不同浸水时间对大豆种质耐涝性及理化特性的影响

王永强， 姚梦楠， 薛 冬， 赵 娜， 周恩强， 魏利斌， 顾春燕， 缪亚梅， 汪凯华， 王学军

(江苏沿江地区农业科学研究所，江苏南通 226001)

涝害是指土壤水分含量超过植物正常生长需要时对植物产生的直接危害及次级危害。我国属于季风气候区，降水相对集中于夏季。一方面，湿润的季风带来充足的降水，有利于农业生产；但另一方面，过于集中的降水容易产生涝害。大豆耐涝性较差，强降水容易导致种子处于缺氧状态，形成烂粒或不正常苗。研究大豆种质耐涝性对我国农业发展具有重要意义。

大豆在整个生育期都有可能遭遇涝害影响。在苗期遭遇涝害，大豆出现叶色黄化，阻碍根部发育生长，导致根系活力降低[1]。有研究表明，苗期涝害逆境时间越长，对大豆生长影响伤害越大[2-3]。Scott等对V1期[4]、董钻对V1、V4期[5]、Githiri 等对V3期[6]、Oosterhuis等对V4期[7]、Shannon等对R1期[8]、VanToai等对R1～R4期[9]、Isism对R2期[10]大豆的耐涝性进行研究，发现在相同涝害时间条件下，生殖生长时期遭遇涝害对大豆生长及其产量的影响显著高于营养生长时期。宋晓慧等以耐涝品种垦丰14和不耐涝品种垦丰16为试材，研究不同淹水胁迫时间对大豆苗期根部形态和生理指标的影响，发现短时间胁迫下，根瘤数、电导率、丙二醛和脯氨酸含量变化无明显差异；随着胁迫时间增加，耐涝品种根瘤生长受抑制程度小于不耐涝品种，不耐涝品种的不定根数量、电导率、丙二醛含量较耐涝品种均增加[11]。目前，对于大豆耐涝的研究主要集中于苗期、营养生长期及生殖生长期。本研究通过对不同大豆种质48、72 h浸水处理，研究大豆种质理化特性、发芽活力指数等变化规律，以期为解释大豆种质萌发期的耐涝性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

10份大豆种质资源为江苏省区域试验收集所得，2020年种植于江苏沿江地区农业科学研究所，于当年收获种子。

1.2 试验设计

大豆种子发芽率检测：10份大豆种质材料2020年收获新种子，25 ℃下进行标准发芽试验，重复3次，检测试验材料发芽率。

种子长度、宽度测定：取100粒种子置于种子扫描仪上，利用分析软件计算出种子平均长度与宽度值。

种子蛋白、油分含量测定：取100粒种子导入近红外光谱仪盒中，重复3次，绘制标准曲线，根据标准曲线读取蛋白含量和油分含量值。

种子浸水处理、电导率测定：选取正常、无种皮破裂大豆种子600粒，浸于75%乙醇中消毒5 s，取出后用去离子水清洗干净晒干。25 ℃下，取100粒放入烧杯中，加入400 mL去离子水浸泡48 h，重复3次，为T1处理；另外300粒分3次重复加 400 mL 去离子水浸泡72 h，为T2处理。用DS-1型电导率仪测定浸泡液的电导率。

T1、T2处理下种子发芽率及根长、苗长测定：实验室内浸水48 h(T1)、72 h(T2)后，进行标准发芽试验，种子发芽率计算办法参照尹燕枰等纸间发芽法[12]。发芽纸经灭菌消毒后，在去离子水中充分浸泡，取200粒种子经75%乙醇消毒后用去离子水洗净，整齐摆放在发芽纸上，然后覆盖上另外1张发芽纸，疏松卷起，竖直放入自封袋中，25 ℃下光照发芽7 d，统计发芽率、发芽指数、种苗生长量。

发芽活力指数=种苗生长量×发芽指数；

发芽指数=∑Gt/Dt。式中，Gt为时间t的发芽数，Dt为相应的发芽天数。

超氧化物歧化酶(SOD)活性测定：采用李合生的氮蓝四唑(NBT)比色法[13]。

丙二醛(MDA)含量测定：参照赵世杰等双组分分光光度计法[14]。

丙酮酸脱羧酶(PDC)活性测定：PDC活性测定采用试剂盒(Boxbio公司提供)。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2003、SPSS软件进行统计分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同种质材料种子的理化特性

不同种质材料种子的理化特性见表1。华科7号种子长度最长，为8.78 cm；苏X19011种子长度最短，为7.86 cm。种子长度在8.50 cm及其以上的材料占比50%。徐豆24种子宽度最宽，为 7.00 cm。种子宽度超过6.50 cm的材料占比60%。通豆16-058蛋白含量最高，为46.00%；苏X19011蛋白含量最低，为41.80%。蛋白含量超过44.00%材料占比50%。南农W182油分含量最高，为18.80%；苏SN18油分含量最低，为17.00%。油分含量超过18.00%的材料占比60%。各材料之间差异显著，利于试验研究。

