鄒京南 于 奇 金喜軍 王明瑤 秦 彬 任春元 王孟雪 張玉先

外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆鼓粒期生理和產(chǎn)量的影響

鄒京南 于 奇 金喜軍 王明瑤 秦 彬 任春元 王孟雪 張玉先*

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 黑龍江大慶 163319

干旱脅迫降低大豆產(chǎn)量, 探究提高大豆耐旱能力和降低產(chǎn)量損失的機(jī)制對(duì)大豆生產(chǎn)具有重要意義。施褪黑素能緩解干旱脅迫對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制和氧化損傷。本試驗(yàn)于2017—2018年研究葉面噴施褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆鼓粒期葉片光合、抗逆、碳氮代謝和產(chǎn)量的影響表明, 外源褪黑素提高干旱脅迫下大豆葉片抗氧化酶活性, 抑制活性氧的產(chǎn)生和細(xì)胞膜損傷, 緩解干旱脅迫對(duì)光合能力的抑制, 提高碳氮同化能力, 最終緩解干旱脅迫造成的產(chǎn)量損失。與干旱脅迫相比, 褪黑素處理下單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重兩年平均提高了2.9%、0.8%和17.2%, 產(chǎn)量(單株粒重)平均提高了14.7%。

褪黑素; 大豆; 干旱; 光合; 抗氧化系統(tǒng); 碳氮代謝; 產(chǎn)量

大豆是我國重要的油料作物, 因干旱導(dǎo)致產(chǎn)量損失達(dá)25%~50%[1], 2018年8月遼寧沈陽和吉林公主嶺地區(qū)遭遇因高溫少雨引起的大面積干旱, 產(chǎn)量較2017年減少三成。大豆對(duì)干旱脅迫的最敏感時(shí)期是在開花期后[2], 鼓粒期是大豆子粒發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期, 也是碳氮同化和轉(zhuǎn)移生理代謝最復(fù)雜階段, 隨著鼓粒期進(jìn)程, 大豆植株生理活性由旺盛逐漸變?nèi)? 直至成熟。在此過程中, 不僅新同化的光合產(chǎn)物向子粒運(yùn)輸, 儲(chǔ)存在營養(yǎng)器官中的同化物也由源(營養(yǎng)器官)向庫(子粒)轉(zhuǎn)移[3], 此階段發(fā)生干旱脅迫勢(shì)必對(duì)同化產(chǎn)物的形成和轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生不利影響, 導(dǎo)致產(chǎn)量降低[4]。干旱脅迫還會(huì)降低大豆葉片光合能力, 導(dǎo)致電子傳輸鏈過度還原, 導(dǎo)致光氧化[5], 產(chǎn)生ROS[6]。ROS過度積累會(huì)損傷膜系統(tǒng), 引起蛋白質(zhì)降解、DNA損傷。植物自身通過調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)氧化損傷, 如提高抗氧化酶活性和抗氧化劑含量, 同時(shí)通過提高諸如蔗糖等一些代謝酶活性, 增加可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量等來減少細(xì)胞水分流失以及維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[7-10]。這在短期或輕度干旱脅迫下能維持蔗糖含量為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供能量, 但氮同化能力會(huì)顯著下降, 抑制蛋白質(zhì)合成及光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)能力, 若干旱脅迫時(shí)間延長(zhǎng), 子粒則會(huì)停止生長(zhǎng)甚至植株死亡[11-12]。

施植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑是增強(qiáng)作物抗旱性的重要手段之一[13]。褪黑素(melatonin)在植物抵御非生物脅迫中發(fā)揮著重要保護(hù)作用[14]。近年來, 褪黑素在植物抗旱方面的研究取得了一定進(jìn)展。外源褪黑素處理可提高干旱脅迫下玉米幼苗抗氧化酶活性[15]; 緩解干旱脅迫對(duì)光合系統(tǒng)的損傷[16]; 降低干旱脅迫下小麥中MDA、ROS含量, 提高谷胱甘肽ASA和GSH含量[17-18], 促進(jìn)番茄ASA-GSH循環(huán)中APX和GR等活性的增加[19], 減緩干旱脅迫造成的氧化損傷。另外, 褪黑素處理可促進(jìn)干旱脅迫下大豆葉片脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量增加并增加產(chǎn)量[20]。

大豆是共生固氮作物, 對(duì)碳氮代謝能力要求較高, 而關(guān)于外源褪黑素對(duì)干旱脅迫條件下大豆碳氮代謝相關(guān)方面的研究未見報(bào)道。因此, 本試驗(yàn)研究外源褪黑素在干旱脅迫條件下對(duì)大豆鼓粒期生理變化的影響, 以及對(duì)產(chǎn)量損失緩解程度, 以期為其實(shí)際應(yīng)用提供一定研究基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)計(jì)

