不同小粒大豆品種幼苗期對耐澇性的生理響應(yīng)及抗性鑒定

張子戌， 王 帥， 胡劉濤， 盧靜妍， 樸世領(lǐng)， 王玉民*

(1.延邊大學農(nóng)學院，吉林 延吉 133002； 2.吉林省農(nóng)業(yè)科學院，吉林 長春 130033)

植物澇害是指土壤水分過多對植物產(chǎn)生的傷害，土壤水分過多嚴重影響植物的生長發(fā)育，直接影響產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。大豆(Glycinemax(L.) Merr.)原產(chǎn)于我國，在我國從南到北廣泛栽培[2]。它是重要的養(yǎng)地作物，對土壤水分比較敏感，開花結(jié)莢期需水較多，此期充足的水分供應(yīng)對大豆產(chǎn)量具有決定意義[3-4]。澇害已成為大豆生產(chǎn)中面臨的重要自然災(zāi)害之一，大豆在整個生育過程中均有可能遭遇澇害，但不同時期大豆對澇害的反應(yīng)不同[5-6]，大豆耐澇研究應(yīng)根據(jù)當?shù)厣a(chǎn)實際，選擇易發(fā)生澇害的時期開展。

作物耐澇鑒定方法一般有大田直接鑒定法和盆栽法，其中，盆栽法更容易模擬澇害，容易控制水量，王芳等[7]、孫慧敏等[8]采用此研究方法鑒定了大豆的耐澇性。宋曉慧等[9]報道大豆淹水脅迫后，不耐澇品種質(zhì)膜受傷害的程度重，使得相對電導率高于耐澇性好的品種。李曉斐[10]報道烤煙受到長時間的澇害就會造成凈光合速率下降，生長受阻，甚至死亡。

本研究在前期研究基礎(chǔ)上嘗試改進鑒定體系，利用吉林省農(nóng)業(yè)科學院大豆研究所收集的44個小粒大豆材料進行模擬澇害處理，運用灰色關(guān)聯(lián)分析及聚類分析等方法對觀測生理指標進行多元統(tǒng)計分析，進行耐澇能力等級劃分，分析不同大豆種質(zhì)的耐澇能力差異，以期獲得優(yōu)良材料服務(wù)于大豆耐澇育種和生產(chǎn)實踐。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗44份小粒大豆材料均由吉林省農(nóng)業(yè)科學院大豆研究所提供(表1)。

表1 44份供試小粒大豆品種名稱及編號Table 1 List of 44 small soybean varieties tested

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 大豆種子活力檢測

為檢測收集的大豆種子是否符合試驗需求，每份材料選30粒正常種子進行標準發(fā)芽試驗，重復3 次，檢測大豆種子的活力[11]。

1.2.2 水淹試驗

2018年7—8月，在吉林省農(nóng)業(yè)科學院資源平臺溫室對上述小粒大豆品種進行同批鑒定。參照王芳[7]的方法并有所改進，該試驗與王芳的試驗相比，溫度和光照條件不同，通過預(yù)試驗，探索了當前環(huán)境條件下最佳水淹時間，最終確定水淹1.5 d較適宜。

1) 盆栽土培法 內(nèi)盆為直徑23 cm,高22 cm，外盆(塑料桶)為直徑30 cm,高45 cm。土壤經(jīng)曬干、粉碎、過篩后裝盆，每盆裝土2.5 kg，盆底有排水孔道。3次重復，每重復1盆，每盆留30株，并設(shè)對照。

2) 采用雙套盆法 在大豆真葉期，將花盆放置在塑料桶中進行淹沒(全淹)處理，并通過補加水保持水位。淹沒1 d開始檢查，淹水處理約持續(xù)1.5 d。排水后植株在自然條件下保持7 d左右以便恢復，隨后記錄死亡株(無任何綠葉的植株視為死亡株)，并計算出死苗率。對照試驗在同一環(huán)境下正常澆水，并記錄對照試驗的死苗率，而后得出相對死苗率，相對死苗率越低耐澇性越強。

