張明聰 何松榆 秦 彬 王孟雪 金喜軍 任春元 吳耀坤 張玉先,*

外源褪黑素對干旱脅迫下春大豆品種綏農(nóng)26形態(tài)、光合生理及產(chǎn)量的影響

張明聰1,**何松榆1,**秦 彬1王孟雪1金喜軍1任春元1吳耀坤2張玉先1,*

1黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 黑龍江大慶 163319;2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大慶分院, 黑龍江大慶 163316

苗期干旱是影響東北大豆生長的主要因素之一, 研究外源褪黑素對大豆苗期抗旱的調(diào)控效應(yīng)具有重要意義。試驗于2018—2019年進(jìn)行, 以‘綏農(nóng)26’為材料, 正常澆灌營養(yǎng)液處理為對照(CK), 研究了干旱脅迫(D)、干旱脅迫+葉面噴施褪黑素(LM)和干旱脅迫+澆灌褪黑素(RM)處理對大豆苗期生理指標(biāo)和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明, 與干旱脅迫(D)處理相比, 施用褪黑素處理(LM和RM)提高干旱脅迫下大豆氣體交換參數(shù)、苗期各器官干物質(zhì)積累量、葉片中抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量。其中, V2期和V4期的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度以及V4期蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度均顯著提高(<0.05); RM處理POD和CAT均顯著增加(<0.05); V2期和V4期干旱后第8天可溶性蛋白含量增幅顯著(<0.05)。與D處理相比, V2和V4期LM處理大豆產(chǎn)量年均增加24.2% (<0.05)和19.1%, RM處理年均增加38.6% (<0.05)和56.3% (<0.05), 其中, 與LM處理相比, RM處理產(chǎn)量年均增加11.6%和31.3% (<0.05)。表明, 應(yīng)用褪黑素提高干旱脅迫下大豆產(chǎn)量, 其中澆灌褪黑素處理產(chǎn)量高于葉面噴施處理。

干旱脅迫; 褪黑素; 大豆; 生長發(fā)育; 產(chǎn)量

大豆苗期生長發(fā)育狀況對大豆產(chǎn)量的豐欠起決定作用[1]。苗期短期干旱條件下, 大豆自身會應(yīng)對干旱形成防御機(jī)制[2], 產(chǎn)生酶促和非酶促組成的抗氧化防御系統(tǒng)(抗氧化酶和抗氧化劑等)和滲透保護(hù)物質(zhì)(可溶性糖和可溶性蛋白等)等緩解干旱引起的氧化損傷[3-4]; 而隨著干旱時間延長, 細(xì)胞會積累大量的活性氧自由基(H2O2和O2–), 打破活性氧的代謝平衡系統(tǒng), 加劇膜脂過氧化作用, 造成細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和酶等生物大分子失活, 導(dǎo)致細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能損傷, 光合能力下降, 碳水化合物合成受阻, 影響作物苗期形態(tài)建成[5-7]。因此, 如何在干旱脅迫條件下維持較強(qiáng)的自由基清除能力、光合和同化物質(zhì)供應(yīng)能力對于提高大豆苗期抗旱性和穩(wěn)定性具有重要意義。

