干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因抗旱大豆與不同碳代謝途徑雜草生存競(jìng)爭(zhēng)的研究

王靖宇， 丁 偉， Muhammad Shahid Khan，3， 程 茁， 戴航宇

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院植保系，黑龍江哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030； 3.The University of Agricultural Peshawar，Pakistan 1599107)

通信作者：丁 偉，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)藥生態(tài)安全與轉(zhuǎn)基因作物安全評(píng)價(jià)。E-mail：690491811@qq.com。

目前，全球變暖已然成為國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注的問(wèn)題與焦點(diǎn)。政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第四次評(píng)估報(bào)告指出，過(guò)去100年內(nèi)全球地表溫度上升了0.74 ℃，尤以北半球高緯度地區(qū)最為明顯[1-2]。中國(guó)的氣候變暖趨勢(shì)與全球變化趨勢(shì)相似，近100年氣溫升幅為0.5～0.8 ℃，尤以北方地區(qū)氣溫升幅最為明顯，平均每10年增長(zhǎng)0.38 ℃[3]。受全球溫度升高等大背景環(huán)境的影響，我國(guó)大豆主產(chǎn)區(qū)正面臨干旱這一逆境的影響，造成減產(chǎn)[4]。轉(zhuǎn)基因抗旱大豆的培育，對(duì)于解決干旱造成的大豆產(chǎn)量和品質(zhì)降低這一生產(chǎn)難題具有重要的實(shí)踐意義[5]。本研究擬探討干旱條件下，轉(zhuǎn)基因抗旱大豆與雜草的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，為轉(zhuǎn)基因抗旱大豆安全性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

已有研究表明，溫度升高關(guān)系到所有植物的生理生化過(guò)程，同時(shí)也會(huì)改變?nèi)郝溟g物種的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[6]。關(guān)于氣候變化下C3、C4植物的研究大多集中在CO2濃度、降水等氣候因素的變化方面，以及對(duì)不同碳代謝類型的作物與雜草競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響方面[7-9]。鮮有關(guān)于干旱脅迫下抗旱作物與C3、C42種類型雜草競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的研究。本研究擬為全球變暖背景下C3、C42種類型雜草與作物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，探討抗旱大豆田中C3、C42種類型雜草的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也為抗旱大豆田間雜草管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試大豆品種為轉(zhuǎn)DREB3基因抗旱大豆T-DREB3-1，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆生物學(xué)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供；供試雜草苘麻(C3代謝途徑)和反枝莧(C4代謝途徑)，采集于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地。試驗(yàn)于2015年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)轉(zhuǎn)基因作物試驗(yàn)基地進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田間試驗(yàn)方法，大豆種植密度為25萬(wàn)株/hm2，采用穴播，同時(shí)播種苘麻和反枝莧2種類型雜草種子，大豆與雜草出苗后間苗，形成田間雜草的不同密度。共設(shè)13個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)12次重復(fù)(詳見表1)。大豆初花期開始連續(xù)干旱脅迫，25 d左右時(shí)，停止干旱脅迫并取樣測(cè)定。在整個(gè)生育期采用人工除草的方法控制田間其他雜草。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)置

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 土壤含水量測(cè)定 采用Stevens POGOⅡ土壤水分測(cè)定儀對(duì)土壤水分含量進(jìn)行測(cè)定。在對(duì)大豆進(jìn)行干旱脅迫期間，每天監(jiān)測(cè)，在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3點(diǎn)，測(cè)定大豆根系附近土壤的水分含量。

1.3.2 樣品的測(cè)定 在停止干旱脅迫時(shí)，取樣分別測(cè)定各處理單株大豆、雜草的株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、根瘤數(shù)、根瘤質(zhì)量等。采用美國(guó)產(chǎn)的LI-6400XT便攜式光合速率測(cè)定儀，選擇晴天09：00—11：00測(cè)定大豆葉片的光合速率。同時(shí)，參照Ding等提出的分光光度比色法[10-11]測(cè)定大豆葉綠素含量，參照Z(yǔ)ablotowicz等介紹的方法[12-13](稍加改動(dòng))測(cè)定大豆根瘤固氮酶活性。每個(gè)處理取2株具有根瘤的大豆放入瓶中，蓋緊橡皮塞，先用注射器從瓶中抽出5.0 mL空氣，再向瓶中注入5.0 mL乙炔，在室溫下反應(yīng)2 h，用微量進(jìn)樣器分別抽取1.0 mL反應(yīng)瓶中的混合氣體，注入氣相色譜儀。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理，采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量變化

