干旱胁迫对大豆种子萌发和幼苗生理的影响

徐芬芬，王爱斌

（上饶师范学院 生命科学学院，江西 上饶 334000）

干旱是影响农作物产量的主要环境因子之一。在我国干旱和半干旱区约占国土总面积的1/2 以上，其危害接近于其他多种自然灾害影响的总和［1］。特别是近几年来，在我国北方大部地区，发生干旱的频率达到70%左右［2］；而南方一些地区，出现干旱天气的频率也日趋增高，影响也越来越大，导致农业生产损失严重。在2019年7月16日至10月21日期间，江西省平均无雨日数81 天，较常年同期偏多16.8 天，创历史同期新高。种子萌发对干旱胁迫的响应反映了其适应局地环境的生态机制。因此，对作物种子萌长期进行耐旱性评价，筛选耐旱品种，对我国农业可持续发展具有重要意义。

菜用大豆种植过程中需水量高，根系不发达，成为豆类中对干旱胁迫最为敏感的作物［3］。大豆不同品种对干旱的抗性不同，因此许多学者对大豆种子萌发期的耐旱性评价进行了研究。高小宽等［4］比较了聚乙二醇模拟干旱胁迫对野生大豆与栽培大豆萌发的影响。研究结果表明，野生大豆的抗旱性强于栽培大豆。周玉丽等［5］研究了30 个栽培大豆品种的耐旱性，发现大豆不同品种的耐旱指数和胁迫指数存在明显差异。本试验采用PEG-6000 模拟干旱胁迫的方法，对目前江西省广泛栽培的四个大豆品种进行抗旱性比较，通过测定它们种子发芽状况及相关生理指标，对这些品种进行早期耐旱性鉴定，为菜用大豆提供新的耐旱种质资源。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试大豆品种为“鹤丰”、“辽鲜1号”、“沪宁”和“毛豆29-2”等，种子购于市场。

1.2 试验方法

配制浓度为5%、10%、20%的PEG-6000 溶液（分别代表正常、轻度、中度和重度干旱胁迫），以蒸馏水作对照。分别选取颗粒大小一致、整齐饱满、无病虫害的大豆种子，将大豆种子用70%的酒精浸泡30～60 s，蒸馏水冲洗2～3 次后，置于以直径9 cm 的玻璃培养皿，每皿铺一层滤纸，每皿放置50粒，然后分别加入不同浓度的20 mLPEG-6000，常温培养。每处理设置3次重复。培养过程每天更换1次溶液，以保证试验过程中PEG浓度的恒定。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 萌发情况

12 h后开始观察，以后每天记录一次发芽情况，3 d 后统计发芽势，7 d 后统计发芽率和发芽指数。发芽率、发芽势、发芽指数计算公式如下：

发芽率（%）=（第5天全部发芽的种子数/供试种子数）×100%；

发芽势（%）=n/N×100%式中，n为前3次的发芽种子数，N为种子总数100；

发芽指数（GI）=∑Gt/Dt，式中，Gt 为第t 天种子发芽数，Dt为对应的种子发芽的天数。

1.3.2 抑制率

各萌发指标的抑制率IR（%）=（对照值-处理值）/对照值×100。

1.3.3 最大根长、根冠比

待幼苗长到三片真叶时，每处理随机选取10株测量最长根长，用烘干称重法测定根冠比。

1.3.4 根系生理指标

待幼苗长到三片真叶时，取各品种20%的PEG-6000处理和CK的大豆根系测定如下生理指标：脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法测定［6］；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）活性测定参照李合生的方法［5］，丙二醛（Methylene dioxyamphetamine，MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸比色法［6］。以上各指标重复3次，结果取其平均值。

1.3.5 根系伤流量

待幼苗长到三片真叶时，伤流液的收集从19：00 开始到次日7：00 结束，距根部2 cm 处剪去地上部，用套有保鲜膜的脱脂棉包裹茎基部准确收集伤流液12 h。伤流液流量通过差减称量法计算［6］。

1.4 数据分析

试验数据用Excel 软件分析，采用新复极差法进行差异显著性测验。

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫下不同品种大豆种子萌发情况

由表1 数据分析可知，5%PEG 促进了“鹤丰”和“辽鲜1号”两个品种的发芽。其中，“鹤丰”发芽率、发芽势和发芽指数分别较CK 提高2.95%、12.55%、2.54%，“辽鲜1 号”的发芽率、发芽势和发芽指数分别较CK 提高2.94%、32.84%、12.41%，且“辽鲜1 号”的发芽势较CK极显著提高（P＜0.01）。“沪宁”和“毛豆29-2”两个品种各发芽指标则均受到了抑制。“沪宁”发芽率、发芽势和发芽指数等均表现为极显著抑制。10%PEG 胁迫下，“辽鲜1 号”发芽仍受到促进（其发芽率、发芽势和发芽指数分别较CK 提高1.76%、10.92%、8.87%），其它品种发芽率均受到极显著抑制。20%PEG 胁迫下“辽鲜1 号”发芽率受到极显著抑制，但发芽势和发芽指数均无显著影响，其它三个品种在20%PEG胁迫下种子的发芽势和发芽指数均表现为极显著抑制。PEG 显著抑制“鹤丰”、“毛豆29-2”、“辽鲜”和“沪宁”发芽率的浓度分别为：10%、5%、20%和5%。由上述分析可知，四个品种以“辽鲜1号”抗旱性最强，“鹤丰”其次，“沪宁”和“毛豆29-2”抗旱性较差。

表1 不同浓度PEG胁迫对大豆种子萌发的影响Tab. 1 Effects of different concentration of PEG treatments on soybean germination