大豆品種綏農(nóng)26號(hào), 由國家雜糧工程技術(shù)研究中心提供。褪黑素(meltaionin)購自Sigma試劑公司。以預(yù)備試驗(yàn)確定處理濃度為100 μmol L-1。

試驗(yàn)于2017—2018年在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)國家雜糧工程技術(shù)研究中心試驗(yàn)基地進(jìn)行, 將大豆種子用5%次氯酸鈉(w:v)消毒3 min并用蒸餾水洗凈, 在發(fā)芽盒22℃暗發(fā)芽1 d。挑選芽長(zhǎng)約1 cm幼芽用于盆栽, 每盆3株。

盆栽所用白色塑料桶高0.33 m, 直徑0.3 m, 桶底均鉆3個(gè)1 cm直徑小孔。在桶底鋪一層紗網(wǎng)。培養(yǎng)土按珍珠巖︰蛭石︰黑鈣土1∶3∶12 (v︰v︰v)的比例混合, 每桶裝16 kg; 培養(yǎng)土2017年含堿解氮96.3 mg kg-1、速效磷 22.7 mg kg-1、速效鉀69.7 mg kg-1、有機(jī)質(zhì)11.5 mg kg-1, pH 7.8, 田間持水量46.1%; 2018年含堿解氮72.1 mg kg-1、速效磷14.1 mg kg-1、速效鉀173.0 mg kg-1、有機(jī)質(zhì)3.9 mg kg-1, pH 7.1, 田間持水量50%。

維持80%田間持水量至大豆生長(zhǎng)至鼓粒初期(R5期, 倒數(shù)第4個(gè)豆莢籽粒約3 mm), 設(shè)置旱脅迫處理(D)、干旱脅迫下噴施褪黑素處理(MT+D)、正常供水對(duì)照(WW) 3個(gè)處理, 每個(gè)處理30盆。①干旱脅迫處理(D)在大豆生長(zhǎng)至鼓粒期開始停止供水, 通過稱重法控制土壤含水量(開始控水當(dāng)天記為第1天, 每晚8時(shí)葉片噴施清水連續(xù)噴施5 d), 使土壤含水量逐漸達(dá)到田間持水量的50%取第1次樣(2017年停止供水10 d達(dá)到50%田間持水量; 2018年停止供水8 d達(dá)到50%田間持水量, 維持此含水量到達(dá)處理第10天取第1次樣), 之后維持50%田間持水量在處理第17天和第24天分別做第2次和第3次取樣, ②干旱脅迫下噴施褪黑素處理(MT+D)在停止供水當(dāng)天葉片噴施100 μmol L-1褪黑素溶液連續(xù)噴施5 d, 控水標(biāo)準(zhǔn)、復(fù)水時(shí)間和取樣與D處理一致, 之后恢復(fù)正常供水成熟期測(cè)產(chǎn)。③土壤含水量始終保持田間持水量80%作為正常供水對(duì)照(WW); 處理第1天開始葉面噴施清水, 連續(xù)噴施5 d, 取樣同D和MT+D。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.2.1 大豆葉片光合特性參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和Rubisco酶活性測(cè)定 光合特性參數(shù)使用(Li-6400; Li-Cor, Huntington Beach, CA, USA)光合儀測(cè)定大豆葉片凈光合速率(n)、氣孔導(dǎo)度(s)、蒸騰速率(r)、胞間CO2濃度(i), 水分利用率(WUE) =n/r。測(cè)定光強(qiáng)為1200 μmol m-2s-1, CO2供應(yīng)濃度為400 μmol mol-1, 葉片溫度25℃, 相對(duì)濕度約為25%; 使用葉綠素?zé)晒鈨x(FMS-2, Hansatech, England)測(cè)量葉綠素?zé)晒鈪?shù), 即大豆倒數(shù)第2片功能葉PSII的最大光化學(xué)效vm, PSII的量子產(chǎn)額(PSII), 光化學(xué)猝滅系數(shù)(N)非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ), 最大光能轉(zhuǎn)化潛力(vo), 表觀光合電子傳遞速率(ETR)。將冷凍的葉片在液氮中研磨成勻漿, 用2 mL含有50 mmol L-1BICINE,N,N-二羥乙基甘氨酸、pH 8.0的20 mmol L-1MgCl2、2 mmol L-1苯基甲磺酰氟、50 mmol L-12-巰基乙醇和30 mg聚乙烯基聚吡咯烷酮(PVPP)的溶液通過離心(10,000×, 4℃, 2 min)提取上清液, 根據(jù)Parry等[21]的方法計(jì)算Rubisco羧化酶活性。