圖1為利用Stevens POGOⅡ土壤水分測(cè)定儀測(cè)定的距地表5、10 cm土層土壤含水量變化，為期25 d。

2.2 干旱脅迫下大豆與不同碳代謝途徑雜草生物量的變化

2.2.1 干旱脅迫及雜草競(jìng)爭(zhēng)下大豆生物量的變化 由表2可知，大豆與C3雜草苘麻混栽的處理中，大豆株高均顯著高于對(duì)照大豆的株高，而鮮質(zhì)量、干質(zhì)量則顯著低于對(duì)照大豆的相應(yīng)值。在大豆與C4雜草反枝莧混栽處理中，大豆株高顯著高于對(duì)照大豆的株高。處理4、處理5、處理6大豆鮮質(zhì)量、干質(zhì)量顯著低于對(duì)照大豆的相應(yīng)值。在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆分別與1株、2株、3株雜草混栽的處理中，大豆地上部與地下部干質(zhì)量均表現(xiàn)出如下規(guī)律：處理1>處理4，處理2>處理5，處理3>處理6，且基本上差異顯著；處理3顯著低于處理1與處理2，處理6顯著低于處理4與處理5，且均顯著低于對(duì)照處理質(zhì)量(表2)。表明C4雜草反枝莧對(duì)抗旱大豆干物質(zhì)的抑制作用要大于C3雜草苘麻對(duì)轉(zhuǎn)基因抗旱大豆干物質(zhì)的抑制作用。

2.2.2 干旱脅迫及雜草競(jìng)爭(zhēng)對(duì)大豆根瘤固氮的影響 表3與大豆根瘤固氮相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)表明，混栽處理的大豆各指標(biāo)值均顯著低于對(duì)照組大豆相應(yīng)指標(biāo)值。在大豆與雜草混栽處理中，處理2、處理3中抗旱大豆的根瘤數(shù)、根瘤鮮質(zhì)量，以及根瘤固氮酶活性均分別高于處理5與處理6中抗旱大豆的相應(yīng)指標(biāo)，且差異顯著，表明C4雜草反枝莧對(duì)抗旱大豆根瘤固氮的抑制作用要大于C3雜草苘麻對(duì)轉(zhuǎn)基因抗旱大豆根瘤固氮的抑制作用。

表2 干旱脅迫及雜草競(jìng)爭(zhēng)下大豆形態(tài)相關(guān)指標(biāo)的變化

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著，下表同。

表3 干旱脅迫及雜草競(jìng)爭(zhēng)對(duì)大豆根瘤固氮的影響

2.2.3 干旱脅迫及大豆競(jìng)爭(zhēng)下雜草生物量的變化 由表4可知，雜草株高受大豆的影響較小，處理1、處理2、處理3間無(wú)顯著差異，處理4、處理5、處理6間無(wú)顯著差異。混栽處理中，雜草株高不受大豆存在的影響。在苘麻單栽與反枝莧單栽的處理中，雜草株高隨密度的增加而遞減，且都低于與大豆混栽處理中雜草的株高。雜草在地上鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量、地下鮮質(zhì)量、地下干質(zhì)量方面表現(xiàn)出的趨勢(shì)亦大致相似。

表4 干旱脅迫及大豆競(jìng)爭(zhēng)下雜草形態(tài)相關(guān)指標(biāo)的變化

2.3 干旱脅迫對(duì)大豆和雜草光合特性的影響

2.3.1 干旱脅迫及雜草競(jìng)爭(zhēng)下大豆光合特性的變化 由表5可知，雜草對(duì)轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆光合特性指標(biāo)的影響較大。有雜草存在的混栽組合中大豆的葉綠素含量、光合速率均低于對(duì)照組單栽大豆的葉綠素含量和光合速率。轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆的葉綠素含量受雜草密度的影響較大，具體表現(xiàn)為處理1、處理2>處理3；處理4、處理5>處理6；處理1與處理2，處理4與處理5間差異不顯著。由大豆葉綠素含量可知，處理2>處理5，處理3>處理6，C4代謝雜草反枝莧對(duì)大豆在葉綠素含量上的抑制效果大于C3代謝雜草苘麻對(duì)抗旱大豆葉綠素含量的抑制效果。