褪黑素(melatonin, MT)是內(nèi)源性的自由基清除劑和抗氧化劑[8], 能夠有效清除過量的活性氧物質(zhì)(reactive oxygen species, ROS)、刺激抗氧化酶活性進(jìn)行抗氧化調(diào)節(jié)、增強(qiáng)抗氧化劑的抗氧化能力[9-10]、提高線粒體內(nèi)部氧化磷酸化進(jìn)行抗氧化調(diào)節(jié), 防止細(xì)胞過度氧化, 有效緩解作物逆境脅迫的非生物脅迫損傷[11]。逆境脅迫條件下, 外源褪黑素具有抗氧化作用, 已在大豆[12]、玉米[13]、黃瓜[14]、蘋果[15]、小麥[5]等作物中有相關(guān)報道。大量研究表明, 外源褪黑素主要通過提高植株抗氧化系統(tǒng), 提高光系統(tǒng)的電子傳遞速率, 加強(qiáng)光能向光化學(xué)反應(yīng)方向的分配[16], 緩解逆境脅迫對光合系統(tǒng)的損傷, 清除過量的自由基, 提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量[17], 降低丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量來保持細(xì)胞膜的完整性[10], 緩解干旱脅迫對大豆苗期生長發(fā)育的損傷。前人關(guān)于褪黑素在大豆應(yīng)對非生物脅迫的研究已有較多報道, 但研究主要集中在葉面噴施處理[3,12,17-18], 而針對干旱脅迫下褪黑素不同施用方式對大豆苗期生理指標(biāo)影響的相關(guān)研究報道較少。因此, 本試驗通過研究在苗期干旱脅迫條件下外源褪黑素對大豆幼苗生長、物質(zhì)積累、光合特性、抗氧化系統(tǒng)和產(chǎn)量等指標(biāo)的影響, 探討外源褪黑素對大豆抗旱性的生理機(jī)制, 以期為褪黑素應(yīng)用于緩解大豆苗期干旱提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以大豆品種‘綏農(nóng)26’為材料, 生育期120 d左右, 需≥10℃活動積溫2400℃左右, 無限結(jié)莢習(xí)性, 由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。褪黑素(C13H16N2O2)購自美國Sigma公司, 相對分子質(zhì)量為232.28, 分子式C13H16N2O2, 純度為>99%。試驗用于模擬干旱脅迫的聚乙二醇(PEG-6000)購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2018年5月至2019年10月在黑龍江省大慶市高新區(qū)國家雜糧工程技術(shù)研究中心實驗基地防雨大棚內(nèi)進(jìn)行。采用盆栽試驗, 盆高36 cm、直徑29 cm, 盆底鉆5個直徑0.5 cm小孔并墊上紗網(wǎng), 以1∶1比例的蛭石和珍珠巖混拌作栽培基質(zhì), 2年均于5月18日播種, 播種前選取飽滿、均勻一致的種子, 用5%次氯酸鈉消毒, 每盆播9粒種子, 真葉期間苗, 每盆保留均勻一致的幼苗3株, 待籽粒成熟后收獲。

大豆V2和V4期進(jìn)行干旱脅迫處理, 分別設(shè)置4個處理。(1)正常澆灌營養(yǎng)液處理(CK): 全生育期每2 d澆1 L Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)(盆底部有水滲出); (2) 干旱脅迫處理(D): 在CK基礎(chǔ)上 + 15% PEG-6000 (w/v) (營養(yǎng)液滲透勢為-0.37 MPa); (3) 干旱脅迫處理+葉噴褪黑素處理(LM): 在D基礎(chǔ)上+葉面噴施100 μmol L-1褪黑素(噴施以霧狀水汽在葉片表面形成水滴自然落下為止); (4) 干旱脅迫處理+澆灌褪黑素處理(RM): 在D基礎(chǔ)上配置含100 μmol L-1褪黑素培養(yǎng)液進(jìn)行澆灌。每個處理3次重復(fù), 每個重復(fù)10盆。

其中, 干旱脅迫處理分別于大豆V2和V4期的第0、3、6天晚上9:00澆灌15% PEG-6000的CK營養(yǎng)液。于最后一次處理結(jié)束后第4、8天上午9:00進(jìn)行取樣和相關(guān)生理指標(biāo)的測定, 取樣后一部分直接用于形態(tài)指標(biāo)的測定, 另一部分分別置于105℃烘箱和-80℃低溫冰箱, 用于測定干物質(zhì)積累量和相關(guān)酶活性。取樣后剩余重復(fù)當(dāng)天傍晚用流動清水沖洗殘留的PEG直至與CK保持一致, 后期正常澆Hoagland營養(yǎng)液以保證其正常生長發(fā)育, 待成熟后收獲測產(chǎn)。