1.2.2 抗氧化能力和膜脂過氧化程度測(cè)定 參照Zou等[20]方法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性, 參照Kumar等[22]的方法測(cè)定丙二醛(MDA)含量, 參照Su等[23]方法測(cè)定H2O2含量, 參照Ke等[24]方法測(cè)定超氧陰離子產(chǎn)生速率。用電導(dǎo)率儀(DDS-309C, ARK Instruments, Chengdu, China)測(cè)量葉片相對(duì)電導(dǎo)率。根據(jù)Shan和Liang[25]方法測(cè)定單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR), 根據(jù)Loggini等[26]方法測(cè)定谷胱甘肽還原酶(GR)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX), 根據(jù)Li等[27]方法測(cè)定谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(ASA)含量。

1.2.3 碳氮代謝相關(guān)測(cè)定 參照徐光龍[28]方法測(cè)定硝酸還原酶(NR)活性, 參照屈春媛等[29]的方法測(cè)定谷氨酰胺合成酶(GS)活性、谷氨酸合酶(GOGAT)活性和谷氨酸脫氫酶(GDH)活性, 根據(jù)Oliveira等[30]方法測(cè)定NH4+(銨態(tài)氮)和NO3-(硝態(tài)氮)含量。參照張志良[31]方法測(cè)定可溶性糖、蔗糖、果糖和淀粉含量, 參照Chopra等[32]方法測(cè)定蔗糖合成酶(SPS)和蔗糖磷酸合成酶(SS)活性。參考Tsai等[33]方法測(cè)定酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)和中性轉(zhuǎn)化酶(NI)活性。

1.2.4 產(chǎn)量相關(guān)參數(shù)測(cè)定 在2017—2018年成熟期選取每個(gè)處理10盆, 測(cè)量單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和百粒重, 計(jì)算產(chǎn)量緩解率和減產(chǎn)率。選用2018年相關(guān)生理指標(biāo)測(cè)量測(cè)定值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010處理數(shù)據(jù), 并用SPSS 20.0軟件統(tǒng)計(jì)分析, 用Origin 2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆光合特性和Rubisco活性的影響

與正常供水相比, 干旱脅迫降低了大豆葉n(圖1-A)、s(圖1-B)、r(圖1-C)和Rubisco活性(圖1-F), 并隨著干旱脅迫的延長(zhǎng), 抑制作用越明顯; 干旱脅迫提高了WUE (圖1-E), 并隨干旱脅迫時(shí)間延長(zhǎng)呈升降升趨勢(shì); 在干旱脅迫第10天和第17天降低了i(圖1-D), 脅迫至第24天i有所升高。褪黑素處理可以提高干旱脅迫下n、s、r和Rubisco活性, 分別增加了19.4%~44.1%、9.6%~32.5%、22.6%~42.7%和9.6%~27.8%。褪黑素處理降低了干旱脅迫下第10天和第24天WUE, 增加了第17天WUE。褪黑素處理提高了干旱脅迫第10天和第17天i, 降低了第24天i。

2.2 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

與正常供水相比, 干旱脅迫降低了vm(圖2-A)、N(圖2-B)、ETR (圖2-C)、PSII(圖2-E)和vo(圖2-F), 且干旱脅迫的延長(zhǎng)抑制作用越明顯; NPQ(圖2-D)隨著干旱脅迫的延長(zhǎng)而不斷上升。褪黑素處理可以緩解干旱脅迫對(duì)vm、vo、N、ETR和PSII的抑制; 還能緩解NPQ的上升。與干旱脅迫相比, 褪黑素處理下vm、vo、N、ETR和PSII分別提高了3.2%~6.1%、6.8%~19.8%、5.4%~12.4%、5.6%~30.7%和7.5%~15.9%, NPQ降低了5.7%~20.8%。

2.3 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆碳代謝的影響

與正常供水相比, 干旱脅迫增加了SPS (圖3-A)、SS (圖3-B)、AI (圖3-C)和NI (圖3-D)的活性, 隨著干旱脅迫的延長(zhǎng), 呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。干旱脅迫增加了可溶性糖(圖3-E)、蔗糖(圖3-H)和果糖含量(圖3-G)并降低淀粉含量(圖3-F), 隨著干旱脅迫的延長(zhǎng), 蔗糖、果糖和可溶性糖含量呈先上升后下降趨勢(shì), 淀粉含量呈不斷下降趨勢(shì)。褪黑素處理提高了干旱脅迫下可溶性糖、蔗糖、果糖含量和SPS、SS、AI、NI活性, 降低淀粉含量。與干旱脅迫相比, 褪黑素處理下可溶性糖、蔗糖和果糖含量分別增加9.8%~23.5%、14.7%~21.5%和24.7%~26.8%, 淀粉含量下降10.2%~18.00%, SPS、SS、AI和NI活性分別增加4.3%~19.1%、8.2%~21.5%、11.6%~15.8%和6.3%~42.5%。

