外源脫落酸緩解小豆幼苗水分脅迫效應(yīng)研究

項(xiàng)洪濤，李 琬，何 寧，劉 佳，曾玲玲，王詩雅，王曼力，劉美玲

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，哈爾濱 150086；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；4.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

【研究意義】小豆(Vignaangularis)是我國重要的食用豆類作物之一，屬于典型的救災(zāi)作物和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整作物。小豆具有適應(yīng)性強(qiáng)和播種范圍廣等特點(diǎn)，其耐瘠薄、耐鹽堿、耐干旱，但對(duì)淹水脅迫敏感，我國春播地區(qū)的春澇、夏播地區(qū)的多雨都會(huì)對(duì)小豆苗期生育造成水分脅迫，極易形成淹水危害。我國農(nóng)業(yè)水災(zāi)受災(zāi)面積占總受災(zāi)面積的19%左右，澇害是我國第二大自然災(zāi)害[1]。淹水脅迫使土壤溶氧量降低，抑制根系有氧呼吸，引起根系能量合成減少，影響根系生理代謝過程[2]，造成植株個(gè)體生理差異，最終降低作物產(chǎn)量，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。ABA是20世紀(jì)60年代被發(fā)現(xiàn)和鑒定出的一種植物內(nèi)源激素，在植物對(duì)脅迫耐受性和抗性中發(fā)揮著重要作用。外源激素通過改變內(nèi)源激素水平調(diào)節(jié)植物生理代謝，逆境脅迫下外源ABA能夠促進(jìn)植物體內(nèi)ABA的合成和運(yùn)輸[3]，進(jìn)而調(diào)控植物的抗逆性。因此，研究淹水脅迫下噴施外源ABA，對(duì)提高小豆的抗?jié)承院捅．a(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】淹水脅迫能誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生自由基，進(jìn)而導(dǎo)致離子滲漏和細(xì)胞死亡，為了抵御淹水脅迫下活性氧(reactive oxygen species，ROS)的毒害作用，植物體內(nèi)的抗氧化酶類活性提高，能夠清除更多的自由基。研究表明，高水平的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)和過氧化氫酶(catalase，CAT)活性在長時(shí)間淹水條件在多種植物的存活中發(fā)揮重要作用[4]。淹水逆境下，植物ROS代謝失衡，導(dǎo)致過氧化氫(H2O2)等過度積累，過多的ROS會(huì)引起膜系統(tǒng)損傷和細(xì)胞氧化[5]，生成過氧化脂質(zhì)并隨后逐漸分解成一系列復(fù)雜的化合物，其中包括丙二醛(malondialdehyde，MDA)，MDA能與酶蛋白發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)聚合，引起膜系統(tǒng)變性影響正常生理代謝，并最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。研究表明，淹水脅迫導(dǎo)致作物體內(nèi)H2O2含量增加[1]，MDA含量增加[6]，SOD、POD和CAT活性提高[7]，脯氨酸和可溶性蛋白含量提高[8]，V3期淹水導(dǎo)致單株產(chǎn)量下降11.11%[9]，玉米拔節(jié)期淹水脅迫產(chǎn)量下降16.00%～43.40%[10]，水稻拔節(jié)期和抽穗開花期淹水脅迫可減產(chǎn)43.40%～78.00%[11]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】外源ABA具有減緩逆境條件下ROS類物質(zhì)和MDA含量增加的生理作用，維持作物正常的理化代謝功能和途徑，緩解脅迫損傷。外源ABA通過調(diào)節(jié)ROS積累并降低MDA含量[12]、提高抗氧化酶活性[13]、增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量[14]等不同生理代謝環(huán)節(jié)來抵御脅迫傷害，這在低溫[15]、干旱[16]、鹽堿[17]和重金屬[18]等逆境脅迫研究中均得到證實(shí)。但目前關(guān)于外源ABA緩解作物淹水脅迫的報(bào)道不多，而關(guān)于外源ABA緩解小豆苗期淹水傷害的研究更是鮮見?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)研究淹水脅迫及噴施外源ABA對(duì)小豆根系生理及產(chǎn)量的影響，以及預(yù)噴施外源ABA后對(duì)其調(diào)控和緩解效應(yīng)，對(duì)于揭示小豆應(yīng)激淹水脅迫的生理響應(yīng)及提供緩解淹水脅迫的有效方法，具有科學(xué)理論研究和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用雙重意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小豆(Vignaangularis)品種為‘龍小豆4號(hào)’和‘天津紅’。材料由國家食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蕓豆育種崗位團(tuán)隊(duì)提供。

供試外源脫落酸(ABA)由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)化控研究中心提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