表1 不同种质材料种子的理化特性

2.2 不同时间处理种质相对电导率

相对电导率反映细胞膜的完整性，相对电导率高低反映种子的活力水平[2]。不同浸水时间处理下的相对电导率见图1。T1处理下，各材料之间相对电导率表现差异显著。8号材料相对电导率最低，为0.18；浸水48 h，细胞膜较完整，内含物质流出较少。3号材料相对电导率最高，为0.38；种子内部内含物质流出较多，细胞膜伤害较大。随着浸水时间延长，相较于T1处理，各材料相对电导率显著增加。T2处理下，3号材料相对电导率最高，为0.50；7号材料次之，为0.48；8号材料相对电导率最低，为0.24。

2.3 不同时间处理种质发芽活力指数表现

不同种质材料T1、T2处理下的发芽率、根长、苗长、发芽活力指数统计结果见表2。各材料之间标准发芽率均在95%以上，无显著差异，说明种子质量良好。不同种质材料在T1、T2处理下的发芽率、根长、苗长、发芽活力指数差异显著。T1处理下，除了4、8号材料浸水发芽率较高，均为96%，其余各材料均明显低于标准发芽率；3号材料浸水发芽率为0，7号材料浸水发芽率为4%，表明3、7号材料受涝害伤害较大。T2处理下，随着浸水时间延长，除2、8号材料外，其余各材料浸水发芽率均明显降低，其中6号材料变化最为明显，浸水发芽率由70%降低至6%。T1处理下，2号材料根长最长，为14.8 cm；4号材料苗长最长，为13.3 cm。T2处理下，随着浸水时间延长，2、8号材料根长、苗长增加，1号根长伸长外，其余各材料降低。浸水胁迫对2、8号材料种质无明显影响，对其余种质影响较大。T1处理下，8号材料发芽活力指数最高，为25.7；3号材料发芽活力指数最低，为0。T2处理下，随着浸水时间延长，除2、8号发芽活力指数增加外，其余材料均降低；其中10号材料发芽活力指数降低最明显，说明该处理时间的涝害逆境对材料伤害最大。

表2 不同时间处理大豆种质发芽活力指数

2.4 不同时间处理种质SOD活性、MDA含量变化

超氧化物歧化酶是抵抗逆境的酶，植物体内超氧化物歧化酶活性增加，抵抗逆境伤害能力增强。丙二醛是植物遭受伤害产生的有害物质，其含量高低反映植物膜脂过氧化程度[15]。T1、T2处理下不同种质材料SOD活性、MDA含量变化如图2所示。T1处理下，不同材料之间SOD活性差异明显。4号材料SOD活性最高，为9.3 U/g，抵抗逆境能力较强。3号材料SOD活性最低，为3.2 U/g，抵抗逆境能力较低。T2处理下，随着浸水时间延长，除2、7、8号材料的SOD活性无明显变化外，其余材料的SOD活性明显降低，说明浸水胁迫对SOD活性起到抑制作用。T1处理下，不同种质材料MDA含量差异显著。6号材料MDA含量最高，为219.1 nmol/g，可能与SOD活性较高、清除自由氧能力较强有关。8号材料MDA含量最低，为 103.8 nmol/g。T2处理下，随着浸水时间延长，各材料MDA含量明显高于T1处理。说明随着浸水胁迫时间延长，细胞内部膜脂过氧化程度越来越高，SOD活性只能在一定程度上清除自由氧，超过一定限度，MDA含量会增加，对种子产生毒害作用，从而逐步导致种子丧失活力。

2.5 T1处理下不同种质材料丙酮酸脱羧酶活性变化

丙酮酸脱羧酶是无氧呼吸关键酶。种子在遭受涝害时，测定PDC活性对解释耐涝机制具有重要意义。有研究表明，植物通过降低无氧呼吸速率来抵抗涝害逆境[16]。T1处理下，丙酮酸脱羧酶活性见图3。不同材料之间PDC活性差异明显，其中2号材料PDC活性最低，为3.1 μmol/(min·g)；其次为8号材料，为3.3 μmol/(min·g)。3号材料PDC活性最强，为5.9 μmol/(min·g)；其次为7号材料，为4.9 μmol/(min·g)。