1.3 測定項目和方法

參照Zhang等[19]的方法, 用直尺和LF3100C葉面積儀分別測定株高和葉面積; 參照秦斌等[20]的方法測定根系形態(tài)指標(biāo); LI-6400光合儀(Li-Cor, Hunting)測定葉片氣體交換參數(shù)[凈光合速率(n)、蒸騰速率(r)、氣孔導(dǎo)度(s)和胞間CO2濃度(i)]; 參照施海濤[21]的方法, 利用烘干稱重法測定干物質(zhì)積累量, 利用氮藍(lán)四唑(nitro-blue tetrazolium, NBT)法測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性, 利用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(peroxidase, POD)活性, 利用比色法測定過氧化氫酶(catalase, CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)活性, 利用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量, 利用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定可溶性蛋白含量(soluble protein); 參照Chaitanya等[22]的方法測定O2–含量; 參照Mukherjee[23]的方法測定H2O2含量。

1.4 測定項目和方法

用Microsoft Excel 2019處理數(shù)據(jù), SPSS 25.0軟件做單因素方差分析(ANOVA), 通過LSD檢驗(<0.05)分析處理間的差異顯著性, 用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆苗期形態(tài)指標(biāo)變化

相同生育期, 在干旱脅迫條件下株高和葉面積均呈顯著降低趨勢(表1)。與干旱脅迫(D)處理相比, 褪黑素處理(LM和RM)株高和葉面積均有所增加, 其中, 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第4天的株高分別增加7.80%和9.41% (<0.05)、第8天分別增加5.92%和7.81% (<0.05); 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱后第4天的葉面積增幅分別為22.2%～24.7% (<0.05)和28.1%～30.0% (<0.05)、第8天的葉面積增幅分別為17.7%～19.8%和25.0%～31.2%; 2019年, LM和RM處理V4期干旱后第4天的葉面積分別增加26.8%和28.7% (<0.05)。

表1 外源褪黑素對干旱脅迫下大豆株高和葉面積的影響

CK: 正常澆灌營養(yǎng)液處理; D: 干旱脅迫處理+15% PEG-6000 (w/v); LM: 干旱脅迫處理+葉噴100 μmol L-1褪黑素處理; RM: 干旱脅迫處理+澆灌100 μmol L-1褪黑素處理。V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。

CK: the well-watered treatment; D: the drought stress treatment + 15% PEG-6000 (w/v); LM: the drought stress treatment + 100 μmol L-1melatonin by leaf; RM: the drought stress treatment + 100 μmol L-1melatonin by root irrigation. V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. Value followed by different lowercase letters in same column indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level.

與CK相比, D處理根系形態(tài)指標(biāo)均顯著降低, 而外源添加褪黑素處理(LM和RM)減緩了根系形態(tài)指標(biāo)的下降趨勢(表2)。與D處理相比, 褪黑素處理根長、根體積和根表面積均有所增加, 其中, 2018年, RM處理V2期干旱后第8天的根長增加4.26% (<0.05), V4期干旱后第4、8天的根體積分別增加5.46%和7.45% (<0.05); 2018—2019年, RM處理V2期干旱后第4天的根表面積分別增加13.0%和20.9% (<0.05), V4期干旱后第4天的根表面積分別增加8.86%和7.95% (<0.05)。

