外施水杨酸对干旱胁迫下大豆抗性的影响

刘云峰宋志启祁志伦李文金

（1.青岛市即墨区农业农村局 山东 青岛 266200；2.泰安市农业科学院 山东 泰安 271000）

大豆是我国重要的油料作物和粮食作物，需水量较大，但是根系较少，因此常受到干旱胁迫的伤害，干旱胁迫是影响大豆产量的重要环境因子[1]。研究表明，干旱胁迫导致大豆叶绿素含量、净光合速率、气孔导度[2]、最大光化学效率的下降[3]，生长受到显著抑制[4]。寻找提高植物抗旱性的方法及探究其机理对促进植物的生长发育具有重要的意义。

水杨酸是一种重要的内源信号分子，不仅可以诱导相关蛋白表达提高植物的抗病性，还可以提高植物的抗旱性、抗盐性、抗冷性[5]。在逆境条件下提高植株的抗氧化酶活性，降低活性氧含量[6]，减轻逆境对膜脂的伤害，减少电解质的外渗，从而提高植物对逆境的抵抗能力[7]。另外，一定浓度的水杨酸可以提高逆境条件下植物的叶绿素含量、最大光化学效率、气孔导度，从而改善植物的光合性能，提高光合速率[8]。

本文作者以大豆为试验材料，采用自然干旱并结合喷施水杨酸的处理方法，从气体交换参数、叶绿素荧光参数、相关酶活性等方面，研究水杨酸在干旱胁迫下对光能分配调控的生理功能及作用机制，为水杨酸在植物生产上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以鲁豆11为试验材料，大豆生长的土壤用育苗基质和沙土按1∶2的比例配成。土壤装入直径25 cm、高30 cm的塑料盆中。试验在泰安市岱岳区农业农村局科教站的试验田里进行，2020年5月8日将大豆种于盆中，每盆留苗3株，置于防雨棚下，采用常规管理。

1.2 试验方法

试验设对照组（CK）、自然干旱处理、自然干旱结合叶片喷施水杨酸处理共3个处理，每个处理重复3次。对照组通过称量法控制土壤相对含水量在最大含水量的80%左右，每天中午和傍晚进行补水，每天试验前通过称量法测定2个处理组的相对含水量。6月8日开始试验处理，干旱水杨酸处理组叶片喷施水杨酸，对照组和自然干旱处理组叶片喷施清水，试验一共进行5 d。取功能叶进行气体交换参数、荧光参数和相关酶活性的测定。

气体交换参数采用便携式光合测定系统Ciras-1进行测定，光强通过内置光源设定为1 000 μmol/（m2·s），参比二氧化碳浓度设定为360 μmol/mol，记录净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）。叶绿素荧光参数使用调制荧光仪FMS-2进行测定。通过FMS-2的内置程序设定作用光为1 000 μmol/（m2·s），光照10 min，测定稳态荧光Fs和光适应下最大荧光Fm′。叶片暗适应15 min后测定Fo和Fm，并计算最大光化学效率Fv/Fm。通过测得数据，按如下公示计算相关参数：实际光化学效率ФPSⅡ=（Fm′-Fs）/Fm′，最大光化学效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm，非光化学淬灭NPQ=Fm/Fm′-1。

对于氮代谢和米勒反应的能量，通过便携式光合系统和调制式荧光仪的联用进行测定。按公式Je（PSII）=PFD×ΦPSII×α计算总能量Je（PSII）；按公式Ja=Je（PSII）-[Je（PCR）+Je（PCO）]计算额外能量Ja，而Je（PCR）+Je（PCO）=（Pn+Rd）×（4Ci+8Γ）/（Ci-Γ），其中Rd为暗呼吸速率，Γ为CO2补偿点。测定出大气条件（21% O2，360 μmol/mol CO2）与自 配低氧 气 体（2%O2，360 μmol/mol CO2）条件下的Ja和Ja′，根据以下公式计算用于米勒反应的能量：米勒反应［Ja（O2-depend）］=Ja-Ja′，而用于氮代谢的能量Ja（O2-independ）=Ja′。

于每天上午的9:00～11:00取样测定相关酶活性等生理指标。

2 结果与分析

2.1 外施水杨酸对干旱胁迫下土壤相对含水量的影响

由图1可知，对照土壤的相对含水量变化不大，干旱胁迫显著降低了土壤的相对含水量，至处理第5天相对含水量为44.1%，干旱+水杨酸处理的土壤相对含水量较干旱处理的略低。

