外源脱落酸缓解小豆幼苗水分胁迫效应研究

项洪涛，李 琬，何 宁，刘 佳，曾玲玲，王诗雅，王曼力，刘美玲

(1.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所，哈尔滨 150086；2.黑龙江省农业科学院植物保护研究所，哈尔滨 150086；3.黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；4.黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆 163319)

【研究意义】小豆(Vignaangularis)是我国重要的食用豆类作物之一，属于典型的救灾作物和种植结构调整作物。小豆具有适应性强和播种范围广等特点，其耐瘠薄、耐盐碱、耐干旱，但对淹水胁迫敏感，我国春播地区的春涝、夏播地区的多雨都会对小豆苗期生育造成水分胁迫，极易形成淹水危害。我国农业水灾受灾面积占总受灾面积的19%左右，涝害是我国第二大自然灾害[1]。淹水胁迫使土壤溶氧量降低，抑制根系有氧呼吸，引起根系能量合成减少，影响根系生理代谢过程[2]，造成植株个体生理差异，最终降低作物产量，影响农业生产。ABA是20世纪60年代被发现和鉴定出的一种植物内源激素，在植物对胁迫耐受性和抗性中发挥着重要作用。外源激素通过改变内源激素水平调节植物生理代谢，逆境胁迫下外源ABA能够促进植物体内ABA的合成和运输[3]，进而调控植物的抗逆性。因此，研究淹水胁迫下喷施外源ABA，对提高小豆的抗涝性和保产稳产具有重要意义。【前人研究进展】淹水胁迫能诱导细胞产生自由基，进而导致离子渗漏和细胞死亡，为了抵御淹水胁迫下活性氧(reactive oxygen species，ROS)的毒害作用，植物体内的抗氧化酶类活性提高，能够清除更多的自由基。研究表明，高水平的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)和过氧化氢酶(catalase，CAT)活性在长时间淹水条件在多种植物的存活中发挥重要作用[4]。淹水逆境下，植物ROS代谢失衡，导致过氧化氢(H2O2)等过度积累，过多的ROS会引起膜系统损伤和细胞氧化[5]，生成过氧化脂质并随后逐渐分解成一系列复杂的化合物，其中包括丙二醛(malondialdehyde，MDA)，MDA能与酶蛋白发生链式反应聚合，引起膜系统变性影响正常生理代谢，并最终导致产量下降。研究表明，淹水胁迫导致作物体内H2O2含量增加[1]，MDA含量增加[6]，SOD、POD和CAT活性提高[7]，脯氨酸和可溶性蛋白含量提高[8]，V3期淹水导致单株产量下降11.11%[9]，玉米拔节期淹水胁迫产量下降16.00%～43.40%[10]，水稻拔节期和抽穗开花期淹水胁迫可减产43.40%～78.00%[11]。【本研究切入点】外源ABA具有减缓逆境条件下ROS类物质和MDA含量增加的生理作用，维持作物正常的理化代谢功能和途径，缓解胁迫损伤。外源ABA通过调节ROS积累并降低MDA含量[12]、提高抗氧化酶活性[13]、增加渗透调节物质含量[14]等不同生理代谢环节来抵御胁迫伤害，这在低温[15]、干旱[16]、盐碱[17]和重金属[18]等逆境胁迫研究中均得到证实。但目前关于外源ABA缓解作物淹水胁迫的报道不多，而关于外源ABA缓解小豆苗期淹水伤害的研究更是鲜见。【拟解决的关键问题】本试验研究淹水胁迫及喷施外源ABA对小豆根系生理及产量的影响，以及预喷施外源ABA后对其调控和缓解效应，对于揭示小豆应激淹水胁迫的生理响应及提供缓解淹水胁迫的有效方法，具有科学理论研究和现实应用双重意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小豆(Vignaangularis)品种为‘龙小豆4号’和‘天津红’。材料由国家食用豆产业技术体系芸豆育种岗位团队提供。