2.2 20%PEG 处理下大豆幼苗根系脯氨酸含量和抗氧化系统

脯氨酸是重要的渗透调节物质，可以降低细胞的渗透势，保护细胞膜结构的完整性，在干旱逆境条件下可以提高植物的抗逆能力，也是评价植物抗旱性的重要生化指标［7］。MDA 是细胞膜脂过氧化的产物，其含量的高低在一定程度上反映了植物在干旱胁迫下的受伤害程度。由表2 分析可知，20%PEG 胁迫下，不同品种大豆根系的脯氨酸含量、SOD 活性、CAT 活性、POD 活性以及MDA 含量等均较CK 提高。但不同品种的增幅不同，脯氨酸含量、SOD 活性、CAT 活性、POD 活性等均以“辽鲜1号”增幅最大（分别为123.32%、27.29%、78.00%、71.82%），“鹤丰”其次（分别为83.18%、26.42%、54.81%、59.81%），MDA 含量则以“辽鲜1 号”和“鹤丰”增幅较小（分别为7.86%和7.81%），“毛豆29-2”和“沪宁”MDA 含量增幅较大分别为8.68%和10.33%。

表2 20%PEG处理对各品种大豆幼苗根系脯氨酸含量和抗氧化系统的影响Tab. 2 Effects of 20%PEG treatments on Pro content and antioxidant system of different soybean varieties

2.3 幼苗根系生长和伤流量

由表3 可知，20%PEG 胁迫下各品种最大根长、根冠比和根系伤流量均较CK 降低。根系伤流下降反映了根系活力的降低。这说明水分胁迫导致根系生长受到抑制的同时根系活力也受到抑制。不同品种根系最大根长、根冠比和根系伤流量等降低幅度均以“辽鲜1号”最低（分别为：14.64%、12.50%、9.52%），“鹤丰”其次（分别为：19.57%、18.52%、25.33%），“毛豆29-2”最大（分别为：72.06%、40.91%、45.08%）。说明根系受PEG 胁迫影响的大小为：“辽鲜1 号”＜“鹤丰”＜“沪宁”＜“毛豆29-2”，以“辽鲜1号”受影响程度最小。

表3 20%PEG处理对不同品种根系形态和伤流量的影响Tab.3 Effects of 20%PEG treatments on Pro content and morphology and bleeding sap amount of roots of different soybean varieties

3 结论与讨论

作物抗旱鉴定就是按作物品种（品系）的抗旱能力大小进行筛选、评价和归类的过程。通过抗旱鉴定可以为抗旱育种提供优异种质［8］。前人已经做了很多关于大豆耐旱品种筛选方面的研究。高小宽等［4］研究了聚乙二醇模拟干旱胁迫对野生大豆与栽培大豆萌发的影响。结果表明，野生大豆的抗旱能力强于栽培大豆。周玉丽等［5］研究了30 个栽培大豆品种的耐旱性，舒英杰［9］研究了大豆发芽期耐旱性的适宜浓度，初步确定室内采用PEG-6000 浸种法模拟干旱胁迫鉴定大豆发芽期耐旱性的适宜浓度为20%～25%。赵振宁等［10］研究了不同浓度PEG 处理对3 个大豆品种种子萌发的影响，发现18%PEG 处理为合适的干旱胁迫条件。本研究分别采用5%、10%、20%PEG-6000模拟干旱胁迫处理四个品种大豆种子。结果表明，5%PEG 胁迫下，仅辽鲜发芽率、发芽势和发芽指数均受到促进，其它品种均表现为抑制。10%PEG 胁迫对除“辽鲜”外的其他3 个品种的发芽率均表现出极显著抑制。20%PEG 胁迫对四个品种的发芽率和发芽势均表现为极显著抑制。因此在本试验条件下，PEG 模拟干旱胁迫鉴定大豆发芽期耐旱性的适宜浓度为应在10%～20%之间，此数据低于周玉丽［5］和王国夫［11］的研究结果，可能与品种的地域性有关。发芽指标中以发芽率对PEG 浓度最敏感，因此，发芽率可作为大豆抗旱品种评价的首选指标。本试验采用的四个大豆品种抗性大小结果为：“辽鲜1 号”抗旱性最强，“鹤丰”其次，“沪宁”和“毛豆29-2”抗旱性较差。因此，在江西旱季或干旱地区大豆种植可优先选择“辽鲜1号”。

根系的生理指标分析结果表明，20%PEG 胁迫下，四个品种大豆幼苗根系脯氨酸含量、SOD 活性、CAT 活性和POD 活性等较CK 增加，但不同品种增加幅度不同，增加幅度大小顺序为：“辽鲜1号”＞“鹤丰”＞“沪宁”＞“毛豆29-2”。MDA 含量增加幅度大小顺序则相反为：“辽鲜1 号”＜“鹤丰”＜“沪宁”＜“毛豆29-2”。20%PEG 胁迫下各品种大豆幼苗的最大根长、根冠比和根系伤流量均较CK 降低，但不同品种降低幅度不同，降低幅度大小顺序为：“辽鲜1号”＜“鹤丰”＜“沪宁”＜“毛豆29-2”。说明“辽鲜1 号”这个品种在干旱胁迫条件下能通过积累更多的渗透调节物质、提高保护酶活性和增强根系活力等来减少伤害。干旱胁迫下“辽鲜1号”幼苗渗透调节能力和酶促抗氧化能力较强，这与大豆突变体M18 抗旱生理机制表现一致［12］，说明在干旱地区可以推荐种植这个大豆品种。下一步研究拟对“辽鲜1号”抗旱相关的基因进行深入研究，对揭示大豆基因的功能、利用基因工程技术改良大豆抗旱性等具有重要意义。