2.2 大豆苗期干物質(zhì)積累的變化

2年試驗結(jié)果表明, 干旱脅迫降低了大豆苗期各器官干物質(zhì)積累量(表3); 與D處理相比, 干旱脅迫條件下褪黑素處理各器官干重均有增加, 其中, 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱后第4天葉干重增幅分別為22.2%～29.8% (<0.05)和27.2%～53.2% (<0.05)、根干重增幅分別為5.6%～26.6%和8.0%～35.9%、總干重增幅分別為9.47%～30.20%和13.0%～50.3% (<0.05), 第8天根干重增幅分別為10.5%～21.4% (<0.05)和11.2%～ 23.3% (<0.05)、總干重增幅分別為13.4%～16.6% (<0.05)和15.3%～20.1% (<0.05); RM處理V4期干旱后第4天葉干重和總干重增幅分別為7.54%～ 38.1% (<0.05)和35.4%～29.4%、第8天根干重增幅為33.1%～31.9% (<0.05)。

表2 外源褪黑素對干旱脅迫下大豆根系形態(tài)指標(biāo)的影響

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. Values followed by different lowercase letters in same column indicate significant differences among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.3 大豆苗期氣體交換參數(shù)的變化

V2期(圖1)和V4期(圖2)干旱脅迫條件下大豆葉片的氣體交換參數(shù)均呈降低趨勢。與D處理相比, 外源褪黑素處理氣體交換參數(shù)均有所提高(圖1), 其中, V2期, 褪黑素(LM和RM)處理葉片的凈光合速率(n)分別提高78.5%和79.4% (<0.05)、氣孔導(dǎo)度(s)分別提高44.3%和45.1% (<0.05); 蒸騰速率(r)和胞間二氧化碳濃度(i)分別提高20.3%和28.9%、9.49%和10.9%, 差異不顯著。

表3 外源褪黑素對干旱脅迫下大豆苗期干物質(zhì)積累的影響

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. Values followed by different lowercase letters in same column indicate significant differences among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V4期, 與D處理相比, 褪黑素處理葉片的n、r、s和i均有所提高(圖2), 其中, LM和RM處理n、r、s和i分別提高26.9%和18.7%、8.71%和15.7%、31.1%和57.4%、8.47%和5.36%, 均達(dá)到5%的顯著水平。表明LM處理對n和i的緩解效果較好, 而RM處理對r和s的緩解效果較明顯。

2.4 大豆苗期葉片抗氧化酶活性的變化

2年試驗結(jié)果表明, 干旱脅迫條件下葉片的SOD活性增加(圖3)。與D處理相比, 褪黑素處理SOD活性均有所增加, 其中, 2019年, LM處理V2期干旱后第8天增加29.5% (<0.05), V4期干旱后第4天增加27.3% (<0.05); RM處理V2期干旱后第4、8天分別增加9.28%和43.0% (<0.05), V4期干旱后第4天增加36.1% (<0.05)。

與CK相比, 干旱脅迫條件下大豆葉片的POD活性均顯著增加(圖4)。2年試驗結(jié)果表明, 與D處理相比, 褪黑素處理葉片POD活性均有所增加, 其中, 2018年LM和RM處理在V2期干旱后第4天分別增加8.73%和30.3% (<0.05)、第8天分別增加9.86%和8.86% (<0.05), V4期干旱后第4天分別增加23.9%和22.0% (<0.05)、第8天分別增加11.9%和11.1% (<0.05); 2019年與2018年趨勢基本相同。

與CK相比, 干旱脅迫條件下大豆體內(nèi)CAT活性增加(圖5)。與D處理相比, 大豆葉片的CAT活性均有所增加, 其中, 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別增加18.1%和10.5% (<0.05)、第8天分別增加12.1%和16.2% (<0.05), V4期干旱第8天分別增加23.1%和19.3% (<0.05)。

隨干旱時間的延長, 大豆葉片的APX活性有增加的趨勢(圖6)。2年試驗結(jié)果表明, 與D處理相比, 褪黑素處理葉片的APX活性均有所增加, 其中, 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別增加6.89%和20.7% (<0.05)、第8天分別增加11.8%和14.8% (<0.05), V4期干旱后第4天分別增加10.5%和24.2% (<0.05); 2019年, RM處理V2期干旱后第4天顯著高于D處理, 其他干旱時間APX活性均有所增加, 但未達(dá)差異顯著水平。