供试外源脱落酸(ABA)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。试验采用盆栽方式，盆高25 cm、直径23 cm，每盆装自然风干壤土5.5 kg，播种后覆土200 g，每盆保苗15株(5穴×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1.72 g/cm3，最大田间持水量约为25.65%，有机质含量2.63%、全氮1.46 mg/g、全磷0.66 mg/g、缓效钾325.7 mg/kg、碱解氮165.0 mg/kg、速效磷41.25 mg/kg、速效钾156.7 mg/kg、土壤pH 6.69。每品种分别播种100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(此时真叶完全展开，第一片复叶露头)进行处理。处理当天上午9:00，采取叶面喷施方式施用外源ABA，使用浓度为20 mg/L，折合每用液量为22.5 mL/m2。喷施24 h后，于翌日上午9:00，进行淹水处理，淹水处理采取套盆方式。淹水24 h后，进行第一次取样，之后每天上午9:00顺延进行下一次取样，本试验共取样5 d，记为取样1～5 d。

表1 试验设计方案

1.3 测定项目与方法

1.3.1 取样方法 各处理分别进行取样，将小豆植株根系迅速剪下装入事先标记好的自封袋内，并立即放入液氮中，充分冷冻后置于-80 ℃冰箱中保存，供测定生理指标使用。同时各处理每天解除淹水胁迫3盆，供后期产量测定使用。对解除胁迫的盆栽，每日观察并陆续进行间苗、拔草等，最终每桶保苗5株(5穴×1株)，根据实际气温和降雨情况，适时浇水直至成熟。

1.3.2 测定方法 过氧化氢(H2O2)含量使用试剂盒测定。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，采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定丙二醛(MDA)含量，可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；具体操作规程按照李合生等[19]的方法。可溶性糖含量测定采用硫酸蒽酮比色法，脯氨酸含量测定采用茚三酮比色法；具体操作规程按照张宪政等[20]的方法。

1.4 数据处理

利用Excel 2010处理试验数据并作图，使用DPS软件选择新复极差法进行显著性差异检验。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫及喷施外源ABA对小豆幼苗根系膜损伤的影响

2.1.1 根系H2O2含量 由图1可知，幼苗期淹水胁迫后，小豆根系H2O2含量呈快速上升趋势。经方差分可知：与CK(T1和T4)相比，龙小豆4号和天津红的H2O2含量均表现为淹水胁迫(T2和T5)显著提高。喷施ABA后，有效降低了淹水胁迫下的H2O2含量。龙小豆4号处理1～5 d时，T3较T2分别显著下降22.82%、37.57%、34.00%、24.66%和24.57%。天津红处理3～5 d时，T6较T5分别显著下降18.69%、21.17%和18.22%。

图1 不同处理下小豆幼苗根系的H2O2含量Fig.1 The H2O2 content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

2.1.2 根系MDA含量 由图2可知，淹水胁迫后小豆幼苗根系MDA含量呈上升趋势。方差分析结果表明：龙小豆4号处理2～5 d时，T2显著高于T1；天津红处理1～5 d时，均表现为T5显著高于和T4。喷施ABA能明显缓解淹水胁迫下的MDA含量的提高，龙小豆4号处理4～5 d时，T3较T2分别显著下降11.06%和16.75%。天津红处理4～5 d时，T6较T5分别显著下降15.72%和20.54%。

2.2 淹水胁迫及喷施外源ABA对小豆幼苗根系保护酶系统的影响

2.2.1 根系SOD活性 由图3可知，小豆幼苗淹水及喷施ABA后，根系SOD活性呈先升后降的变化趋势。龙小豆4号处理2和3 d时，T2较T1分别显著高13.53%和30.55%，喷施ABA处理2和4 d时，T3较T2分别显著高8.48%和18.67%。天津红淹水处理1～5 d时，T5较T4分别提高了18.56%、26.80%、41.41%、27.12%和7.05%，方差分析结果表明淹水1～4 d时，T5和T4之间差异显著。淹水胁迫下喷施ABA能有效提高天津红的SOD活性，处理1～4 d时，T6较T5分别提高7.48%、9.03%、6.52%和14.14%，其中处理2和4 d时，T6和T5之间差异显著。