試驗(yàn)在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所盆栽場(chǎng)及人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)采用盆栽方式，盆高25 cm、直徑23 cm，每盆裝自然風(fēng)干壤土5.5 kg，播種后覆土200 g，每盆保苗15株(5穴×3株)。試驗(yàn)用土取自哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)，土壤類型為草甸黑土。供試土壤的理化性質(zhì)：土壤容重約為1.72 g/cm3，最大田間持水量約為25.65%，有機(jī)質(zhì)含量2.63%、全氮1.46 mg/g、全磷0.66 mg/g、緩效鉀325.7 mg/kg、堿解氮165.0 mg/kg、速效磷41.25 mg/kg、速效鉀156.7 mg/kg、土壤pH 6.69。每品種分別播種100桶，選取長勢(shì)均勻的樣本進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，具體設(shè)計(jì)見表1。待植株生長至幼苗期(此時(shí)真葉完全展開，第一片復(fù)葉露頭)進(jìn)行處理。處理當(dāng)天上午9:00，采取葉面噴施方式施用外源ABA，使用濃度為20 mg/L，折合每用液量為22.5 mL/m2。噴施24 h后，于翌日上午9:00，進(jìn)行淹水處理，淹水處理采取套盆方式。淹水24 h后，進(jìn)行第一次取樣，之后每天上午9:00順延進(jìn)行下一次取樣，本試驗(yàn)共取樣5 d，記為取樣1～5 d。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 取樣方法 各處理分別進(jìn)行取樣，將小豆植株根系迅速剪下裝入事先標(biāo)記好的自封袋內(nèi)，并立即放入液氮中，充分冷凍后置于-80 ℃冰箱中保存，供測(cè)定生理指標(biāo)使用。同時(shí)各處理每天解除淹水脅迫3盆，供后期產(chǎn)量測(cè)定使用。對(duì)解除脅迫的盆栽，每日觀察并陸續(xù)進(jìn)行間苗、拔草等，最終每桶保苗5株(5穴×1株)，根據(jù)實(shí)際氣溫和降雨情況，適時(shí)澆水直至成熟。

1.3.2 測(cè)定方法 過氧化氫(H2O2)含量使用試劑盒測(cè)定。采用氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過氧化物酶(POD)活性，采用分解過氧化氫含量速率法測(cè)定過氧化氫酶(CAT)活性，采用硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定丙二醛(MDA)含量，可溶性蛋白含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法；具體操作規(guī)程按照李合生等[19]的方法?？扇苄蕴呛繙y(cè)定采用硫酸蒽酮比色法，脯氨酸含量測(cè)定采用茚三酮比色法；具體操作規(guī)程按照張憲政等[20]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并作圖，使用DPS軟件選擇新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫及噴施外源ABA對(duì)小豆幼苗根系膜損傷的影響

2.1.1 根系H2O2含量 由圖1可知，幼苗期淹水脅迫后，小豆根系H2O2含量呈快速上升趨勢(shì)。經(jīng)方差分可知：與CK(T1和T4)相比，龍小豆4號(hào)和天津紅的H2O2含量均表現(xiàn)為淹水脅迫(T2和T5)顯著提高。噴施ABA后，有效降低了淹水脅迫下的H2O2含量。龍小豆4號(hào)處理1～5 d時(shí)，T3較T2分別顯著下降22.82%、37.57%、34.00%、24.66%和24.57%。天津紅處理3～5 d時(shí)，T6較T5分別顯著下降18.69%、21.17%和18.22%。

圖1 不同處理下小豆幼苗根系的H2O2含量Fig.1 The H2O2 content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

2.1.2 根系MDA含量 由圖2可知，淹水脅迫后小豆幼苗根系MDA含量呈上升趨勢(shì)。方差分析結(jié)果表明：龍小豆4號(hào)處理2～5 d時(shí)，T2顯著高于T1；天津紅處理1～5 d時(shí)，均表現(xiàn)為T5顯著高于和T4。噴施ABA能明顯緩解淹水脅迫下的MDA含量的提高，龍小豆4號(hào)處理4～5 d時(shí)，T3較T2分別顯著下降11.06%和16.75%。天津紅處理4～5 d時(shí)，T6較T5分別顯著下降15.72%和20.54%。

2.2 淹水脅迫及噴施外源ABA對(duì)小豆幼苗根系保護(hù)酶系統(tǒng)的影響

2.2.1 根系SOD活性 由圖3可知，小豆幼苗淹水及噴施ABA后，根系SOD活性呈先升后降的變化趨勢(shì)。龍小豆4號(hào)處理2和3 d時(shí)，T2較T1分別顯著高13.53%和30.55%，噴施ABA處理2和4 d時(shí)，T3較T2分別顯著高8.48%和18.67%。天津紅淹水處理1～5 d時(shí)，T5較T4分別提高了18.56%、26.80%、41.41%、27.12%和7.05%，方差分析結(jié)果表明淹水1～4 d時(shí)，T5和T4之間差異顯著。淹水脅迫下噴施ABA能有效提高天津紅的SOD活性，處理1～4 d時(shí)，T6較T5分別提高7.48%、9.03%、6.52%和14.14%，其中處理2和4 d時(shí)，T6和T5之間差異顯著。

