干旱脅迫下不同品種大豆籽粒發(fā)育期蛋白質(zhì)含量積累的研究

呂新云 趙晶云 任小俊 馬俊奎

摘要 [目的]探索干旱脅迫下不同耐旱大豆品種籽粒發(fā)育期蛋白質(zhì)合成與積累的規(guī)律。[方法]以耐旱品種晉豆21與敏感品種濉科46為試驗(yàn)材料，利用集水槽設(shè)置干旱脅迫，研究?jī)烧咴诓煌幚砗?，大豆籽粒蛋白質(zhì)含量的積累規(guī)律并評(píng)價(jià)了相關(guān)農(nóng)藝性狀。[結(jié)果]晉豆21與濉科46的4個(gè)農(nóng)藝性狀（包括株高、主莖節(jié)數(shù)、有效分枝數(shù)和單株莢粒重）的變異系數(shù)介于6.08%～46.75%，其中晉豆21的株高變異系數(shù)最小，濉科46的有效分枝數(shù)變異系數(shù)最大，晉豆21的農(nóng)藝性狀指標(biāo)受干旱影響較小。濉科46在不同處理下含水量變化不同，但晉豆21則表現(xiàn)出基本一致的變化。與正常情況相比，晉豆21干旱處理后蛋白質(zhì)含量積累規(guī)律基本一致，都表現(xiàn)為先增加后減少至趨于穩(wěn)定，基本呈凹形曲線分布;濉科46則存在明顯差異，干旱處理?xiàng)l件下，籽粒蛋白質(zhì)含量峰值比正常澆灌晚20 d。[結(jié)論]晉豆21抗旱性強(qiáng)，其蛋白質(zhì)合成與積累受干旱脅迫制約相對(duì)較小，可作為創(chuàng)新選育優(yōu)良抗旱品種的親本。

關(guān)鍵詞 大豆;干旱;籽粒發(fā)育期;蛋白質(zhì);積累

中圖分類號(hào) S565.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）05-0050-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.013

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on the Accumulation of Protein Content of Different Soybean Varieties during Grain Development Period under Drought Stress

L Xin-yun， ZHAO Jing-yun，REN Xiao-junet al

（Institute of the Industrial Crop，Shanxi Agricultural University，F(xiàn)enyang，Shanxi 032200）

Abstract [Objective]To explore the laws of protein synthesis and accumulation during grain development of different drought tolerance soybean varieties under drought stress.[Method]The drought-tolerant variety Jindou 21 and the sensitive variety Suike 46 were used as test materials，and the water collecting trough was used to set up drought stress，and the accumulation rules of soybean grain protein content after different treatments were studied and related agronomic traits were evaluated.[Result]The coefficient of variation of 4 agronomic traits （including plant height，number of main stem nodes，number of effective branches，and pod weight per plant） of Jindou 21 and Suike 46 was between 6.08% and 46.75%，among which Jindou 21 had the smallest coefficient of variation in plant height，and the effective branch number of Suike 46 had the largest variation coefficient.The agronomic traits of Jindou 21 were less affected by drought.The water content of Suike 46 changed differently under different treatments，but Jindou 21 showed basically the same changes.Compared with the normal condition，the accumulation of protein content of Jindou 21 showed a basically consistent change after drought treatment，which first increased and then decreased to stable，basically showing a concave curve distribution; while Suike 46 had obvious difference，and the peak value of grain protein content under drought treatment was 20 days later than that under normal irrigation.[Conclusion]Jindou 21 has strong drought resistance，and its protein synthesis and accumulation are relatively less restricted by drought stress，so it can be used as a parent for innovative breeding of drought resistant varieties.