图2 不同处理下小豆幼苗根系的MDA含量Fig.2 The MDA content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

图3 不同处理下小豆幼苗根系的SOD活性Fig.3 The SOD activity in root of adzuki bean seedlings under different treatments

2.2.2 根系POD活性 由图4可知，幼苗期淹水处理后，小豆体内POD活性呈先升高后降低的变化趋势，喷施ABA可进一步提高POD活性。龙小豆4号各时期均表现为T3>T2>T1，处理1～5 d时，T2较T1分别提高了7.71%、9.97%、19.61%、20.86%和0.71%，方差分析结果表明淹水3 和4 d时，T2和T1之间差异显著；处理1～5 d时，T3较T2分别高出5.21%、10.12%、7.52%、14.45%和1.07%，其中淹水4 d时，T3和T2之间差异显著。天津红各时期均表现为T6>T5>T4，处理2～5 d时，T5较T4分别显著提高了21.28%、27.00%、23.81%和11.22%；处理4和5 d时，T6较T5分别显著高出16.31%和10.06%。

图4 不同处理下小豆幼苗根系的POD活性Fig.4 The POD activity in root of adzuki bean seedlings under different treatments

2.2.3 根系CAT活性 由图5可知，淹水胁迫后小豆根系内CAT活性呈先升高下降的变化趋势，且均在处理后第3天达到最高值。龙小豆4号处理1～4 d时，T2 较T1高出46.15%、64.29%、130.77%和14.29%，第5天时T2较T1低了21.43%，方差分析结果表明处理1和3 d时，T2 和T1之间差异达显著水平；天津红处理1～4 d时，T5较T4分别显著提高了88.89%、120.00%、188.89%和70.00%。喷施ABA可提高CAT活性，龙小豆4号处理1～5 d时，T3 较T2提高47.37%、39.13%、16.67%、131.25%和81.82%，其中第1、4和5天，T3与T2之间差异达到显著水平；天津红处理1～5 d时，T6较T5分别提高了23.53%、22.73%、30.77%、105.88%和35.71%，其中第3～5天，T6与T5之间差异达到显著水平。

2.2.4 根系SOD/POD的值 SOD/POD比值的提高会进一步增加植物体氧化胁迫。由表2可知，幼苗期淹水及喷施ABA处理引起小豆根系内SOD/POD呈先下降后上升趋势，喷施ABA可诱导SOD/POD进一步下降，龙小豆4号在处理1～3 d，以及第5天时，表现为T3

2.3 淹水胁迫及喷施外源ABA对小豆根系渗透调节物质含量的影响

2.3.1 小豆幼苗根系脯氨酸含量 由图6可知，幼苗期淹水及喷施ABA后，小豆根系内脯氨酸含量表现为先升后降的趋势。龙小豆4号处理2～5 d时，T2比T1显著提高26.17%、29.25%、46.97%和22.79%，处理1～4 d时，T3较T2显著提高9.16%、24.80%、55.65%和50.90%。天津红处理2～5 d时，T5较T4显著提高22.69%、33.07%、44.04%和13.06%；T6较T5显著高出11.26%、39.63%、40.02%和44.56%。

图5 不同处理下小豆幼苗根系的CAT活性Fig.5 The CAT activity in root of adzuki bean seedlings under different treatments

表2 淹水胁迫及喷施ABA对小豆幼苗根系SOD/POD的影响

图6 不同处理下小豆幼苗根系的脯氨酸含量Fig.6 The proline content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