圖2 不同處理下小豆幼苗根系的MDA含量Fig.2 The MDA content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

圖3 不同處理下小豆幼苗根系的SOD活性Fig.3 The SOD activity in root of adzuki bean seedlings under different treatments

2.2.2 根系POD活性 由圖4可知，幼苗期淹水處理后，小豆體內(nèi)POD活性呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，噴施ABA可進(jìn)一步提高POD活性。龍小豆4號(hào)各時(shí)期均表現(xiàn)為T3>T2>T1，處理1～5 d時(shí)，T2較T1分別提高了7.71%、9.97%、19.61%、20.86%和0.71%，方差分析結(jié)果表明淹水3 和4 d時(shí)，T2和T1之間差異顯著；處理1～5 d時(shí)，T3較T2分別高出5.21%、10.12%、7.52%、14.45%和1.07%，其中淹水4 d時(shí)，T3和T2之間差異顯著。天津紅各時(shí)期均表現(xiàn)為T6>T5>T4，處理2～5 d時(shí)，T5較T4分別顯著提高了21.28%、27.00%、23.81%和11.22%；處理4和5 d時(shí)，T6較T5分別顯著高出16.31%和10.06%。

圖4 不同處理下小豆幼苗根系的POD活性Fig.4 The POD activity in root of adzuki bean seedlings under different treatments

2.2.3 根系CAT活性 由圖5可知，淹水脅迫后小豆根系內(nèi)CAT活性呈先升高下降的變化趨勢(shì)，且均在處理后第3天達(dá)到最高值。龍小豆4號(hào)處理1～4 d時(shí)，T2 較T1高出46.15%、64.29%、130.77%和14.29%，第5天時(shí)T2較T1低了21.43%，方差分析結(jié)果表明處理1和3 d時(shí)，T2 和T1之間差異達(dá)顯著水平；天津紅處理1～4 d時(shí)，T5較T4分別顯著提高了88.89%、120.00%、188.89%和70.00%。噴施ABA可提高CAT活性，龍小豆4號(hào)處理1～5 d時(shí)，T3 較T2提高47.37%、39.13%、16.67%、131.25%和81.82%，其中第1、4和5天，T3與T2之間差異達(dá)到顯著水平；天津紅處理1～5 d時(shí)，T6較T5分別提高了23.53%、22.73%、30.77%、105.88%和35.71%，其中第3～5天，T6與T5之間差異達(dá)到顯著水平。

2.2.4 根系SOD/POD的值 SOD/POD比值的提高會(huì)進(jìn)一步增加植物體氧化脅迫。由表2可知，幼苗期淹水及噴施ABA處理引起小豆根系內(nèi)SOD/POD呈先下降后上升趨勢(shì)，噴施ABA可誘導(dǎo)SOD/POD進(jìn)一步下降，龍小豆4號(hào)在處理1～3 d，以及第5天時(shí)，表現(xiàn)為T3

2.3 淹水脅迫及噴施外源ABA對(duì)小豆根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

2.3.1 小豆幼苗根系脯氨酸含量 由圖6可知，幼苗期淹水及噴施ABA后，小豆根系內(nèi)脯氨酸含量表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì)。龍小豆4號(hào)處理2～5 d時(shí)，T2比T1顯著提高26.17%、29.25%、46.97%和22.79%，處理1～4 d時(shí)，T3較T2顯著提高9.16%、24.80%、55.65%和50.90%。天津紅處理2～5 d時(shí)，T5較T4顯著提高22.69%、33.07%、44.04%和13.06%；T6較T5顯著高出11.26%、39.63%、40.02%和44.56%。

圖5 不同處理下小豆幼苗根系的CAT活性Fig.5 The CAT activity in root of adzuki bean seedlings under different treatments

表2 淹水脅迫及噴施ABA對(duì)小豆幼苗根系SOD/POD的影響

圖6 不同處理下小豆幼苗根系的脯氨酸含量Fig.6 The proline content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

2.3.2 根系可溶性糖含量 由圖7可知，淹水處理及噴施ABA后，小豆根系可溶性糖含量得到提高。龍小豆4號(hào)處理1～5 d時(shí)，均為T2>T1，處理3～5 d時(shí)，T2較T1顯著提高77.43%、39.59%和20.31%，處理3和4 d時(shí)，T3較T2顯著提高18.88%和25.62%。天津紅處理1～5 d時(shí)，T5較T4顯著提高24.32%、52.73%、96.94%、58.32%和22.35%，處理3和4 d時(shí)，T6較T5顯著高出28.05%和89.07%。