Key words Soybean;Drought;Grain development period;Protein;Accumulation

干旱是限制作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要環(huán)境因子，對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響相當(dāng)于其他不利因子的總和，為此，創(chuàng)新、篩選、培育優(yōu)良的抗旱品種，提高作物自身的耐旱力，已經(jīng)是旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的理性選擇和戰(zhàn)略舉措[1]。大豆作為重要的糧油作物被廣泛種植，是人類食用和動(dòng)物養(yǎng)殖的主要植物蛋白來(lái)源[2]。國(guó)內(nèi)外研究表明，與其他作物相比，大豆根系不發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)需水量高，是對(duì)水分敏感的作物。干旱脅迫不僅導(dǎo)致大豆生理、生化各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生相應(yīng)變化，也使植株表型指標(biāo)產(chǎn)生顯著差異[3]。其中，郭數(shù)進(jìn)等[4]以晉大70（抗旱型）和晉豆26（敏感型）2個(gè)品種為材料設(shè)置水分梯度，研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下大豆的光合作用強(qiáng)度受到影響，表現(xiàn)為光合能力下降。趙立琴[5]于2011—2013年采用PEG600營(yíng)養(yǎng)液澆灌不同時(shí)期的大豆植株模擬干旱脅迫，研究結(jié)果表明干旱脅迫對(duì)大豆干物質(zhì)積累有較大的影響。喬亞科等[6]以野生、半野生和栽培大豆為供試材料進(jìn)行研究，結(jié)果表明干旱脅迫下大豆的相關(guān)農(nóng)藝性狀受到影響，主要表現(xiàn)在株高、主莖節(jié)數(shù)、分枝數(shù)、單株莢數(shù)和百粒重上。楊婷婷等[7]于2018年以150份大豆種質(zhì)資源為研究對(duì)象，進(jìn)行了抗旱性的田間試驗(yàn)，結(jié)果表明干旱脅迫嚴(yán)重影響了大豆的生長(zhǎng)發(fā)育，其中株高、莖段數(shù)、單株莢數(shù)、單株生物量、單株粒數(shù)和單株種子量等6個(gè)指標(biāo)與干旱系數(shù)呈顯著正相關(guān)。

隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)和人們生活水平的不斷提高，優(yōu)質(zhì)植物蛋白的需求量也隨之增加。大豆是一種功能性的經(jīng)濟(jì)作物，大豆產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的產(chǎn)業(yè)[8]。大豆蛋白的相關(guān)科學(xué)與技術(shù)研究具有重要意義。張代軍等[9]以3代高油大豆品種進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大豆蛋白質(zhì)的形成與脂肪的形成息息相關(guān)，在脂肪形成不利的年份，蛋白質(zhì)形成有所上升;在有利于形成脂肪的年份，大豆蛋白質(zhì)含量積累呈現(xiàn)凹形曲線分布。張志民等[10]認(rèn)為，大豆蛋白質(zhì)含量是一個(gè)數(shù)量性狀，而且以加性效應(yīng)為主，并存在母體效應(yīng)，干旱是大豆籽粒蛋白積累的重要影響因素，并且干旱的強(qiáng)度直接影響蛋白質(zhì)的含量。目前，關(guān)于干旱脅迫對(duì)大豆籽粒發(fā)育期蛋白質(zhì)含量積累的影響尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。該試驗(yàn)以耐旱品種晉豆21和敏感品種濉科46為試驗(yàn)材料，通過(guò)凱氏定氮法[11-13]對(duì)2個(gè)試驗(yàn)材料籽粒不同發(fā)育時(shí)期的蛋白質(zhì)含量進(jìn)行測(cè)定，分析整理得到干旱脅迫下不同耐旱品種大豆籽粒發(fā)育時(shí)期蛋白質(zhì)含量的積累規(guī)律，對(duì)選育適宜半干旱和干旱地區(qū)種植的優(yōu)質(zhì)抗旱大豆品種具有積極意義，也為干旱脅迫下研究大豆籽粒蛋白質(zhì)的合成與積累提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 晉豆21由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所選育，由集水槽法鑒定抗旱級(jí)數(shù)為一級(jí)，為公認(rèn)的耐旱品種。濉科46為黃淮海地區(qū)大豆品系多點(diǎn)鑒定供試材料，經(jīng)集水槽法鑒定抗旱級(jí)數(shù)為五級(jí)，屬敏感品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2019年在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行，將2個(gè)品種分別進(jìn)行水處理和旱處理。同一塊試驗(yàn)地分區(qū)種植，中間設(shè)置4.5 m隔離帶，行間50 cm，并放置25 cm PVC集水槽[14]，通過(guò)收集大豆生長(zhǎng)期間的自然降水設(shè)置干旱脅迫。水處理即正常灌溉，在同等土壤條件下，遇旱澆水，確保田間生長(zhǎng)不干旱。供試品種單行種植，保證順利出苗，每個(gè)處理3次重復(fù)。從大豆開(kāi)花開(kāi)始掛牌，記為開(kāi)花后0 d[15]，之后，每隔10 d，取下角果，放入EP管中置于液氮罐內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀分析。根據(jù)邱麗娟等[16]的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，供試植株結(jié)莢成熟后，每個(gè)處理隨機(jī)選取5株進(jìn)行室內(nèi)考種，包含株高、主莖節(jié)數(shù)、有效分枝數(shù)和單株莢粒重等農(nóng)藝性狀，分析供試材料基本的形態(tài)建成情況。