图1 外施水杨酸对干旱胁迫下土壤相对含水量的影响

2.2 外施水杨酸对干旱胁迫下大豆叶片气体交换参数及荧光参数的影响

由图2可知，在整个试验过程中，对照的净光合速率变化不明显，干旱胁迫显著降低了净光合速率，至处理第5天已经是对照的8.8%，外施水杨酸大幅提高了干旱胁迫下的净光合速率，至处理第5天为对照的46.2%。对照的气孔导度有轻微波动，干旱胁迫下的气孔导度一直呈下降趋势，而外施水杨酸显著减缓了干旱胁迫下气孔导度的下降。对照的胞间二氧化碳浓度变化不大，干旱胁迫下的胞间二氧化碳浓度在处理第2天达到最低值，随后一直呈上升趋势，至处理第5天已经为对照的119.1%，外施水杨酸后的气孔导度与对照相比有轻微幅度的下降。

图2 外施水杨酸对干旱胁迫下大豆叶片气体交换参数的影响

由图3可知，对照的最大光化学效率在试验过程中有轻微波动，干旱胁迫下最大光化学效率在处理第1天下降幅度较小，而在后期下降幅度较大，外施水杨酸则显著缓解了干旱胁迫下最大光化学效率的下降。对照的实际光化学效率变化不大，干旱胁迫显著降低了实际光化学效率，而外施水杨酸显著缓解了干旱胁迫下实际光化学效率的下降，至处理第5天干旱胁迫和干旱胁迫+水杨酸分别为对照的69.3%和82.3%。对照的非光化学淬灭变化不明显，干旱胁迫大幅度提高了非光化学淬灭，而外施水杨酸则显著减弱了干旱逆境对非光化学淬灭的提高。

图3 外施水杨酸对干旱胁迫下大豆叶片荧光参数的影响

2.3 外施水杨酸对干旱胁迫下大豆叶片用于米勒反应和氮代谢能量的影响

由图4可知，对照叶片用于米勒反应的能量在试验后期有轻微提高，而在整个处理过程中，干旱胁迫下用于米勒反应的能量一直呈上升趋势，至处理第5天约为对照的3.6倍，外施水杨酸显著缓解了干旱胁迫下的这种上升趋势，至处理第5天仅为对照的1.9倍。在整个试验过程中，对照叶片用于氮代谢的能量有幅度不大的波动，而干旱处理显著降低了用于氮代谢的能量，至处理第5天仅为对照的12.4%，外施水杨酸减缓了这种下降，至处理末期为对照的60.4%。

图4 外施水杨酸对干旱胁迫下大豆叶片用于米勒反应和氮代谢能量的影响

2.4 外施水杨酸对干旱胁迫下大豆叶片相关酶活性及过氧化氢含量的影响

由图5可知，在整个试验过程中，氮代谢的关键酶硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性变化不大，而干旱胁迫显著降低了这3种酶的活性，至处理第5天分别为对照的17.5%、31.7%和49.8%，外施水杨酸缓解了干旱胁迫下这3种酶活性的降低，至处理第5天分别为对照的51.3%、64.0%和64.3%。对照的超氧化物歧化酶活性在试验中变化不明显，干旱胁迫的超氧化物歧化酶活性在处理第2天达到峰值，以后呈下降趋势，至处理第5天已经显著低于对照，外施水杨酸后，在处理的前2 d略高于干旱胁迫下的酶活性，在处理后期下降幅度显著小于干旱胁迫下的酶活性，至处理第5天仍然显著高于对照。对照的过氧化氢酶变化也不明显，干旱胁迫下的过氧化氢酶在处理第1天达到峰值，以后呈下降趋势，至处理第5天为对照的73.1%，外施水杨酸后显著减缓了处理后期干旱胁迫对过氧化氢酶活性的降低，至处理第5天，干旱+水杨酸处理的过氧化氢酶活性仍然显著高于对照。对照的过氧化氢含量在试验过程中变化不显著，干旱胁迫显著增加了大豆叶片中过氧化氢的含量，而外施水杨酸减缓了这种增加，至处理第5天分别为对照的2.11倍和1.44倍。

图5 外施水杨酸对干旱胁迫下大豆叶片相关酶活性及过氧化氢含量的影响

3 结论

干旱胁迫显著降低了大豆叶片的碳同化，虽然外施水杨酸后干旱胁迫下的土壤相对含水量有轻微的下降（可能是外施水杨酸后气孔导度下降有所缓解所致），但是外施水杨酸减缓了干旱胁迫下碳同化的降低。

外施水杨酸以后，与单纯的干旱胁迫相比，用于氮代谢的能量有了大幅度提高。由于水杨酸处理后光合能量较多地用于碳同化和氮同化，使得米勒反应大幅度减小，米勒反应产生的活性氧也大幅度下降。水杨酸从活性氧的产生和清除2个方面来降低活性氧的含量，减小了活性氧对植物的伤害。水杨酸对干旱胁迫下超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性的降低有显著的缓解作用。

因此，水杨酸使更多的光合能量分配到碳氮合成途径，减小了米勒反应和过氧化氢的产生，提高了大豆对干旱胁迫的抗性。