2.3.3 根系可溶性蛋白含量 由圖8可知，淹水及噴施ABA后，小豆根系可溶性蛋白含量呈先升高后降低變化趨勢(shì)。龍小豆4號(hào)處理2～5 d時(shí)，T2較

圖7 不同處理下小豆幼苗根系的可溶性糖含量Fig.7 The soluble sugar content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

圖8 不同處理下小豆幼苗根系的可溶性蛋白含量Fig.8 The soluble protein content in root of adzuki bean seedlings under different treatments

T1顯著高出9.92%、16.74%、28.77%和10.82%，處理1～3 d時(shí)，T3較T2顯著高出16.87%、25.54%和21.43%。天津紅處理2～5 d時(shí)，T5較T4顯著高出25.48%、48.08%、35.29%和21.24%，處理3～5 d時(shí)，T6較T5顯著高出10.83%、38.13%和13.30%。

2.4 淹水脅迫及噴施外源ABA對(duì)小豆產(chǎn)量的影響

由表3可知，龍小豆4號(hào)處理1～2 d時(shí)，T1、T2和T3之間無顯著差異；處理3～5 d時(shí)，T2較T1相比，顯著降低4.77%、7.57%和8.40%；處理3和4 d時(shí)，T3較T2顯著高6.05%和6.95%，處理5 d時(shí)，T3和T2間無顯著差異。天津紅處理1～2 d時(shí)，T4、T5和T6之間無顯著差異；處理3～5 d時(shí)，T5較T4顯著降低5.59%、8.00%和9.91%；處理3和4 d時(shí)，T6較T5顯著高1.84%和4.46%。

3 討 論

表3 淹水脅迫及噴施ABA對(duì)小豆單盆產(chǎn)量的影響

滲透調(diào)節(jié)是植物誘導(dǎo)保護(hù)性應(yīng)答的一種重要生理機(jī)制，逆境條件下細(xì)胞能主動(dòng)積累可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，來調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢(shì)，保護(hù)植物組織內(nèi)各種酶類和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的正常功能[1]。本研究結(jié)果表明，淹水脅迫導(dǎo)致小豆根系的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量提高，尤其是脯氨酸含量得到顯著提高，可有效緩解低溫帶來的傷害。因?yàn)楦彼峥梢酝ㄟ^維持細(xì)胞膨脹或滲透平衡來賦予植物脅迫耐受性，從而穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)，防止電解質(zhì)泄漏。噴施ABA能進(jìn)一步提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，尤其顯著提高了可溶性蛋白的含量，能夠促進(jìn)細(xì)胞液濃度提高，增加細(xì)胞持水組織中的非結(jié)冰水，有利于提高植物的抗逆性。

淹水脅迫導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降，不同時(shí)期的影響存在差異。于奇等[31]表明開花期和結(jié)莢期淹水均可降低綠豆產(chǎn)量，其中開花期淹水脅迫減產(chǎn)更嚴(yán)重，王詩雅等[32]指出不同時(shí)期淹水對(duì)大豆產(chǎn)量造成不同程度影響。本研究結(jié)果表明小豆幼苗淹水脅迫3 d就可引起產(chǎn)量顯著降低3%以上。噴施ABA能緩解逆境脅迫引起的產(chǎn)量損失，王金強(qiáng)等[16]指出水分脅迫下外源ABA可顯著提高甘薯產(chǎn)量28.60%，屈春媛等[33]指出水分脅迫下，外源ABA顯著提高了大豆產(chǎn)量。本研究也得到相同結(jié)果，噴施外源ABA能有效緩解淹水對(duì)小豆產(chǎn)量的影響，對(duì)天津紅品種更為明顯。

4 結(jié) 論

幼苗期淹水脅迫引起小豆根系H2O2和MDA含量顯著增加，同時(shí)誘導(dǎo)SOD和POD活性增強(qiáng)，脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖都有所提高，并最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。噴施外源ABA可減緩小豆的脅迫損傷，其相對(duì)降低了小豆根系內(nèi)H2O2和MDA含量；增強(qiáng)小豆根系SOD、POD和CAT的活性，降低了SOD/POD的比值；進(jìn)一步增加脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量，整體提高小豆對(duì)淹水脅迫的抗性，提高了淹水脅迫下小豆的產(chǎn)量。外源ABA對(duì)不同品種小豆的調(diào)控效應(yīng)有所不同，但可用于小豆抗?jié)成a(chǎn)，緩解淹水危害。