花期干旱对大豆生理及光合特性的影响

刘志强 王建立 赵景云 仇永康

摘要为研究花期干旱对大豆生理特性的影响，以齐黄34和汾豆79为试材，在大豆花期以正常灌水为对照，设置轻度、中度、重度3 个干旱胁迫，研究干旱胁迫对大豆叶片渗透调节物质、抗氧化酶活性和光合特性的影响。结果表明，随着干旱胁迫程度的增强， SOD、POD、CAT 和 APX 活性呈先升高后降低的变化趋势，在中度胁迫时达到最大值，相对电导率和 MDA 含量呈逐渐升高的趋势，含水量、净光合速率、胞间 CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度随干旱程度的降低逐渐下降。两品种间在同一干旱程度下，齐黄34的保护酶活性和光合速率较高，说明齐黄34的抗旱性高于汾豆79。

关键词大豆;干旱;生理特性;光合特性

中图分类号 S565.1        文献标识码 A         DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2022.01.004

Effects of Drought on Physiological and Photosynthetic Characteristics of Soybean at the Flowering Stage

LIU Zhiqiang   WANG Jianli   ZHAO Jingyun   QIU Yongkang

（Zhumadian Academy ofAgricultural Sciences， Zhumadian， Henan 463000， China）

Abstract   In order to analyze the effects of drought on physiological characteristics of soybean at the flowering stage， two  soybean varieties， Qihuang 34 and Fendou 79， were treated with drought stress at mild， moderate and severe levels to analyze  the effects of drought stress on osmotic regulators， antioxidant enzyme activities and photosynthetic characteristics of soybean  leaves. The results showed that the soybean leaves increased first and then decreased their activities of SOD， pod， cat and APX， reached the maximum under the moderate stress， increased their relative conductivity and MDA content gradually with the  increase of drought stress， and decreased gradually their water content， net photosynthetic rate， intercellular carbon dioxide con- centration， transpiration rate and stomatal conductance with the decrease of drought stress. The soybean variety Qihuang 34 has a  higher protective enzyme activity and a higher photosynthetic rate in the soybean leaves than Fendou 79 when treated with the  drought stress at the same level， indicating that Qihuang 34 is higher in drought resistance than Fendou 79.

Keywords   soybean; drought; physiological characteristics; photosynthetic characteristics

大豆是一年生草本植物，是世界上最重要的豆类。中国是大豆的原产地，也是最早种植大豆的国家。大豆是我国重要的粮食和油料作物，含有丰富的脂肪和蛋白質，其综合利用价值很高，是人类不可缺少的作物之一[1]。

近年来，随着全球气候暖干化趋势不断加重，降水格局也发生明显变化，干旱已经成为影响作物生长的主要因素之一[2]。尤其是在我国北方，水资源不足，干旱更是成为限制大豆产量及品质的重要因素[3]。实践证明，轻微干旱下，植物通过调节细胞内物质含量，保持渗透平衡，对植株生长的影响较小，但随干旱程度的增加，植物的叶片数、叶面积、基径及株高显著下降，同时植物叶片发生水分流失，引起水分亏缺，导致叶片的叶绿素发生降解，含量降低，光合作用的能力迅速减弱[4]。植物在受到干旱胁迫时，为抵抗胁迫造成的伤害，会启动自我保护机制进行抵抗，通过 SOD 、POD 、CAT 等保护酶活性的升高，清除体内产生的超氧基阴离子和过氧化氢[5]，同时通过增加体内脯氨酸和丙二醛含量来提高植物细胞渗透调节能力，降低干旱对植株的生理伤害[6]。贾斯淳等[7]研究表明，干旱胁迫下大豆叶绿素含量上升，株高、节数、茎粗显著下降。马玉玲等[8]  研究表明，随着干旱胁迫程度的增强，脯氨酸和可溶性糖的含量显著上升， SOD 、CAT 、APX 活性显著升高。花期是大豆水分需求的关键时期，因此本试验选用2 个品种，探索干旱胁迫对大豆渗透及膜脂过氧化作用、抗氧化酶活性及光合特性的影响。为大豆的抗旱栽培及耐旱品种的筛选提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  样地概况试验于2019 年在河南驻马店市西平县玻璃防雨棚内进行。供试土壤基础肥力为有机质23.87 g/kg 、全氮1.16 g/kg 、有效磷31.58 mg/kg、速效钾154.36 mg/kg。

1.1.2  试材供试大豆品种为汾豆79，由山西省农业科学院经济作物研究所选育;齐黄34，由山东省农业科学院作物研究所选育。氮、磷、钾分别为尿素（ N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12%）和氯化钾（ K2O 60%）。

