淹水胁迫及外源脱落酸对红小豆幼苗茎部生理及产量的影响

李 琬，李 博，项洪涛，何 宁，王曼力，刘 佳

（1.黑龙江省农业科学院 耕作栽培研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.黑龙江省农业科学院 植物保护研究所，黑龙江 哈尔滨 150086）

红小豆(Vigna angularis)，又名红豆、赤小豆、小豆等，是豆科豇豆属1年生草本植物，对环境的适应性很强，在瘠薄地、盐碱地、干旱地均可生长[1]，属于典型的救灾作物和种植结构调整作物，在我国广泛种植，尤其华北地区和东北地区面积较大。但红小豆对淹水胁迫较敏感，易受涝害。

近年来，受全球气候变化影响，我国异常天气变化情况增多，突发低温以及降雨次数和强度发生不规律，尤其是台风带来的强降雨引起洪涝灾害面积扩大，造成作物生长受阻并制约高产稳产[2]。黑龙江省属于气候变化敏感和生态脆弱地区，农田涝渍灾害多发，涝害已经成为黑龙江省重要的自然灾害之一[3]。淹水胁迫抑制植株生长，造成植株个体生理差异，最终降低作物产量，影响农业生产[4]。施用植物生长调节剂是缓解作物非生物胁迫的重要措施之一[5]。脱落酸（Abscisic acid，ABA）于20世纪中叶被发现，在植物生育进程及抵御非生物胁迫等方面具有重要作用[6]。研究表明，施用外源ABA可通过调节活性氧（Reactive oxygen species，ROS）类物质积累、提高抗氧化酶活性等途径来抵御逆境胁迫，这在干旱[7]、高盐[8]、低温[9-10]、高温[11]等逆境胁迫和植物衰老[12]研究中均得到证实。同时，王金强等[7]指出，水分胁迫下外源ABA可使甘薯产量显著提高28.60%；屈春媛等[13]指出，水分胁迫下，外源ABA显著提高了大豆产量。

茎是红小豆重要的营养器官，是“流”的重要依靠组织，起到支撑和运输养分的重要作用。红小豆遭到淹水胁迫时，茎的形态和生理会受到较大影响，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地受阻，进而影响幼苗建植，最终导致产量下降。有关淹水胁迫的研究大多集中在大宗粮食作物上，在食用豆类作物上鲜有报道。鉴于此，于幼苗期对红小豆进行淹水处理，开展淹水胁迫及预喷施ABA对红小豆抗逆生理及产量的影响研究，旨在分析苗期淹水对红小豆幼茎生育和生理生化指标的影响，以及预喷施外源ABA对红小豆逆境的缓解效应。

1 材料和方法

1.1 试验材料

红小豆品种龙小豆4号（LXD 4）和天津红（TJH），由国家食用豆产业技术体系栽培生理岗位专家团队提供。供试外源激素为脱落酸（ABA），纯度≥99.0%，购自Sigma公司。

1.2 试验设计

试验于2019年在黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所盆栽场以及阳光型人工气候室开展。采用盆栽土培方式，试验用盆规格为25 cm（直径）×23 cm（高），每盆装自然风干土5.5 kg，播后均匀覆盖表土200 g，采用称质量法控制土壤含水量，每盆保留红小豆幼苗15株。2019年4月18日于阳光型人工气候室内进行人工播种，2个红小豆品种均播种100盆，选取长势均匀的幼苗盆栽进行下一步试验，试验共设3个处理，每个处理3次重复，具体设计方案见表1。

表1 试验设计方案Tab.1 Experiment design

红小豆生长至幼苗期（真叶展开，第1片复叶开始露头）进行喷施处理。上午9:00，采取叶面喷施的方式施用ABA，质量浓度为20 mg/L[9]，30盆用液量为33 mL。喷施24 h后进行淹水处理，处理方式为套盆模式，以淹水平面高出土壤表面1.5～2.0 cm为宜，以适宜相对土壤含水量（70%～80%）为对照。淹水24 h后开始第1次取样，连续5 d每天9:00进行取样。每天取样的同时，各处理取3盆解除淹水胁迫，逐渐自然恢复适宜土壤含水量，以测定后期产量。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 生理指标 分别取各处理红小豆茎部材料后放入液氮中进行速冻，试验材料经充分冷冻后存于-80℃冰箱备用。