在大豆光合速率方面，處理1與處理4，處理3與處理6間差異不顯著。光合速率表現(xiàn)為處理7最大，且顯著高于其他6個(gè)處理，處理1、處理2>處理3，處理4、處理5>處理6，且差異顯著；此外，處理2>處理5，處理3>處理6，且差異顯著，C4代謝雜草反枝莧對(duì)大豆光合速率的影響大于C3代謝雜草苘麻對(duì)大豆光合速率的影響。

表5 干旱脅迫及雜草競(jìng)爭(zhēng)下大豆光合特性指標(biāo)的變化

2.3.2 干旱脅迫及大豆競(jìng)爭(zhēng)下雜草光合特性的變化 由表6可知，處理1、處理2、處理3的雜草在葉綠素含量和光合速率上無(wú)顯著差異。在單栽雜草的處理中，雜草葉綠素含量表現(xiàn)為處理8與處理9，處理9與處理10間差異不顯著，處理8與處理10間差異顯著，處理12與處理13間差異不顯著，處理11葉綠素含量顯著高于處理12和處理13。在單栽雜草的處理中，雜草光合速率表現(xiàn)為處理8>處理9，處理8>處理10，處理9與處理10間無(wú)顯著差異；處理11與處理12間無(wú)顯著差異，但都顯著高于處理13。

表6 干旱脅迫及大豆競(jìng)爭(zhēng)下雜草光合特性指標(biāo)的變化

3 討論與結(jié)論

在植物的整個(gè)生育過(guò)程中，溫度一直扮演著重要角色，氣溫升高會(huì)不同程度地影響植物的生長(zhǎng)、繁殖，還會(huì)影響植物光合、水分利用等生理過(guò)程[14-15]。同樣，植物也會(huì)調(diào)整自身形態(tài)及生理活動(dòng)以適應(yīng)氣候變暖的環(huán)境，從而影響作物與雜草的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。陸生高等植物主要通過(guò)2種光合作用途徑固定O2，相應(yīng)地分為C3植物和C4植物。C3植物和C4植物在生態(tài)環(huán)境、光合生理特性、水分利用效率等方面具有顯著差異[16-17]。C4植物在高溫、強(qiáng)光、干旱條件下能夠利用有限的水分和低濃度O2保持較高的光合能力與水分利用率。C4植物具有高光合能力，而植物干質(zhì)量的90%以上是通過(guò)光合作用合成的[18]。本研究探討在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆與C3雜草苘麻、C4雜草反枝莧間生存競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，結(jié)果表明，大豆與雜草混栽的處理中，大豆的生物量與光合特性都顯著低于對(duì)照組大豆單栽的生物量與光合特性，苘麻與反枝莧的生存競(jìng)爭(zhēng)對(duì)大豆生長(zhǎng)產(chǎn)生了抑制作用，轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆在與雜草的競(jìng)爭(zhēng)中表現(xiàn)出劣勢(shì)，其中C4代謝途徑雜草反枝莧比C3代謝途徑雜草苘麻的抑制作用更強(qiáng)。

同一處理中大豆的株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量形態(tài)相關(guān)指標(biāo)都等低于雜草苘麻和反枝莧，是因?yàn)殡s草生育期短，比大豆更早進(jìn)入穩(wěn)定期。雜草株高遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大豆，在整個(gè)生育期會(huì)對(duì)大豆產(chǎn)生遮蓋而影響大豆生長(zhǎng)發(fā)育[19]、光合生理[20]，最終導(dǎo)致減產(chǎn)[21-23]。相比于單栽大豆，雜草與大豆競(jìng)爭(zhēng)光照、水分、養(yǎng)分等，混栽大豆的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、葉綠素含量等低于對(duì)照組相應(yīng)指標(biāo)，而混栽雜草與對(duì)照相比長(zhǎng)勢(shì)更好，可能是受大豆固氮功能的影響[24]。

干旱脅迫下C3雜草苘麻、C4雜草反枝莧在與大豆的生存競(jìng)爭(zhēng)中均處于優(yōu)勢(shì)地位，雜草的生物量與光合特性均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。混栽大豆株高、鮮質(zhì)量、根瘤固氮酶活性均顯著降低，其中，C4雜草比C3雜草對(duì)大豆的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)?；煸源蠖归L(zhǎng)勢(shì)低于單栽大豆，而混栽雜草長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于單栽雜草。

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