1.2  方法

1.2.1  试验设计试验采用完全随机区组设计，结合多年作物受旱试验和相关研究[9-11]，以正常灌水为对照（ CK ），土壤含水量为田间持水量的 70%～80%。设置3 个干旱处理，分别为：轻度干旱（ T1），土壤含水量为田间持水量的50%～60%;中度干旱（ T2），土壤含水量为田间持水量的 40%～50%;重度干旱（ T3），土壤含水量为田间持水量的30%～40%。土壤含水量采用 EM-50和称重法互相结合的方式来进行控水。试验采用盆栽试验，盆高38 cm ，直径43 cm，在播种前将剔除杂草石子的土壤搅拌均匀，装入盆中，每盆装土 14 kg，随后浇透水，放置3 d 后进行播种，每处理播种20盆，待出苗后每盆定苗3 株。并定期补充水分，进入开花期（ R2期）后开始对大豆植株进行干旱处理。试验稳定处理15 d 后进行相关指标测定。

1.2.2  项目测定

1.2.2.1  大豆抗氧化酶活性胁迫处理完成后，在上午8：00—9：00取大豆倒2 和倒3 叶片混匀，放置在低温保鲜盒中带回实验室，擦干表面水分和灰尘，迅速用液氮冷冻储存在–80℃超低温冰箱中，待测。参考高俊凤[10]的方法分别测定超氧化物歧化酶 Superoxide dismutase（ SOD ）、过氧化物酶 Peroxidase（ POD ）、过氧化氢酶 Catalase（ CAT ）、抗坏血酸过氧化物酶 Ascorbate peroxidase（ APX ）活性。

1.2.2.2  大豆渗透及膜脂过氧化作用相对电导率采用电导率仪测定，相对含水量、丙二醛（ MDA ）和脯氨酸（ Pro ）的含量参考李合生的方法进行测定。

1.2.2.3  大豆光合参数用美国生产的 LI-6400便携式光合作用测量系統，测定大豆最上部完全展开叶中部的净光合速率、气孔导度、胞间 CO2浓度、蒸腾速率。

1.2.3  数据分析试验数据采用 Excel 2013软件进行初步分析和图表制作，采用 SPSS 19.0统计软件进行方差分析，采用新复极差多重比较法（ Duncan ）进行差异显著性检验（p=0.05）。

2  结果与分析

2.1  花期干旱对大豆抗氧化酶活性的影响

花期干旱对大豆抗氧化酶活性的影响见表1。由表1 可知，花期干旱显著影响大豆叶片抗氧化酶活性， SOD 活性随干旱程度的增加呈先升高后降低的变化趋势，表现为 T2>T3>T1>CK，处理间差异均显著，汾豆79的 T1、T2和 T3处理均显著高于 CK，分别比 CK 高出62.23%、157.48%和 116.70%，齐黄34 的 T1、T2和 T3处理分别比 CK 高出71.60%、160.72%和93.29%。POD 活性随干旱程度的增加呈先升高后降低的变化趋势，表现为 T2>T1>T3>CK，T1和 T3处理间差异不显著，汾豆79的 T1、T2和 T3处理均显著高于 CK，分别比 CK 高出59.20%、95.90%和44.86%，齐黄 34的 T1、T2和 T3处理分别比 CK 高出64.06%、112.37%和58.23%。CAT 活性表现为 T3>T2>T1> CK ，随干旱程度的增加呈逐渐增加的趋势， T2  和 T3处理间差异不显著，汾豆79的 T1、T2和  T3处理均显著高于 CK，分别比 CK 高出28.97%、82.55%和84.94%，齐黄34的 T1、T2和 T3处理分别比 CK 高出38.92%、107.41%和114.76%。 APX 活性变化趋势和 POD 相似，汾豆79的 T1、 T2和 T3处理分别比 CK 高出41.58%、71.79%和 40.11%，齐黄34的 T1、T2和 T3处理分别比 CK 高出49.44%、99.81%和58.27%。在干旱胁迫下，齐黄34的抗氧化酶活性均高于汾豆79。

2.2  花期干旱对大豆叶片膜脂过氧化的影响

由表2 可知，花期干旱显著影响大豆叶片膜脂过氧化性有显著的影响，其中相对电导率随干旱程度的加重呈逐渐升高的趋势，汾豆79的 T1、 T2和 T3处理均显著高于 CK，分别比 CK 高出72.13%、125.10%和134.04%，齐黄34的变化趋势和汾豆79相似， T1、T2和 T3处理分别比 CK 高出70.23%、95.72%和146.08%。含水量则随干旱程度的加重呈逐渐降低的变化趋势，处理间差异均显著，汾豆79的 T1、T2和 T3处理均显著低于 CK ，分别比 CK 低 17.57%、30.21%和 50.85%，齐黄34的变化趋势和汾豆79相似， T1、 T2和 T3处理分别比 CK 低18.15%、31.35%和 42.16%。MDA 含量随干旱程度的加重呈逐渐增加的变化趋势，汾豆79的 T1、T2和 T3处理显著高于 CK，分别高出44.68%、97.58%和130.69%。齐黄34的 T1处理和 CK 差异不显著， T2和 T3 处理显著高于 CK，分别高出91.70%和142.62%。 Pro 含量随干旱程度的加重呈先升高后降低的变化趋势，汾豆79的 T1和 T3处理间差异不显著，齐黄34的各处理间差异均显著。