2.3.2 根系可溶性糖含量 由图7可知，淹水处理及喷施ABA后，小豆根系可溶性糖含量得到提高。龙小豆4号处理1～5 d时，均为T2>T1，处理3～5 d时，T2较T1显著提高77.43%、39.59%和20.31%，处理3和4 d时，T3较T2显著提高18.88%和25.62%。天津红处理1～5 d时，T5较T4显著提高24.32%、52.73%、96.94%、58.32%和22.35%，处理3和4 d时，T6较T5显著高出28.05%和89.07%。

2.3.3 根系可溶性蛋白含量 由图8可知，淹水及喷施ABA后，小豆根系可溶性蛋白含量呈先升高后降低变化趋势。龙小豆4号处理2～5 d时，T2较

图7 不同处理下小豆幼苗根系的可溶性糖含量Fig.7 The soluble sugar content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

图8 不同处理下小豆幼苗根系的可溶性蛋白含量Fig.8 The soluble protein content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

T1显著高出9.92%、16.74%、28.77%和10.82%，处理1～3 d时，T3较T2显著高出16.87%、25.54%和21.43%。天津红处理2～5 d时，T5较T4显著高出25.48%、48.08%、35.29%和21.24%，处理3～5 d时，T6较T5显著高出10.83%、38.13%和13.30%。

2.4 淹水胁迫及喷施外源ABA对小豆产量的影响

由表3可知，龙小豆4号处理1～2 d时，T1、T2和T3之间无显著差异；处理3～5 d时，T2较T1相比，显著降低4.77%、7.57%和8.40%；处理3和4 d时，T3较T2显著高6.05%和6.95%，处理5 d时，T3和T2间无显著差异。天津红处理1～2 d时，T4、T5和T6之间无显著差异；处理3～5 d时，T5较T4显著降低5.59%、8.00%和9.91%；处理3和4 d时，T6较T5显著高1.84%和4.46%。

3 讨 论

表3 淹水胁迫及喷施ABA对小豆单盆产量的影响

渗透调节是植物诱导保护性应答的一种重要生理机制，逆境条件下细胞能主动积累可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等有机渗透调节物质，来调节细胞的渗透势，保护植物组织内各种酶类和细胞膜结构的正常功能[1]。本研究结果表明，淹水胁迫导致小豆根系的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量提高，尤其是脯氨酸含量得到显著提高，可有效缓解低温带来的伤害。因为脯氨酸可以通过维持细胞膨胀或渗透平衡来赋予植物胁迫耐受性，从而稳定膜结构，防止电解质泄漏。喷施ABA能进一步提高渗透调节物质含量，尤其显著提高了可溶性蛋白的含量，能够促进细胞液浓度提高，增加细胞持水组织中的非结冰水，有利于提高植物的抗逆性。

淹水胁迫导致作物产量下降，不同时期的影响存在差异。于奇等[31]表明开花期和结荚期淹水均可降低绿豆产量，其中开花期淹水胁迫减产更严重，王诗雅等[32]指出不同时期淹水对大豆产量造成不同程度影响。本研究结果表明小豆幼苗淹水胁迫3 d就可引起产量显著降低3%以上。喷施ABA能缓解逆境胁迫引起的产量损失，王金强等[16]指出水分胁迫下外源ABA可显著提高甘薯产量28.60%，屈春媛等[33]指出水分胁迫下，外源ABA显著提高了大豆产量。本研究也得到相同结果，喷施外源ABA能有效缓解淹水对小豆产量的影响，对天津红品种更为明显。

4 结 论

幼苗期淹水胁迫引起小豆根系H2O2和MDA含量显著增加，同时诱导SOD和POD活性增强，脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖都有所提高，并最终导致产量下降。喷施外源ABA可减缓小豆的胁迫损伤，其相对降低了小豆根系内H2O2和MDA含量；增强小豆根系SOD、POD和CAT的活性，降低了SOD/POD的比值；进一步增加脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量，整体提高小豆对淹水胁迫的抗性，提高了淹水胁迫下小豆的产量。外源ABA对不同品种小豆的调控效应有所不同，但可用于小豆抗涝生产，缓解淹水危害。