2.6 不同时间处理各观测性状相关性

各观测性状相关性如表3所示。种子长度与相对电导率、丙二醛含量、丙酮酸脱羧酶活性呈显著正相关，与超氧化物歧化酶活性、发芽活力指数呈显著或极显著负相关。种子长度越长，相对电导率越高，丙二醛含量越高，丙酮酸脱羧酶活性越高，超氧化物歧化酶活性越低，发芽活力指数越低，导致种子抵抗涝害逆境能力越差。蛋白含量与种子相对电导率呈显著正相关。相对电导率与种子发芽活力指数呈显著或极显著负相关。种子在浸泡过程中，种子内含物质流出越多，种子受伤害程度越大，种子相对电导率越高，种子发芽活力指数越低。T1处理下，相对电导率与超氧化物歧化酶活性呈显著负相关。T2处理下，相对电导率与丙二醛含量、丙酮酸脱羧酶活性呈显著正相关。超氧化物歧化酶活性与丙二醛含量呈显著或极显著负相关，与种子发芽活力指数呈显著正相关。超氧化物歧化酶活性越高，丙二醛含量越低，种质发芽活力指数越高。丙二醛含量与种子发芽活力指数呈显著或极显著负相关。丙酮酸脱羧酶活性与种子发芽活力指数呈显著或极显著负相关。种子在涝害状态下，丙酮酸脱羧酶活性越高，无氧呼吸速率较高，产生较多有害物质，对种子产生毒害作用，导致种子发芽活力指数降低。耐涝性强的种质，如8号材料，通过提高超氧化物歧化酶活性，降低丙二醛含量、丙酮酸脱羧酶活性、无氧呼吸速率，来抵抗环境涝害逆境。

表3 各观测性状相关性

3 讨论

温度、浸水时间显著影响种质的耐涝性[17]。种子萌发过程中，温度过高，会加快无氧呼吸速度，种子内部积累大量乙醇，对种子产生毒害作用，从而影响种子萌发[18-20]。陈文杰等以种子浸水12～68 h 为时间处理梯度，发现随着浸水时间的延长，大豆浸泡液电导率不断增加，发芽势、出苗率、正常苗率逐渐降低[17]。Ali等建议以浸水48 h后大豆苗长为指标，研究大豆耐浸水能力[18]。Hou等在 25 ℃ 下对730份大豆材料进行种子淹水处理，发现一些种子淹水2 d就丧失活力，而一些种子淹水 4 d 还保持较高的发芽率[19]。陈文杰等还对南方大豆种质耐浸水能力进行了鉴定与分析，筛选出耐浸水能力较好的抗性品种[20]。Hou等研究结果表明，温度从15 ℃提高到30 ℃时，种子无氧呼吸速率明显变快，浸水后96 h便失去发芽率[21]。本试验中，通过前期种质资源筛选和预试验，确定试验温度为25 ℃，处理时间为48、72 h时，不同种质之间理化特性差异较大，可以更好地解释种质在涝害条件下抵抗涝害的理化机制。

植物在遭受涝害条件下，体内的氧会被活化成对细胞有伤害的活性氧。耐涝性较强的品种在淹水胁迫下可以诱导或者保持较高的抗氧化酶活性，清除活性氧阴离子自由基，防止细胞膜系统被破坏，从而保持细胞膜系统活力[22-25]。MDA是膜脂过氧化的产物，可与细胞膜上的蛋白质、酶等结合，使细胞失活[26-28]。周琴等研究表明，淹水时间越长，大豆MDA含量越高[3]，这和本研究结果一致。本试验发现，不同大豆种质的SOD活性、MDA含量差异明显，呈显著负相关。耐涝性强的种质SOD活性显著高于涝害敏感型材料，而丙二醛含量较敏感型低，这和前人研究结果[15]一致。随着浸水时间延长，抗性品种SOD活性并没有显著增加，涝害敏感型品种SOD活性降低，说明植物抵抗涝害逆境能力可能有一定范围。而丙二醛含量不断增加，说明种质膜脂过氧化程度随着浸水时间延长不断增加。

有研究表明，植物在涝害条件下，可以通过“静止策略”降低能量消耗来应对缺氧状态，如耐涝水稻种质FR13A[29]。耐浸水大豆材料Peking在缺氧条件下不发芽，在氧气正常时恢复发芽，也是通过“静止策略”实现耐浸水；相反一些不耐浸水材料则在缺氧条件下依然发芽，无氧呼吸产生有害物质导致种子活力降低[30-31]。本研究中，T1处理下，PDC活性与发芽活力指数之间呈极显著相关性，而强耐涝性种质的丙酮酸羧化酶活性较低，弱耐涝性种质的丙酮酸羧化酶活性较高，说明在萌发期，种质通过降低无氧呼吸速率来抵抗涝害逆境，而该时期其他抗逆方式有待进一步研究。

4 结论

大豆浸水48、72 h后，不同种质之间的发芽活力指数、相对电导率、超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量、丙酮酸脱羧酶活性差异显著。随着浸水胁迫时间增加，苏X19011、新豆90-30的发芽活力指数无明显变化，其余各材料均明显降低；苏X19011的发芽活力指数最高，为27.6；通豆16-058、南农W182的发芽活力指数为0。抗性种质通过提高SOD活性、降低丙酮酸脱羧酶活性和丙二醛含量来抵抗涝害逆境。