2.3  花期干旱对大豆叶片光合特性的影响

由表3 可知，花期干旱对大豆光合特性有显著的影响，净光合速率、胞间 CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度随干旱胁迫的加重呈逐渐降低的变化趋势，净光合速率表现为 CK>T1>T2>T3，汾豆 79各处理间差异均显著， T1、T2和 T3处理分别比 CK 低3.73%、16.58%和19.96%。齐黄34的  T1处理和 CK 没有显著差异， T2和 T3显著低于 CK，分别低9.59%和12.07%。胞间 CO2浓度2 品种均是 T1处理和 CK 没有显著差异，汾豆79 的 T2和 T3处理分别比 CK 低12.67%和16.10%。齐黄34的 T2和 T3显著低于 CK，分别低8.98% 和15.49%。蒸腾速率变化趋势和胞间 CO2浓度相似，汾豆79的 T2和 T3处理分别比 CK 低19.79%和29.51%。齐黄34的 T2和 T3显著低于 CK，分别低10.28%和23.36%。气孔导度变化趋势和胞间 CO2浓度相似，汾豆79的 T2和 T3处理分别比 CK 低23.33%和36.67%。齐黄34的 T2和 T3显著低于 CK，分别低16.96%和27.80%。2品种间在干旱胁迫下，齐黄34的净光合速率、胞间 CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度均高于汾豆79。

3  讨论与结论

植物在受到干旱胁迫时，会引起体内一系列的化学反应，对植物造成伤害，其中最主要的就是引发植物细胞膜的过氧化作用，细胞内电解质渗透增大，使细胞膜透性增强，相对电导率是反映膜透性的重要指标[12]。叶片含水量也可以在一定程度上反映植物受到干旱损伤的程度。植物叶片相对含水量越高，下降的速率越慢，则表示植物抗旱性能越强[13]。丙二醛是作物细胞膜脂过氧化作用的产物，它的存在会给植物细胞膜带来严重的损害，是反映膜脂过氧化程度的重要指标[14]。本研究表明，随着干旱程度的加重，相对电导率呈逐渐增加的趋势，含水量呈逐渐升高的变化趋势，说明干旱对大豆造成的伤害随干旱程度递增。在干旱胁迫下，齐黄34 的电导率低于汾豆79，在轻度胁迫和中度胁迫下，齐黄34的叶片含水量低于汾豆79，在重度胁迫下高于79，这可能和大豆品种特性有关。随着干旱程度的增加，丙二醛含量逐渐增加，重度干旱时达到最大。齐黄34在轻度干旱胁迫下差异和对照不显著，说明在轻度干旱下丙二醛产生较少，总体说明，齐黄34受到干旱影响程度较轻。

植物在遭受脅迫后，为抵抗胁迫，植物体内会产生渗透调节物质。脯氨酸是主要的渗透调节物质之一，通过调节植物体内的渗透平衡，减少体内因逆境胁迫对植物带来的损伤，稳定细胞结构及清除体内产生的自由基[15]。因此，植物体内脯氨酸积累量反映植物对干旱的抵抗能力[16]。本试验结果表明，随着干旱程度的增加，大豆叶片脯氨酸含量呈先升高后降低的趋势，说明植物对干旱的耐受能力具有一定的范围，在重度胁迫下，超过了植物体对干旱的抵抗范围，导致脯氨酸含量降低。

干旱胁迫引起植物产生大量的自由基，破坏植物体内正常的代谢平衡，此时本身会调动体内的整个防御系统来抵抗逆境胁迫带来的氧化伤害[17]， SOD、POD、CAT 和 APX 协调起来抵御逆境带来的伤害[18]。研究表明，干旱引起保护酶活性的升高来减少干旱带来的损伤。本研究结果表明， SOD、POD、CAT 和 APX 活性随干旱程度的增加呈先升高后降低的变化趋势，说明在植物可承受的干旱范围内，保护酶活性升高，保护植株不受伤害，但是当胁迫程度进一步增加，超过植物的承受范围，则保护酶活性受到抑制。齐黄34的抗氧化酶活性均高于汾豆79。

光合作用是作物生长发育的重要能量转化代谢系统，是影响作物产量的主要因素[19]。本研究中，干旱胁迫限制了气孔开度，减少水分损失，降低胞间 CO2浓度和蒸腾速率，从而限制光合作用，表明此时干旱胁迫破坏了光合系统，抑制了光能的吸收，并降低了光合作用和碳同化作用，随着干旱程度的增加，光合参数呈逐渐降低的趋势，在轻度干旱胁迫下，影响较小，差异不显著，可能是根系干物质积累的关键，干旱胁迫会促进光合产物对根系的运输，而中度和重度干旱胁迫均会降低光合能力。齐黄34的光合参数在各干旱处理下均高于汾豆79。

花期干旱对大豆生理特性具有显著的影响，干旱胁迫下，相对电导率和 MDA 含量增加、含水量和 Pro 含量降低，保护酶活性在轻度干旱和中度干旱下上升，在重度干旱下下降，净光合速率、胞间 CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度随干旱程度的降低逐渐下降。说明轻度干旱对大豆生理的影响较小，重度干旱造成的伤害较大，综合比较，齐黄34的保护酶活性和光合速率较高，说明，齐黄34的抗旱性高于汾豆79。

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（责任编辑龙娅丽）