使用过氧化氢（H2O2）检测试剂盒测定H2O2含量。采用硫代巴比妥酸（TBA）法测定MDA含量，采用氮蓝四唑（NBT）法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性，采用分解过氧化氢含量速率法测定过氧化氢酶（CAT）活性，具体参考李合生等[14]的测定方法；脯氨酸含量测定采用茚三酮比色法[15]；可溶性糖含量测定采用硫酸蒽酮比色法[15]；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法[14]。

1.3.2 产量 各处理分别进行摘荚取样，每盆为1个重复，用天平称质量，测量单盆产量。

1.4 数据处理

试验所有数据采用Excel 2010进行录入整理并作图，使用DPS软件选择新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎活性氧物质积累及胞膜损伤的影响

2.1.1 H2O2含量 从图1可以看出，随淹水胁迫时间延长，红小豆幼茎H2O2含量呈上升趋势，预喷施外源ABA减缓了淹水胁迫后幼茎H2O2含量的上升。龙小豆4号淹水1—5 d均表现为T2＞T3＞T1；淹水1—5 d，T2处理较T1处理分别显著提高26.07%、49.36%、76.68%、93.49%、154.09%；T3处理较T2处理分别下降9.68%、8.27%、6.64%、7.99%、20.68%，其中淹水2、5 d均达到显著差异水平。天津红淹水1—5 d幼茎H2O2含量也均表现为T2＞T3＞T1；淹水1—5 d，T2处理较T1处理分别显著提高21.64%、49.50%、74.65%、114.80%、159.62%，T3处理较T2处理分别下降5.81%、11.67%、10.56%、9.58%、19.29%，其中淹水2、3、5 d均达到显著差异水平。

图1 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎H 2O2含量变化的影响Fig.1 Changes of H 2O2 content in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.1.2 MDA含量 由图2可知，随淹水胁迫时间延长，红小豆幼茎MDA含量呈上升趋势。龙小豆4号和天津红均表现为淹水处理（T2）显著高于T1。预喷施ABA（T3处理）可缓解淹水红小豆幼茎MDA含量的增加。淹水2—5 d时，龙小豆4号T3处理幼茎MDA含量较T2处理分别显著下降12.98%、11.71%、17.87%、28.54%，天津红分别显著下降14.73%、23.77%、23.26%、18.79%。

图2 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎MDA含量变化的影响Fig.2 Changes of MDA content in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.2 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎保护酶活性的影响

2.2.1 SOD活性 由图3可知，随淹水胁迫时间延长，红小豆幼茎SOD活性呈先升后降，在淹水3 d达到最高值。龙小豆4号淹水1—3 d，T2处理较T1处理分别显著提高13.26%、27.94%、48.86%，淹水4、5 d，T2处理较T1处理分别降低1.10%、17.09%；淹水1—5 d，T3处理较T2处理分别提高5.75%、12.98%、11.43%、29.81%、16.15%，其中淹水2、4、5 d均达到显著水平。天津红淹水1—4 d，T2处理较T1处理分别提高16.42%、45.60%（P＜0.05）、64.87%（P＜0.05）、6.81%，淹水5 d降低6.75%；预喷施ABA对天津红幼茎SOD活性的调控无明显规律。

图3 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎SOD活性变化的影响Fig.3 Changesof SOD activity in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.2.2 POD活性 图4表明，随淹水胁迫时间延长，红小豆幼茎POD活性呈先升后降的趋势，预喷施ABA提高淹水胁迫红小豆幼茎的POD活性。龙小豆4号淹水1—5 d，T2处理较T1处理分别显著提高33.46%、84.60%、150.44%、84.23%、40.36%，T3处理较T2处理分别提高30.25%、34.29%、7.04%、107.69%、128.76%，其中淹水1、2、4、5 d均达到显著差异水平。淹水1—5 d，天津红均表现为T3＞T2＞T1，其中，淹水2—4 d，T2处理较T1处理分别显著提高了84.07%、176.19%、81.71%；淹水1—5 d，T3处理较T2处理分别显著提高78.57%、58.45%、38.41%、98.55%、82.09%。