1.3.2 含水量測(cè)定。利用樣品鮮重與干重計(jì)算樣品絕對(duì)含水量，樣品含水量=（鮮重-干重）/鮮重×100%。干重是將樣品置于烘焙箱65 ℃恒溫烘至重量不再變化時(shí)的重量。

1.3.3 蛋白質(zhì)含量測(cè)定及數(shù)據(jù)處理。由凱氏定氮法測(cè)定樣品中的蛋白質(zhì)含量，通過(guò)整理分析數(shù)據(jù)，得到不同處理下晉豆21與濉科46的蛋白質(zhì)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)成熟期不同品種大豆農(nóng)藝性狀的影響 表1表明，晉豆21和濉科46在集水槽設(shè)置的干旱處理與正常灌溉水處理下的變異系數(shù)為6.08%～46.75%，其中晉豆21的株高變異系數(shù)最?。ê堤幚頌?.67%、水處理為6.08%），濉科46的有效分枝數(shù)變異系數(shù)最大（旱處理為40.63%、水處理為46.75%）。干旱條件下大豆的農(nóng)藝性狀發(fā)生了很大的變化，但與濉科46相比，晉豆21在不同處理下株高變化不大，單株莢重受干旱影響甚小，說(shuō)明晉豆21 的生長(zhǎng)能力受干旱脅迫限制小，具有較強(qiáng)的應(yīng)旱力。

2.2 干旱脅迫對(duì)不同品種大豆籽粒發(fā)育期含水量的影響 由表2可知，與正常灌溉相比，干旱脅迫嚴(yán)重影響了晉豆21與濉科46大豆籽粒發(fā)育過(guò)程中的含水量變化。其中，濉科46籽粒含水量受干旱影響強(qiáng)度更大。干旱條件下，濉科46的含水量峰值晚于正常條件，出現(xiàn)在開(kāi)花后30 d，后期含水量下降速率緩慢。晉豆21表現(xiàn)為花后20 d 2個(gè)處理下的籽粒含水量均急劇下降，說(shuō)明在開(kāi)花后0～20 d期間，晉豆21籽粒體積增長(zhǎng)較快，各種生理生化反應(yīng)消耗了大量水分;而開(kāi)花后30～50 d籽粒含水量下降速度緩慢;開(kāi)花后50～60 d旱處理下的籽粒含水量反增，這可能與進(jìn)入成熟期種子減少失水應(yīng)對(duì)干旱有關(guān);之后籽粒含水量下降，以達(dá)到種子儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 干旱脅迫對(duì)不同品種大豆籽粒發(fā)育期蛋白質(zhì)含量的影響 利用凱氏定氮法對(duì)不同處理下開(kāi)花后0～80 d的晉豆21與開(kāi)花后0～70 d的濉科46籽粒進(jìn)行蛋白質(zhì)含量檢測(cè)，得到了2個(gè)處理下大豆籽粒不同發(fā)育時(shí)期的樣品蛋白質(zhì)含量（表3）。