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.5 大豆苗期葉片超氧陰離子和過氧化氫含量的變化

與CK相比, D處理顯著提高了葉片中ROS(H2O2和O2?)含量(圖7和圖8)。由圖7可知, 2年試驗結(jié)果表明, 與D處理相比, 褪黑素處理大豆葉片O2?含量均呈下降趨勢, 其中, 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別降低14.3%～16.5% (<0.05)和17.9%～26.4% (<0.05)、第8天分別降低20.3%～33.4% (<0.05)和21.4%～32.9% (<0.05); RM處理V4期干旱后第4天分別降低20.8%～51.2% (<0.05)、第8天分別降低19.2%～ 21.4% (<0.05)。表明, 褪黑素在V2期干旱后第8天對大豆葉片的O2?的清除效果較好, V4期干旱后第4天的清除效果較好, 其中, 2019年V2和V4期第8天均以澆灌(RM)處理的作用效果最顯著。

干旱脅迫條件下, 大豆葉片過氧化氫與超氧陰離子含量變化趨勢基本相同, 呈增加趨勢(圖8); 與D處理相比, 干旱脅迫條件下褪黑素處理大豆葉片的H2O2含量呈下降趨勢, 其中, 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別降低17.9%～38.2%和19.2%～58.4%, 第8天分別降低35.6%～37.5% (<0.05)和31.9%～44.1% (<0.05); V4期干旱后第4天分別降低20.3%～27.9%和32.9%～34.7% (<0.05)、第8天分別降低23.2%～35.5%和30.5%～32.6% (<0.05)。表明干旱脅迫下褪黑素可以降低葉片中ROS (H2O2和O2–)含量, 緩解葉片中ROS對植物細(xì)胞的損傷, 維持植株葉片組織活性氧的平衡。

2.6 大豆葉片丙二醛含量的變化

與D處理相比, 外源褪黑素處理大豆葉片的MDA含量均呈下降趨勢(圖9), 其中, 2018—2019年, LM和RM處理V4期干旱后第8天分別降低20.6%～27.6% (<0.05)和28.0%～29.2% (<0.05); 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第4天分別降低8.79%和11.90%、第8天分別降低7.86%和10.10% (<0.05), V4期干旱后第4天分別降低19.2%和21.7% (<0.05)。

2.7 大豆葉片可溶性蛋白含量的變化

2年試驗結(jié)果表明(圖10), 與D處理相比, 2018年, LM和RM處理V2期干旱后第8天可溶性蛋白含量分別增加20.5%和25.3%、V4期干旱后第8天分別增加17.6%和16.7% (<0.05); 2019年, 褪黑素處理(LM和RM) V2期干旱后第8天分別增加7.48%和5.32%, V4期干旱第8天分別增加2.19%和1.88%, 差異不顯著。

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。柱上標(biāo)以不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. The bar with different lowercase letters indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.8 大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的變化

與D處理相比, 褪黑素處理單株節(jié)數(shù)、莢數(shù)、粒數(shù)和百粒重均有所增加(表4), 其中, 2018年, RM處理V4期干旱大豆的節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)分別增加7.24%、59.1%和61.7% (<0.05); 2019年, RM處理V2期大豆的單株莢數(shù)、粒數(shù)分別增加35.9%和31.1% (<0.05)、V4期分別增加33.6%和31.6% (<0.05); 2018—2019年, LM和RM處理V2期干旱單株產(chǎn)量增幅分別為20.7%～27.8%和32.0%～45.5% (<0.05), V4期增幅分別為3.89%～33.80%和35.9%～76.2% (<0.05)。表明, 干旱脅迫降低了大豆植株節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)。