图4 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎POD活性变化的影响Fig.4 Changes of POD activity in young stem of adzuki bean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.2.3 CAT活性 从图5可以看出，随淹水胁迫时间延长，红小豆幼茎CAT活性呈先升后降的趋势。淹水1—5 d，龙小豆4号均表现为T3＞T2＞T1，T2处理较T1处理分别提高20.00%、69.23%、84.62%、28.57%、7.69%，T3处理比T2处理分别提高22.22%、31.82%、29.17%、33.33%、14.29%，其中处理2—4 d差异均达到显著水平。淹水1—5 d，天津红均表现为T3＞T2＞T1，其中处理1—4 d，T2处理较T1处理分别显著提高了57.14%、86.67%、100.00%、50.00%，T3处理比T2处理分别提高45.45%、25.00%、10.00%、9.52%。

图5 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎CAT活性变化的影响Fig.5 Changes of CAT activity in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.3 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎渗透调节物质含量的影响

2.3.1 脯氨酸含量 由图6可知，随淹水胁迫时间延长，红小豆幼茎脯氨酸含量呈先升后降的变化趋势。淹水1—5 d，龙小豆4号均表现为T3＞T2＞T1，T2处理较T1处理分别显著提高了33.26%、72.79%、201.44%、125.17%、28.13%，T3处理比T2处理分别提高了4.40%、36.94%、8.90%、11.61%、7.92%，其中淹水2、3 d差异达到显著水平。淹水1—5 d，天津红均表现为T3＞T2＞T1，淹水1—3 d，T2处理较T1处理分别显著提高了46.88%、68.73%、91.91%，T3处理比T2处理分别显著提高38.38%、26.52%、33.36%。

图6 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎脯氨酸含量变化的影响Fig.6 Changes of proline content in young stem of adzuki bean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.3.2 可溶性糖含量 由图7可知，随淹水胁迫时间延长，红小豆幼茎可溶性糖含量呈先升后降的变化趋势。淹水1—4 d，龙小豆4号均表现为T2＞T1，其中淹水1、3、4 d，T2处理较T1处理分别显著提高20.42%、42.94%、32.78%；淹水1、2、3、5 d，龙小豆4号表现为T3＞T2。淹水1—5 d，天津红T2处理较T1处理分别提高68.36%、112.09%、150.20%、74.07%、28.13%，其中淹水1—4 d均达到显著水平；淹水1—5 d，天津红T3处理较T2处理分别提高15.40%、21.63%、17.67%、76.33%、27.96%，其中淹水2—5 d均达到显著水平。

图7 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎可溶性糖含量变化的影响Fig.7 Changes of soluble sugar content in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.3.3 可溶性蛋白含量 从图8可以看出，随淹水胁迫时间延长，幼茎内可溶性蛋白含量表现为先升后降的变化规律。淹水1—3 d，龙小豆4号T2处理较T1处理分别显著提高10.14%、17.08%、40.42%；淹水1、5 d，T3处理比T2处理分别显著提高13.36%、29.83%。淹水处理2—4 d，天津红T2处理较T1处理分别显著提高29.81%、52.79%、13.91%；淹水3—5 d，T3处理较T2处理分别显著提高6.71%、9.91%、21.08%。

图8 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆幼茎可溶性蛋白含量变化的影响Fig.8 Changes of soluble protein content in young stem of adzukibean by waterlogging and foliar spraying ABA at seedling stage

2.4 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆产量的影响

由图9可知，幼苗期淹水及喷施外源ABA对红小豆产量有一定影响。幼苗期淹水1—2 d，2个品种均表现为T1、T2、T3处理间红小豆产量差异不显著。龙小豆4号淹水3—5 d，T2处理产量较T1处理分别显著降低4.77%、7.57%、8.40%；淹水3 d和4 d，T3处理产量较T2处理分别显著提高6.05%和6.95%，与T1处理差异不显著，淹水5 d，T3、T2处理产量无显著差异。天津红淹水3—5 d，T2处理较T1处理分别显著降低5.59%、8.00%、9.91%；淹水3 d和4 d，T3处理较T2处理分别显著提高1.84%和4.46%。