2.4 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆氮代謝的影響

與正常供水相比, 干旱脅迫增加了NH4+(圖4-A)和NO3-(圖4-B)的含量, 且隨著干旱脅迫的延長(zhǎng)呈先上升后下降趨勢(shì)。干旱脅迫降低了GS (圖4-D)和GDH (圖4-E)活性, 且隨著干旱脅迫的延長(zhǎng)呈不斷降低趨勢(shì); NR (圖4-C)和GOGAT (圖4-F)活性呈先上升后下降趨勢(shì)。與干旱脅迫相比, 褪黑素處理降低了NO3-和NH4+的含量, 提高了NR、GS、GOGAT和GDH活性。

圖1 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆鼓粒期葉片光合參數(shù)和Rubisco活性的影響

A: 凈光合速率; B: 氣孔導(dǎo)度; C: 蒸騰速率; D: 胞間二氧化碳濃度; E: 水分利用率; F: 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶。WW: 鼓粒期開始保持80%田間持水量葉片噴施5 d清水對(duì)照; D: 鼓粒期開始停止供水保持50%田間持水量葉片噴施5 d清水干旱脅迫處理; MT+D: 鼓粒期開始停止供水保持50%田間持水量葉片噴施5 d 100 μmol L–1褪黑素加干旱脅迫處理。10: 不同處理10 d后第1次取樣, WW維持80%田間持水量, D和MT+D停止供水達(dá)到50%田間持水量; 17: 不同處理17 d后第2次取樣, WW維持80%田間持水量, D和MT+D第1次取樣結(jié)束后維持50%田間持水量; 24: 不同處理24 d后第3次取樣, WW維持80%田間持水量, D和MT+D第2次取樣結(jié)束后繼續(xù)維持50%田間持水量。標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著。

A: net photosynthetic rate; B: stomatal conductance; C: transpiration rate; D: intercellular carbon dioxide concentration; E: water use efficiency; F: ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase. WW: keeping 80% of the field water holding capacity, from the beginning of the seed filling stage, and leaf spray with water for 5 d; D: no water supply and maintain 50% of the field water holding capacity at seed filling stage, and leaf spray with water for 5 d; MT+D: no water supply and maintaining 50% of the field water holding capacity at seed filling stage, and leaf spray with 100 μmol L–1melatonin plus drought stress for 5 d. 10: the first sampling after 10 d of different treatments, at that time WW maintained 80% of field water holding capacity, D and MT+D stopped water supply water to reach 50% of field water holding capacity; 17: the second sampling after 17 days of different treatments, at that time WW maintained 80% of field holding water volume, D and MT+D maintained 50% field water holding capacity after the first sampling; 24: the third sampling after 24 days of different treatments, at that time WW maintained 80% field water holding capacity, D and MT+D maintained 50% field water holding capacity after the second sampling. Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05.

圖2 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆鼓粒期葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

A: 光系統(tǒng)II光能轉(zhuǎn)換效率; B: 光化學(xué)猝滅系數(shù); C: 表觀電子傳遞速率; D: 非光化學(xué)猝滅系數(shù); E: 光系統(tǒng)II實(shí)際光化學(xué)效率; F: 光系統(tǒng)II實(shí)際最大光能轉(zhuǎn)化效率。標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著?？s寫同圖1。

A: photosystem II light energy conversion efficiency; B: photochemical quenching coefficient; C: apparent electron transfer rate; D: non-photochemical quenching coefficient; E: photosystem II actual photochemical efficiency; F: the actual maximum light energy conversion efficiency of photo system II. Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

2.5 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆抗氧化酶活性的影響

與正常供水相比, 干旱脅迫增加了SOD (圖5-A)、POD (圖5-B)、CAT (圖5-C)和APX (圖5-D)活性, 且隨脅迫延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì); GR (圖5-E)、GPX (圖5-F)、MDHAR (圖5-G)和DHAR活性(圖5-H)隨干旱時(shí)間延長(zhǎng)呈不斷降低趨勢(shì)。褪黑素處理可以提高干旱脅迫下SOD、POD、CAT、APX、GR、GPX、MDHAR和DHAR的活性, 第10天的效果較第17天和第24天更好。