3 討論

苗期干旱影響大豆生長發(fā)育[24-25]。隨著干旱脅迫時間的延長, 大豆生長受到抑制。褪黑素作為一種廣譜生理調(diào)節(jié)劑, 在干旱脅迫下, 能有效緩解植物損傷[26], 延遲蘋果葉片的衰老[27], 增強(qiáng)大豆鼓粒期的耐旱性, 促進(jìn)植物生長[28]。本研究中, 葉面噴施和澆灌褪黑素均不同程度緩解了干旱脅迫對大豆苗期生長發(fā)育狀況的影響, 使株高、葉面積和生物量下降幅度減緩, 促進(jìn)根系生長, 增加根體積及根表面積, 有利于水分的吸收。推測其原因可能是褪黑素具有和生長素相同的前體物質(zhì)及相似的生理功能, 會誘導(dǎo)生長素的合成來促進(jìn)植物體內(nèi)生理代謝活性[28], 促進(jìn)根系對水分和養(yǎng)分的吸收利用, 抵御干旱脅迫對植株造成的損傷, 進(jìn)而增加其抗旱能力。光合作用是植物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要代謝過程, 是植物生長發(fā)育的物質(zhì)和能量的主要來源[29]。干旱通過關(guān)閉氣孔減少水分蒸騰, 阻滯胞外CO2進(jìn)入, 降低葉片對光能的吸收和轉(zhuǎn)化效率[30], 過剩的光能超出光合器官的利用范圍, 會使光合器官受到損傷, 最終導(dǎo)致植物生長受到限制[31]。本試驗結(jié)果表明, 干旱脅迫條件下, 通過降低葉片的氣孔導(dǎo)度(s)以降低葉片的蒸騰速率(r)和胞間二氧化碳濃度(i), 氣孔開合度降低導(dǎo)致光合作用的原料CO2不足而降低凈光速率(n)。而應(yīng)用褪黑素提高了干旱脅迫下大豆葉片光合作用, 減緩光合氣體交換參數(shù)和葉面積的降低。一方面, 干旱脅迫下, 應(yīng)用褪黑素可以顯著提高葉片s和i, 顯著降低CO2從細(xì)胞間隙向葉綠體傳遞阻力, 提高碳同化過程CO2的吸收速率[32], 緩解因干旱引起氣孔關(guān)閉導(dǎo)致的光合原料不足的問題, 表明應(yīng)用外源褪黑素可修復(fù)因干旱脅迫導(dǎo)致的光合系統(tǒng)損傷, 提高葉片的n, 增強(qiáng)大豆對干旱的耐受性; 另一方面, 干旱條件下, 外源褪黑素提高了葉片對光能的吸收和轉(zhuǎn)化效率, 降低了過多的光能對光合器官的損傷程度[33], 提高了各器官干物質(zhì)積累量及向籽粒中的分配, 最終促進(jìn)大豆生長發(fā)育和產(chǎn)量提高。

表4 外源褪黑素對干旱脅迫下大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

V2: 第二節(jié)齡期; V4: 第四節(jié)齡期。同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。處理同表1。

V2: the second trifoliolate; V4: the fourth trifoliolate. Value with different lowercase letters in same column indicates significant difference among different treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1.