表3表明，干旱脅迫不同程度地影響了兩者的蛋白質(zhì)合成與積累。旱處理下晉豆21籽粒蛋白質(zhì)含量明顯低于正常澆灌，但變化趨勢(shì)與正常澆溉基本保持一致，均大致呈凹型曲線分布。在開(kāi)花后0～30 d，2個(gè)處理大豆籽粒蛋白質(zhì)含量均上升，但旱處理后的大豆籽粒蛋白質(zhì)含量上升速率較快，在這個(gè)時(shí)期大豆種子完成形態(tài)建成，籽粒體積不斷增大，內(nèi)部合成與代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)。開(kāi)花后30～60 d，大豆籽粒蛋白質(zhì)含量均先減少后緩慢增加，這個(gè)時(shí)期為大豆種子灌漿期，結(jié)構(gòu)蛋白合成減少，大量合成貯藏蛋白。開(kāi)花后60～80 d，大豆籽粒大量脫水，體積明顯縮小，進(jìn)入成熟期，大豆籽粒蛋白質(zhì)含量則緩慢增加趨于穩(wěn)定。

濉科46在不同處理下大豆籽粒蛋白質(zhì)含量變化存在明顯差異。水處理?xiàng)l件下，大豆籽粒蛋白質(zhì)含量在開(kāi)花后0～20 d迅速增加，后減少，再趨于穩(wěn)定。干旱條件下，濉科46籽粒蛋白質(zhì)含量在前期（開(kāi)花后0～10 d）出現(xiàn)下降，后期緩慢增加，最后趨于穩(wěn)定;同時(shí)，大豆籽粒蛋白質(zhì)含量在開(kāi)花后40 d達(dá)到峰值，晚于正常澆灌20 d，說(shuō)明減少水分的供應(yīng)可能利于蛋白質(zhì)的合成，而晉豆21并未表現(xiàn)出此現(xiàn)象，反映晉豆21對(duì)干旱脅迫敏感度低，干旱處理后其大豆籽粒蛋白質(zhì)含量變化仍與正常情況相對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論

大豆籽粒蛋白質(zhì)的合成與積累是多個(gè)基因共同表達(dá)與調(diào)控的結(jié)果，也受多種因素的影響。正常生長(zhǎng)狀態(tài)下，大豆籽粒蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，大致呈凹型曲線分布。不同品種面臨干旱脅迫時(shí)，大豆籽粒蛋白質(zhì)含量發(fā)生了不同的變化。敏感品種濉科46在干旱條件下，成熟期大豆農(nóng)藝性狀指標(biāo)受到嚴(yán)重影響，大豆籽粒含水量與蛋白質(zhì)含量變化與正常澆灌存在明顯差異，在旱情發(fā)生嚴(yán)重的情況下，需保證供水充足，以確保產(chǎn)量。耐旱品種晉豆21旱處理后，農(nóng)藝性狀變化不大，含水量變化基本相對(duì)應(yīng)，籽粒蛋白質(zhì)積累規(guī)律仍與正常情況基本一致，說(shuō)明其具有較強(qiáng)的抗旱性，種子內(nèi)部也具備相對(duì)完善的抗旱機(jī)制，可作為抗旱育種的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源。大豆抗旱性屬于復(fù)雜的生物性狀，受多個(gè)基因精細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)調(diào)控。晉豆21的強(qiáng)抗旱性已得到認(rèn)可，但其因種子細(xì)小，推廣種植受到制約，應(yīng)從基因表達(dá)水平上進(jìn)一步研究其抗旱機(jī)制，為后期探究、篩選、創(chuàng)制新的優(yōu)質(zhì)抗旱品種提供基礎(chǔ)。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2021年

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