圖3 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆鼓粒期葉片碳代謝的影響

A: 蔗糖磷酸合酶; B: 蔗糖合酶; C: 酸性轉(zhuǎn)化酶; D: 中性轉(zhuǎn)化酶; E: 可溶性糖; F: 淀粉; G: 果糖; H: 蔗糖。標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著?？s寫同圖1。

A: sucrose phosphate synthase; B: sucrose synthase; C: acid invertase; D: neutral invertase; E: soluble sugar; F: starch; G: fructose; H: sucrose. Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

圖4 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆鼓粒期葉片氮代謝的影響

A: 銨態(tài)氮; B: 硝態(tài)氮; C: 硝酸還原酶; D: 谷氨酰胺合成酶; E: 谷氨酸脫氫酶; F: 谷氨酸合成酶。標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著?？s寫同圖1。

A: ammonium nitrogen; B: nitrate nitrogen; C: nitrate reductase; D: glutamine synthetase; E: glutamate dehydrogenase; F: glutamate synthetase. Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

2.6 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆抗氧化劑含量的影響

與正常供水相比, 干旱脅迫提高了第10天和第17天GSH (圖6-A)和ASA (圖6-B)含量, 降低了第24天GSH含量, 并低于正常供水, 第24天ASA含量較第17天有所降低但仍高于正常供水。褪黑素處理可以增加干旱脅迫下ASA和GSH的含量, 其中GSH含量增幅在第17天效果更好, 而ASA含量增幅在第10天效果更好。

2.7 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆膜脂過氧化的影響

與正常供水相比, 干旱脅迫增加了O2-產(chǎn)生速率(圖7-A)、H2O2含量(圖7-B)、MDA含量(圖7-C)和REL (圖7-D), 且隨著干旱脅迫的延長(zhǎng)呈不斷上升趨勢(shì)。褪黑素處理可以減輕干旱脅迫下的O2-產(chǎn)生速率、H2O2含量, 以及MDA含量和REL的上升, 且第10天的效果更好。

圖5 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆鼓粒期葉片抗氧化酶活性的影響

A: 超氧化物歧化酶; B: 過氧化物酶; C: 過氧化氫酶; D: 抗壞血酸過氧化物酶; E: 谷胱甘肽還原酶; F: 谷胱甘肽過氧化物酶; G: 單脫氫抗壞血酸還原酶; H: 脫氫抗壞血酸還原酶。標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著?？s寫同圖1。

A: superoxide dismutase; B: peroxidase; C: catalase; D: ascorbate peroxidase; E: glutathione reductase; F: glutathione peroxidase; G: monodehydroascorbate reductase; H: hydrogen ascorbate reductase. Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

圖6 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆鼓粒期葉片抗氧化劑含量的影響

A: 谷胱甘肽; B: 抗壞血酸。標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著?？s寫同圖1。

A: glutathione; B: ascorbic acid. Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

圖7 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆鼓粒期葉片膜脂過氧化的影響

A: 超氧陰離子產(chǎn)生速率; B: 過氧化氫含量; C: 丙二醛含量; D: 相對(duì)電導(dǎo)率。標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著?？s寫同圖1。

A: superoxide anion production rate; B: hydrogen peroxide content; C: malondialdehyde content; D: relative conductivity. Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

2.8 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下大豆產(chǎn)量的影響

由表1可知, 干旱脅迫(D)降低鼓粒期大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和百粒重。褪黑素處理可提高干旱脅迫下單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和百粒重。與干旱脅迫相比, 單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和百粒重2017年分別提高了1.9%、0.7%、13.2%、18.1%; 2018年分別提高了4.0%、0.9%、16.2%、16.4%。

表1 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下鼓粒期大豆產(chǎn)量以及減產(chǎn)率和緩解率的影響

同欄內(nèi)標(biāo)以不同字母的值在< 0.05水平上差異顯著。減產(chǎn)率= (D–WW)/WW′100%; 緩解率=[(WW–D)/WW–(WW–MT)/ WW]′100%, 以單株粒重計(jì)算?？s寫同圖1。

The values with in the same column followed by different letters are significantly different at< 0.05. Yield reduction rate = (D – WW)/WW′100%; Remission rate =[(WW – D)/W – (WW – MT)/W]′100%, calculated with grain weight per plant. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