图9 苗期淹水及叶喷ABA对红小豆产量的影响Fig.9 Effect of waterlogging and spraying ABA at seedling stage on yield per plot of adzuki bean

3 结论与讨论

淹水胁迫诱导细胞产生自由基，引起ROS代谢失衡，导致H2O2等物质过度积累，并诱导MDA含量增加，破坏生物膜结构和功能，导致细胞膜选择性吸收能力丧失和细胞内电解质的渗漏[16]，从而影响细胞的物质代谢[17]。本研究发现，红小豆苗期淹水胁迫使其幼苗茎H2O2和MDA的含量升高，对幼茎细胞膜造成损伤，影响细胞代谢，对产量形成造成潜在威胁，与张洪鹏等[18]在大豆、朱进等[19]在白菜上的研究结果一致。外源ABA具有缓解逆境胁迫的生理功能，项洪涛等[9]指出，逆境胁迫下外源ABA能有效降低水稻体内MDA的积累，维持膜的完整性；李长宁等[20]指出，水分胁迫下外源ABA能有效缓解甘蔗体内MDA和H2O2的积累，提高逆境条件下的抗氧化保护能力。本研究表明，淹水胁迫下喷施外源ABA可以抑制红小豆幼茎H2O2和MDA的增加，减轻淹水对细胞膜的损伤，提高红小豆的抗淹水能力，这可能与外源ABA具有提高保护酶活性的生理功能有关；淹水胁迫下，红小豆茎内的SOD、POD和CAT活性不同程度提高，这与潘兵青等[21]和图攀峰等[22]的报道结果类似。喷施外源ABA增强植物体内的保护酶活性，以清除过量的H2O2和MDA，降低对细胞膜的损伤。李长宁等[20]指出，水分胁迫下外源ABA能有效提高甘蔗叶片内CAT活性；郭贵华等[23]研究指出，水分胁迫下，外源ABA处理能够提高水稻叶片的SOD活性。本研究结果表明，喷施ABA能够显著提高红小豆幼茎CAT和POD活性，通过一系列酶促作用，POD和CAT可清除或降解多余的H2O2，从而降低植株因逆境胁迫导致的伤害[24]。在逆境中，植物细胞具有主动积累渗透调节物质的功能，进而调节细胞的渗透势，以维持植物体内各种细胞的正常结构和功能，保证相应的理化进程正常进行[25]。本研究结果表明，幼苗期淹水胁迫引起红小豆茎内可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量提高，有效缓解了淹水伤害；喷施ABA具有提高渗透调节物质含量的生理效应，尤其显著提高了脯氨酸的含量。淹水胁迫引起作物产量降低，研究表明，淹水胁迫导致大豆单株荚数和产量明显降低[26]；周青云等[27]研究表明，拔节期淹水显著降低玉米籽粒产量；李颖等[28]研究表明，不同时期淹水对花生产量均造成显著影响。本研究结果显示，红小豆幼苗期淹水3 d可使产量降低4.77%以上，预喷施外源ABA可缓解淹水逆境对红小豆产量造成的不良影响；淹水3 d，预喷施ABA的红小豆产量与T1(CK)无显著差异，说明喷施ABA可有效延长受淹时间而不降低产量。

综上，淹水胁迫导致红小豆幼茎H2O2和MDA含量显著增加，对细胞膜造成损伤；同时，淹水胁迫也诱导红小豆幼茎SOD、POD和CAT活性的提高，以及脯氨酸和可溶性糖等渗透调节物质含量增加，提高了红小豆的抗逆性，但随淹水时间延长最终引起产量下降。ABA预喷施处理可有效缓解淹水胁迫对红小豆细胞膜的损伤程度，减缓红小豆幼茎中H2O2和MDA含量因淹水胁迫而上升的趋势，增强CAT和POD的活性，促进脯氨酸和可溶性蛋白含量升高，进而相对提高了红小豆在淹水条件下的产量。有关喷施ABA缓解淹水胁迫的激素水平变化、细胞膜组分变化等生理机制仍需继续开展深入的研究。