的渗透调节机制，对耐旱品种的选育和配套的栽培技术非常重要。王一鸣[17]和蔡昆争等[18]研究表明，作物在干旱条件下生长，会通过增加自身渗透调节物质，使细胞膨压保持在正常范围内，脯氨酸、可溶性糖、淀粉、游离氨基酸等物质均参与作物的渗透调节。本研究表明，干旱胁迫降低了各品种叶片淀粉含量，增加了游离氨基酸、脯氨酸含量，可溶性糖含量除杂交豆5号、吉育86两品种外其余品种也是增加的。在干旱胁迫下，大豆自身通过增加渗透调节物质，致使组织水势下降，以此来维持自身细胞膨压，从而保证其自身生理代谢活动可以正常运行，7个品种中以四粒黄和绥农28两个品种各渗透调节性状在胁迫条件下表现出较强的抗旱性，晋豆40和吉育86受胁迫后，两品种表现出对干旱的敏感性。

3.2 干旱胁迫对大豆叶片质膜系统的影响

与正常供水条件相比，干旱胁迫会使植物积累大量的活性氧，致使细胞膜发生膜脂过氧化作用，从而形成MDA，造成膜系统受损，增加质膜透性，导致胞内电解质外渗。MDA作为细胞膜质过氧化的重要产物之一，可以衡量植物在逆境生长中受伤害的程度。相对电导率也是衡量细胞膜稳定性的一个重要指标。贾斯淳等[19]研究表明，干旱胁迫导致大豆叶片MDA含量在各生育期均显著增加。季杨等[20]研究发现，在干旱胁迫条件下，鸭茅叶片及根系相对电导率和MDA含量均显著升高。本研究发现，在干旱胁迫条件下各大豆品种MDA含量均显著高于正常灌水时的含量，且黑农44和四粒黄叶片MDA含量变化率均高于其他品种。而相对电导率，仅有四粒黄和吉育86两品种低于对照。可能是干旱胁迫不仅致使大豆细胞膜受到损害，还导致细胞质过氧化程度提升，内溶物外渗，未能有效的排除体内所积累的活性氧，且吉育86和晋豆40所受伤害程度高于其他品种。

3.3 干旱胁迫对大豆叶绿素含量的影响

光合作用作为植物维持生命的最基本活动，是对干旱胁迫响应最为敏感的生理性状之一，植物在干旱条件下生长会破坏其水分代谢，致使叶绿素分解，直接影响植物光能电子传递和转换[21]。叶绿素a和叶绿素b作为叶绿素的主要组成成分，是植物不可缺少的植物色素[22]。叶绿素a主要吸收长波光，叶绿素b主要吸收短波光。干旱胁迫会导致植物叶片光合色素含量降低，影响植物对光能的正常吸收，影响后续光能的传递、耗散和分配，最终破坏光合作用的正常进行[23]。本研究表明，受胁迫后，绥农28、四粒黄和杂交豆5号叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量均显著高于ck，说明其在受到干旱胁迫后拥有较强的光能吸收能力，能较好地适应胁迫环境。而吉育86、晋豆40和吉林47三个品种，叶片叶绿素a含量和叶绿素b含量均低于对照，可能是干旱胁迫致使其光合色素分解，光合作用未能正常运行。

3.4 干旱胁迫对大豆农艺性状的影响

干旱作为影响植物正常生长最为严重的逆境因子之一，植物各器官生长情况及其生物量分配比例的变化均是植物应对逆境胁迫的基本响应机制之一。前人研究表明，水分胁迫会降低植物株高、茎粗、叶面积系数、百粒重和单株产量等农艺性状。本研究中7个大豆品种株高、单株粒重、单株荚皮重和根瘤数均低于对照，仅有吉林47和黑农44百粒重高于ck，但由于其他农艺性状表现并不理想，单一性状并不能说明其耐旱性较好。这一结果与前人研究结果一致[24-25]。

3.5 干旱胁迫下大豆各性状间相互关系

前人研究表明，采用单一性状对种质耐旱性鉴定并没有说服力，且不同性状对种质耐旱性影响强弱也并不一致[26-27]。因此，为更全面准确鉴定大豆种质耐旱性，需综合多项性状共同评价。本研究对7个大豆品种15个性状进行相关性分析表明，可溶性糖含量与淀粉含量和游离氨基酸含量呈极显著正相关。游离氨基酸含量与MDA含量呈显著相关，与单株荚皮重呈显著负相关；脯氨酸含量与相对电导率呈显著负相关；MDA含量与单株粒重和单株荚皮重呈显著负相关；叶绿素a含量与叶绿素b含量、类胡萝卜素、叶绿素a+b含量呈极显著正相关；单株粒重与单株荚皮重呈极显著正相关水平。说明大豆受到干旱胁迫后，提升自身可溶性糖含量来调控自身渗透调节物质，也可通过自身脯氨酸含量调节大豆在逆境环境下的平衡，以此来降低相对电导率从而维持细胞膜稳定性，降低MDA含量，提升单株粒重和单株荚皮重，以此来增加产量。

4 结 论

干旱胁迫使细胞膜质透性增大、破坏了大豆渗透调节平衡、影响了光合性能和生长情况。本试验条件下，7个大豆品种中以四粒黄和绥农28具有较强的耐旱性，适宜在科尔沁区大面积种植，而吉育86和晋豆40为干旱敏感品种。通过主成分分析用叶绿素含量、单株粒重和根瘤数3个指标，可以作为大豆耐旱性评价的重要指标。