3 討論

干旱脅迫降低植株葉綠體光能復(fù)合體電子傳遞能力和CO2固定效率, NADP+供應(yīng)減少, 導(dǎo)致在PSI中生產(chǎn)O2-, 又經(jīng)PSII生產(chǎn)H2O2[34]。植物會(huì)激發(fā)酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)來清除過量ROS, 包括抗氧化酶和抗氧化劑[35]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn), 干旱脅迫第10天會(huì)顯著提高SOD、POD、CAT和APX活性, 干旱脅迫至第24天, 抗氧化酶活性低于對(duì)照。Huang等[15]研究表明玉米幼苗在干旱脅迫下外源褪黑素提升抗氧化酶活性。本研究同樣發(fā)現(xiàn)褪黑素處理較干旱脅迫可提高抗氧化酶活性, 在處理第10天和17天提高幅度較大, 在第24天增幅較小, 這可能與脅迫時(shí)間延長(zhǎng)或褪黑素生理功能下降有關(guān)。褪黑素并不具有直接清除ROS的功能[36], 褪黑素對(duì)氧化還原穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)是由于其誘導(dǎo)抗氧化酶活性提高。SOD作為ROS清除的第一道防線, 可將O2-歧化為O2和H2O2, CAT能清除過氧化物酶體中H2O2[37]。在線粒體過氧化物酶中存在ASA-GSH循環(huán)酶系統(tǒng), 包括MDHAR、DHAR、GR和GPX共同參與H2O2的清除過程, 并參與ASA和GSH循環(huán)再生過程[19]。據(jù)研究表明干旱脅迫提高玉米葉片MDHAR、DHAR、GR和GPX活性[38]。本試驗(yàn)表明, 干旱脅迫會(huì)降低MDHAR、DHAR、GR和GPX活性, 鼓粒期作為最后一個(gè)時(shí)期自身防御系統(tǒng)較弱, 對(duì)脅迫更敏感。褪黑素能促進(jìn)西瓜ASA-GSH循環(huán)中APX和MDHAR活性, 增加ASA和GSH含量, 減輕ROS積累和隨后的氧化應(yīng)激[27]。本研究表明褪黑素處理顯著提高了干旱脅迫下MDHAR、DHAR、GR和GPX活性, 平衡氧化還原穩(wěn)態(tài)以及促進(jìn)GSH和ASA含量的再生循環(huán), 這有助于清除過量ROS、APX以ASA為底物, 在ASA-GSH循環(huán)中將H2O2還原為H2O, 產(chǎn)生MDHA后再產(chǎn)生MDHAR; GSH和ASA可直接與HO2-、O2-和1O2等ROS反應(yīng), 將有機(jī)自由基R還原為RH。這些結(jié)果表明, 褪黑素可通過激活大豆葉片的整個(gè)抗氧化系統(tǒng)來改善細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài), 從而保護(hù)細(xì)胞免受干旱脅迫誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激[39]。

ROS的產(chǎn)生與清除平衡機(jī)制是其含量的基礎(chǔ), ROS作為信使誘導(dǎo)抗氧化酶基因表達(dá), 但過量的ROS促進(jìn)抗氧化酶活性提升并不足以清除它們。ROS還會(huì)轉(zhuǎn)移到類囊體和細(xì)胞膜, 引發(fā)膜脂過氧化, 從而破壞膜結(jié)構(gòu)[40]。干旱脅迫程度加深會(huì)持續(xù)提高ROS和MDA含量積累[41], 本試驗(yàn)表明, 隨著干旱脅迫時(shí)間延長(zhǎng), H2O2含量、O2-產(chǎn)生速率、MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率呈現(xiàn)不斷上升, 說明干旱脅迫導(dǎo)致ROS過度積累, 細(xì)胞膜受到損傷, 電解質(zhì)外滲增加。褪黑素處理緩解了干旱脅迫下H2O2和MDA的積累, 以及相對(duì)電導(dǎo)率的下降, 說明褪黑素調(diào)節(jié)膜脂過氧化滲透平衡, 保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)完整性, 主要原因與褪黑素可以增強(qiáng)大豆葉片抗氧化酶活性有關(guān), 也與褪黑素具有抑制膜質(zhì)過氧化的級(jí)聯(lián)反應(yīng)有關(guān)[42], 這有助于清除部分過量ROS積累, 緩解細(xì)胞膜損傷、光合色素降解、蛋白質(zhì)大分子降解等。