死苗率/%=(某材料的死苗株數(shù)/該材料的總株數(shù))×100%

相對死苗率/%=(某批某材料的死苗率/該批對照種的死苗率)×100%

1.3 大豆幼苗淹水處理后相關(guān)生理指標的測定

1) 光合速率的測定 于晴天無風上午，利用CI-340手持式光合作用測量系統(tǒng)，每個品種試驗組和對照組各選取5株，同一時間測定同一位置葉片的光合速率。

相對光合速率=試驗組光合速率/對照組光合速率×100%

2) 葉綠素測定 葉綠素是將光能轉(zhuǎn)化成化學能的主要色素，是反應(yīng)植物生理狀況的重要指標。本試驗用SPAD-502Plus葉綠素計，每個品種試驗組和對照組各選取5株測定同一位置葉片的葉綠素含量[12-13]。

相對葉綠素含量=試驗組葉綠素含量/對照組葉綠素含量×100%

3) 植物電解質(zhì)滲出率的測定 參照肖家欣等[14]的方法。將選取的葉片剪下，包在密封袋內(nèi)置于冰盒中帶回實驗室。將新鮮的葉樣先用自來水輕輕沖洗葉片，除去表面沾污物，再用去離子水沖洗1～2次，用濾紙輕輕吸干葉片表面水分，稱0.1 g并剪成切段，放入20 mL帶塞試管中，加入10 mL去離子水，浸沒樣品，封口，常溫下放置12 h，其間多次振搖。在室溫下，用EC110Meter型電導儀測其電導率值(R1)。測畢，將各試管封口，置沸水浴中30 min殺死組織細胞。冷卻至室溫再測1次終電導率值(R2)。同時測本底(水)的電導率。以相對電導率表示細胞質(zhì)膜透性大小[15-16]。

電解質(zhì)滲出率/%=[R1(浸泡液電導率)-本底電導率]/[R2(煮沸后電導率)-本底電導率]×100%

相對電解質(zhì)滲出率=試驗組相對電導率/對照組相對電導率×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003、SPSS 21.0和DPS軟件分析相對死苗率的平均值和多個生理指標的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗大豆種子質(zhì)量檢測

對44份小粒大豆品種進行標準發(fā)芽試驗，對結(jié)果進行方差分析，結(jié)果表明，44份小粒大豆品種間種子發(fā)芽率無顯著差異( F=0.968，P=0.417)，且44份小粒大豆品種的種子發(fā)芽率均在95% 以上(表2) ，說明此批次小粒大豆品種種子質(zhì)量良好，可進行進一步試驗[11]。

表2 44份小粒大豆品種的發(fā)芽率檢測Table 2 Germination rates of 44 small soybean varieties

2.2 大豆淹水后的表現(xiàn)及鑒定結(jié)果

淹水處理后耐澇性不同的品種開始表現(xiàn)出差異，不耐澇品種植株開始有腐爛斑點，氣溫升高，癥狀也加重。水淹約1.5 d后排水，排水后當天，不耐澇品種歪倒，2 d后干枯，生長點逐漸枯死，而后植株干枯死亡；耐澇性強的品種淹水后莖桿伸長，植株受害輕, 排水后恢復較快。

本試驗鑒定方法按照王芳[7]的方法并有所改進，由于同批試驗，試驗環(huán)境相同，所以，本研究根據(jù)對44份小粒大豆品種的人工模擬澇害的調(diào)查結(jié)果，先計算出死苗率，然后與其對照的死亡率平均值相比，得出各材料的相對死苗率。根據(jù)相對死苗率的次數(shù)分布特點，將所有供鑒材料的耐澇性劃分為6級，即耐澇(相對死苗率0～19.99%)、較耐澇(相對死苗率20%～39.99%)、中度耐澇(相對死苗率40%～59.99%)、較不耐澇(相對死苗率60%～79.99%)、不耐澇(相對死苗率80%～99.99%)、極不耐澇(全部死亡)。44份小粒大豆品種的耐澇性鑒定結(jié)果如表3。其中，有2個品種(吉育108、敦化東農(nóng)690)的相對死苗率低于20%，是這批材料中耐澇能力最強的；有12個品種(吉林小粒2號、吉林小粒5號、吉林小粒7號、墾農(nóng)小粒1號、通農(nóng)14、吉青小粒1號、遼小粒豆1號、遼小粒豆2號、蒙豆6號、吉黑6號、營小粒1號、公小1號)全部死亡，可視為極不耐澇品種；另外較耐澇品種4個，中度耐澇品種7個，較不耐澇品種10個，不耐澇品種9個。