光合作用是作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中重要的能量轉(zhuǎn)化代謝系統(tǒng), 提高光合能力有助于為植物生長(zhǎng)發(fā)育、籽粒生物量積累奠定基礎(chǔ), 是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[43]。在本研究中, 干旱脅迫條件下, 植物通過關(guān)閉氣孔以減少水分流失,s和r下降, 氣孔關(guān)閉導(dǎo)致吸收CO2不足而抑制光合作用[44], 長(zhǎng)期干旱脅迫提高i, 可能與非氣孔限制有關(guān), 說明干旱脅迫已損傷光合系統(tǒng)和葉組織, 空氣中CO2直接通過葉片縫隙進(jìn)入葉片內(nèi)部, 抑制了對(duì)光能的吸收, 降低了光合作用正常運(yùn)行和碳同化過程, 阻礙了光反應(yīng)形態(tài)的同化力還原蔗糖的能力[45]。本試驗(yàn)表明褪黑素處理可以緩解干旱脅迫下n、s、r和葉綠素含量的下降, 在第24天降低了i說明褪黑素處理n下降是氣孔限制因素, 緩解了干旱脅迫對(duì)光合系統(tǒng)的傷害, 這與之前的研究結(jié)果一致[15,20,41,46-47]。褪黑素處理緩解了干旱脅迫對(duì)光能吸收利用抑制, 提高碳同化產(chǎn)物蔗糖含量和葉片對(duì)籽粒運(yùn)輸能力, 有助于生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量提升。

PSII的部分激發(fā)能通過電子傳遞為CO2固定提供能量, 干旱脅迫降低了光合速率, 導(dǎo)致吸收的光能過剩, 不能散失的光能為ROS積累提供能量, 對(duì)光合系統(tǒng)產(chǎn)生損傷或者以熱的形式散發(fā)[48]。本試驗(yàn)表明, 干旱脅迫降低vm、vo、PSII、ETR和N, 提高NPQ, 說明干旱脅迫對(duì)光合系統(tǒng)產(chǎn)生損傷, 降低了光合轉(zhuǎn)化效率。Ye等[46]研究發(fā)現(xiàn)外源褪黑素能提高干旱脅迫下玉米幼苗葉綠素?zé)晒?。本試?yàn)表明, 褪黑素處理可以提高干旱脅迫下大豆葉片vm、vo、PSII、ETR和N, 降低NPQ; 說明褪黑素處理能緩解干旱對(duì)光合系統(tǒng)的損傷, 提高光能利用效率和電子傳遞能力, 并對(duì)ROS積累有一定抑制作用。

碳代謝與植株生長(zhǎng)和產(chǎn)量密切相關(guān), 在植株遭受干旱脅迫時(shí), 葉片光合速率下降, 光合同化物形成量減少, 糖類物質(zhì)含量增加, 光呼吸活性提高, 以蔗糖為主要運(yùn)輸形式的光合同化物加速向根系轉(zhuǎn)運(yùn)[49]。Wei等[47]研究表明, 褪黑素能上調(diào)鹽脅迫下大豆碳代謝中丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)能力和葡萄糖和果糖間轉(zhuǎn)化水平。本試驗(yàn)表明, 褪黑素能提高干旱脅迫下蔗糖和果糖含量, SS、SPS、NI和AI活性, 降低淀粉含量, SPS和SS能夠催化合成蔗糖, NI和AI促進(jìn)蔗糖和淀粉向己糖方向轉(zhuǎn)化, 導(dǎo)致果糖在葉片中積累以及在碳水化合物之間轉(zhuǎn)化[45], 大量積累的己糖不僅維持細(xì)胞膨壓穩(wěn)定, 又反饋抑制光合作用, 淀粉與蔗糖存在相互轉(zhuǎn)換功能, 淀粉含量降低可能與褪黑素降低了干旱脅迫下磷酸丙酮轉(zhuǎn)化淀粉能力或者提高了大豆葉片內(nèi)淀粉分解酶活性有關(guān)。提高糖的積累合成和轉(zhuǎn)化能力, 能提高滲透調(diào)節(jié)平衡以維持正常的細(xì)胞勢(shì), 還能為同化物運(yùn)輸提供能量, 為氮代謝提供碳源和能量, 促進(jìn)蛋白質(zhì)和氨基酸的合成[50]。

氮代謝對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成具有重要的生理作用, 氮代謝為碳骨架提供蛋白[51]。干旱脅迫降低氮代謝相關(guān)酶的活性, 增加氮分解代謝酶活性[52]。本研究發(fā)現(xiàn), 干旱脅迫會(huì)降低氮代謝相關(guān)酶活性從而降低NO3-和NH4+同化能力, 因GDH與α-酮戊二酸同化NH4與NH4+合成谷氨酸, 再通過GS和GOGAT合成各種氨基酸, 因此抑制蛋白質(zhì)、葉綠素和核酸等多種含氮化合物的合成。Zhang等[53]研究表明, 外源褪黑素可提升NaHCO3脅迫下下黃瓜幼苗葉片的氮代謝水平。本研究表明, 外源褪黑素能提高干旱脅迫下大豆葉片氮代謝相關(guān)酶的活性, 這有助于促進(jìn)氮代謝過程中同化能力, 緩解因NO3-和NH4+的積累形成氨毒, 對(duì)維持大豆正常生長(zhǎng)、葉綠素合成等具有促進(jìn)作用。