表3 44份小粒大豆品種耐澇性鑒定結(jié)果Table 3 The relative mortality and waterlogging resistance grade of 44 small soybean varieties

注：HT-耐澇；LT-較耐澇；MT-中度耐澇；LS-較不耐澇；S-不耐澇；HS-極不耐澇。

2.3 淹水處理對大豆幼苗相關(guān)生理指標的影響

淹水處理7 d后，測定不同品種對照組和試驗組(由于水淹后12個品種全部死亡，未測)在同時期的葉片細胞電解質(zhì)滲出率、葉綠素含量、光合速率(表4)。將相對死苗率(相對死苗率越低耐澇性越強)、與相對電解質(zhì)滲出率、相對葉綠素含量、相對光合速率做線性回歸分析[17-19]。

表4 淹水處理后大豆幼苗相關(guān)生理指標統(tǒng)計表Table 4 StatisticalTable of related physiological indicators of soybean seedlings after flooding treatment

續(xù)表4 淹水處理后大豆幼苗相關(guān)生理指標統(tǒng)計表 Continue toTable 4 StatisticalTable of related physiological indicators of soybean seedlings after flooding treatment

表4中的相對值均是試驗組比對照組。由表4中相對光合速率可知，32份材料中有96.88%的品種相對值小于1，表明淹水處理后豆苗的光合速率比正常生長的豆苗低；由表4中相對葉綠素含量可知，32份材料中有93.75%的品種相對值小于1，表明淹水處理后的豆苗比正常生長的豆苗葉綠素含量低，葉片都有一定的失綠。葉綠素是影響植物光合作用的主要色素，淹水處理后可能破壞了葉片細胞的葉綠體，使葉綠素分解，進而使光合速率降低。由表4中的相對電解質(zhì)滲出率可知，32份品種相對值均大于1，表明淹水處理后葉片細胞的細胞質(zhì)膜受到破壞，細胞質(zhì)膜透性變大，從而使電解質(zhì)滲出率變大。

2.3.1 淹水處理對大豆幼苗葉片細胞電解質(zhì)滲出率的影響

電解質(zhì)滲出率的高低反映了葉片細胞的受破壞程度[20-21]。由表4和圖1可知，與對照組相比，試驗組葉片細胞的電解質(zhì)滲出率普遍升高。

圖1 電解質(zhì)滲出率與耐澇性的關(guān)系

由圖1可知，相對電解質(zhì)滲出率和相對死亡率呈正相關(guān)，即相對電解質(zhì)滲出率和耐澇性呈負相關(guān)。耐澇性強的品種升高幅度小，耐澇性弱的品種升高幅度大，即耐澇性越強的品種葉片細胞的受害程度越小。

2.3.2 淹水處理對大豆幼苗葉片葉綠素含量的影響

葉綠素是將光能轉(zhuǎn)化成化學能的主要色素[22-23]。由表4和圖2可知,試驗組與對照組相比葉綠素含量普遍降低。由圖2可知,相對葉綠素含量和相對死苗率呈負相關(guān)，即相對葉綠素含量和耐澇性呈正相關(guān)。耐澇性強的品種下降幅度小，耐澇性弱的品種下降幅度大，即耐澇性越強的品種葉綠素膜系統(tǒng)受損程度越小。

圖2 葉綠素含量與耐澇性的關(guān)系

2.3.3 淹水處理對大豆幼苗葉片光合速率的影響

光合速率反映了植物將光能轉(zhuǎn)化成化學能的能力[23-24]。由表4和圖3可知,試驗組與對照組相比光合速率普遍降低。由圖3可知,相對光合速率和相對死苗率呈負相關(guān)，即相對光合速率和耐澇性呈正相關(guān)。耐澇性強的品種下降幅度小，耐澇性弱的品種下降幅度大，即耐澇性越強的品種光合速率受影響程度越小。

圖3 光合速率與耐澇性的關(guān)系

2.3.4 淹水處理對大豆幼苗相關(guān)生理指標影響程度的比較

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析相對死苗率與相關(guān)生理指標之間的關(guān)系(表5)。關(guān)聯(lián)度大的數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)系較為密切，相對電解質(zhì)滲出率與相對死苗率的關(guān)聯(lián)度為0.424 9，是所有測定的生理指標中關(guān)聯(lián)最大的生理指標，因此耐澇性和電解質(zhì)滲出率關(guān)聯(lián)性最大。其他生理指標與相對死苗率的關(guān)聯(lián)大小順序為：相對葉綠素含量和相對光合速率。

表5 相對死苗率與相關(guān)生理指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient between relative mortality rate and related physiological indicators

2.4 聚類分析

用系統(tǒng)聚類分析法將數(shù)據(jù)進行標準化處理[24]，選用歐式距離，離差平方和法對相對死苗率和3種生理指標進行聚類分析。其分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 基于相對死苗率和3種生理指標的聚類分析結(jié)果

由圖4可知，將水淹后成活的32個品種分成不耐澇類群(占59.37%)和耐澇類群(占40.63%)。其中，不耐澇類群包括2個亞類群：較不耐澇亞類群11個品種(占34.37%)，分別是吉林小粒3號、吉育103、吉林小粒8號、吉育107、吉育101、綏小粒2號、吉育105、龍小粒1號、吉育109、合豐54、吉育102；不耐澇亞類群8個品種(占25.00%)，

分別是吉林小粒1號、延農(nóng)小粒1號、吉林小粒6號、吉科豆11、龍小粒2號、吉林小粒4號、合豐58、通農(nóng)15。第二大類群(耐澇類群)13個品種，分別是吉育108、敦化東農(nóng)690、東農(nóng)50、吉育106、吉大豆9號、吉育113、東農(nóng)690、吉育111、吉科豆10、綏小粒1號、吉育104、吉育115、吉育110。

3 討論與結(jié)論

大豆在不同生長時期的耐澇性機制不同，因此鑒定方法和指標也不盡相同。有學者曾用成株期植株的存活率作為耐澇的鑒定指標，但是若在成株期遭受短期澇害，植株尚不致死，況且存活的不同基因型的植株受害程度也有差異。目前對大豆苗期和生殖生長期耐澇性鑒定主要是在盆栽或大田環(huán)境中人工創(chuàng)造澇害條件下進行[25-26]，包括植株完全或部分被淹沒，淹水處理時間和環(huán)境差異很大。所以，還應(yīng)該創(chuàng)造建立易于控制環(huán)境因素的標準化平臺用于鑒定試驗，使鑒定結(jié)果更準確。

該試驗是在大豆幼苗期對植株進行全淹處理，所以采用相對死苗率作為鑒定指標較適用，其耐澇鑒定結(jié)果相對可靠。但此方法易受植株生長時期和生長狀況、環(huán)境和溫度的影響，使排水時期不易把握，需要一定的經(jīng)驗。王芳的方法水淹時間是5～7 d，但本試驗與她的植株生長時期和生長狀況、環(huán)境和溫度均不相同，所以經(jīng)過1次預(yù)試驗摸索出當前環(huán)境和溫度下的最佳水淹時間為1.5 d。另外，退水后的小氣候(氣溫的高低)也影響試驗結(jié)果，經(jīng)過預(yù)試驗摸索，確定在太陽落山后退水較適宜。

本試驗測定了淹水處理對大豆葉片葉綠素含量、電解質(zhì)滲出率和光合速率的影響，淹水處理導致細胞失水細胞破碎，從而使電解質(zhì)滲出率升高。淹水處理破壞了葉綠體結(jié)構(gòu)，造成葉片光合器官損傷、葉綠素含量降低、葉肉細胞光合活性下降，從而導致葉綠素含量下降，光合速率下降。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果得出，光合速率是和耐澇性關(guān)聯(lián)性最強的因素。

綜合上述研究結(jié)果，從44份小粒大豆品種中篩選出吉育108、敦化東農(nóng)690等2份高度耐澇材料和東農(nóng)50、吉育106、吉大豆9號、吉育113、東農(nóng)690、吉育111、吉科豆10、綏小粒1號、吉育104、吉育115、吉育110等11份較耐澇材料，可以作為小粒大豆耐澇育種的基礎(chǔ)材料。下一步需對這批材料進行進一步研究，測定與抗逆相關(guān)的酶活性，發(fā)掘定位其耐澇基因，揭示其耐澇的生理、生化和遺傳的機制，以便更好地利用這批材料，為耐澇育種提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。