干旱脅迫會(huì)抑制植物生長(zhǎng)和發(fā)育進(jìn)程、營養(yǎng)物質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)、光合作用以及基因和蛋白水平表達(dá), 改變形態(tài)結(jié)構(gòu)、相關(guān)酶活性和水分分配方向[39]。而產(chǎn)量與光合作用直接相關(guān), 抗逆性可維護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu), 氧化還原穩(wěn)態(tài), 以及保護(hù)碳氮代謝的同化物吸收轉(zhuǎn)運(yùn), 保護(hù)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)合成葉綠體等細(xì)胞器和蔗糖-淀粉代謝等, 從而維護(hù)光合作用正常運(yùn)行。本研究發(fā)現(xiàn), 干旱脅迫通過降低百粒重來降低產(chǎn)量, 說明干旱脅迫抑制了子粒的生長(zhǎng), 或許與減緩光合同化物向子粒運(yùn)輸有一定關(guān)系。褪黑素能緩解干旱脅迫對(duì)百粒重的抑制和葉片的結(jié)構(gòu)損傷, 促進(jìn)碳氮同化能力和光合能力, 這可能會(huì)加速向子粒運(yùn)輸光合產(chǎn)物促進(jìn)子粒發(fā)育進(jìn)而提高產(chǎn)量。

4 結(jié)論

外源褪黑素提高了干旱脅迫下大豆葉片中抗氧化酶活性和抗氧劑含量, 從而減少ROS積累, 降低了膜脂過氧化程度, 保護(hù)PSII系統(tǒng)提高電子傳遞和利用效率, 提升光合能力和碳氮代謝同化能力。此外, 與正常供水相比, 褪黑素減少了干旱脅迫下產(chǎn)量損失, 2017年干旱脅迫降低了24.6%產(chǎn)量, 褪黑素處理緩解因干旱脅迫造成9.9%的產(chǎn)量損失; 2018年干旱脅迫降低了36.3%產(chǎn)量, 褪黑素處理緩解了因干旱造成的10.3%的產(chǎn)量損失。

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Effects of exogenous melatonin on physiology and yield of soybean during seed filling stage under drought stress

ZOU Jing-Nan, YU Qi, JIN Xi-Jun, WANG Ming-Yao, QIN Bin, REN Chun-Yuan, WANG Meng-Xue, and ZHANG Yu-Xian*

College of Agronomy, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, Heilongjiang, China

Drought stress reduces soybean yield. Exploring the mechanism of improving drought tolerance and reducing yield loss is of great significance for soybean production. Melatonin application can alleviate the growth inhibition and oxidative damage of plants under drought stress. In this experiment, the effects of foliar application of melatonin on photosynthesis, stress resistance, carbon and nitrogen metabolism and yield of soybean during seed filling stage under drought stress were studied in 2017–2018. The application exogenous melatonin increased the antioxidant enzyme activity, inhibited the production of reactive oxygen species, decreased cell membrane damage under drought stress, alleviated the inhibition of photosynthetic capacity by drought stress, improved the carbon and nitrogen assimilation ability, and alleviated the yield loss caused by drought stress. Compared with drought stress, the treatment of melatonin increased the number of pods per plant, the grain number per plant and the hundred grain weight by 2.9%, 0.8%, and 17.2% on average of two years, respectively, and the yield (grain weight per plant) increased by 14.7%.

melatonin; soybean; drought; photosynthesis; antioxidant system; carbon and nitrogen metabolism; yield

10.3724/SP.J.1006.2020.94111

本研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0201000), 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-04-01A), 黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2017049), 黑龍江省農(nóng)墾總局重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目(HNK135-02-06)和國家重點(diǎn)研究開發(fā)項(xiàng)目子課題“東北地區(qū)抗旱灌溉與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)春大豆關(guān)系的研究”項(xiàng)目(2018YFD1000905)資助。

This study was supported by the National Key R&D Program (2018YFD0201000), the China Agricultural Research System (CARS-04-01A), the Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (C2017049), the Heilongjiang Provincial Land Reclamation Bureau Key Research Project (HNK135-02-06), and the National Key Research and Development Project Sub-Project: Research on the Relationship between Drought-Resistant Irrigation and High-Quality and High-Yield Spring Soybean in Northeast China (2018YFD1000905).

張玉先, E-mail: zyx_lxy@126.com

E-mail: zoujingnan222@163.com

2019-08-01;

2019-12-26;

2020-01-14.

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200113.1712.004.html