干旱脅迫引起植物對光能捕獲與利用的失調(diào), 在PSI中NADPH氧化酶與O2反應(yīng)產(chǎn)生過量O2–, 在PSII中形成H2O2[34], 導(dǎo)致大量積累的光量子與氧分子結(jié)合, 加劇了ROS和膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)產(chǎn)生[35], 被認(rèn)為是植物損傷過程中膜脂過氧化程度的標(biāo)志。隨著干旱時間的延長ROS和MDA呈增加的趨勢[36], 本研究中, V2和V4期干旱后的第4天至第8天O2–、H2O2和MDA含量增加, 說明干旱脅迫下膜脂過氧化程度加劇, 細(xì)胞生物膜受損, 而褪黑素處理降低了干旱脅迫下ROS (H2O2、O2–)和MDA的過量積累, 說明褪黑素處理維持細(xì)胞滲透平衡, 通過與自由基的級聯(lián)互作[37], 減輕干旱脅迫下膜質(zhì)過氧化物對細(xì)胞膜的傷害, 主要原因與褪黑素可以提高作物抗氧化系統(tǒng), 抑制膜質(zhì)過氧化的反應(yīng)有關(guān)[38], 利于保護(hù)膜的完整性, 緩解植株損傷程度, 增強(qiáng)大豆苗期的抗旱性, 這與劉仕翔等[39]在水稻上的研究結(jié)果較為相似。另有研究表明, 在干旱脅迫下, 黃瓜[40]和大豆[12,17-18]幼苗應(yīng)用褪黑素可提高葉片的抗氧化酶活性、抗氧化劑和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。本試驗中同樣發(fā)現(xiàn)干旱條件下應(yīng)用褪黑素后, 可誘導(dǎo)提高抗氧化酶活性和非酶類抗氧化劑含量, 從而減少活性氧的積累, 緩解植株損傷程度。逆境脅迫時植株體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)隨之啟動, SOD可將過量的O2–歧化反應(yīng)生成為H2O2和O2, POD參與H2O2的清除, CAT通過酶的血紅素鐵與H2O2反應(yīng)生成鐵過氧化物活性體, 降低植株體內(nèi)的ROS[41]。本試驗中, 褪黑素處理對抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性顯著提高, 說明褪黑素可能會通過激發(fā)自身抗氧化系統(tǒng)相關(guān)的調(diào)控基因, 清除由干旱脅迫積累過多的H2O2和O2–, 提高可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量, 平衡細(xì)胞內(nèi)外滲透電位, 緩解細(xì)胞生物膜的損傷, 降低MDA含量, 其中澆灌褪黑素處理略好于葉面噴施處理。

大量研究已證實, 采用不同的施用方式應(yīng)用外源激素如浸種[42]、葉面噴施[43]和澆灌[44]均可以不同程度的緩解或減輕逆境對作物造成的損傷, 具有用量小、見效快、效果顯著等特點(diǎn)。本研究表明, 將100 μmol L-1褪黑素采用澆灌方式能較好的緩解干旱脅迫對大豆幼苗造成的損傷, 減緩對百粒重的抑制效果, 降低大豆落花落莢率, 增加莢果數(shù)量, 或許與葉片光合作用的同化產(chǎn)物運(yùn)輸有關(guān), 可能會加速向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn), 促進(jìn)籽粒發(fā)育進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量?；诒驹囼?年的生理研究結(jié)果表明, 利用褪黑素緩解干旱抑制的效果來提高作物抗逆性是一種重要的農(nóng)業(yè)調(diào)節(jié)措施, 而褪黑素處理的作用機(jī)理和模式仍需要進(jìn)行廣泛而深入的研究。

4 結(jié)論

大豆苗期干旱脅迫下, 應(yīng)用褪黑素可以提高葉片抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量, 清除了過量的活性氧, 降低了MDA含量, 增加葉面積, 改善光合特性, 加速光合產(chǎn)物向各器官積累, 通過提高大豆單株莢數(shù)和單株粒數(shù), 進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量, 緩解大豆苗期的干旱脅迫。其中, 澆灌褪黑素(RM)處理產(chǎn)量高于葉面噴施褪黑素(LM)處理。

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Effects of exogenous melatonin on morphology, photosynthetic physiology, and yield of spring soybean variety Suinong 26 under drought stress

ZHANG Ming-Cong1,**, HE Song-Yu1,**, QIN Bin1, WANG Meng-Xue1, JIN Xi-Jun1, REN Chun-Yuan1, WU Yao-Kun2, and ZHANG Yu-Xian1,*

1College of Agronomy, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, Heilongjiang, China;2Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Daqing 163316, Heilongjiang, China

It is of great significance to study the mechanism of improving the drought resistance ability of soybean seedlings for the growth of soybean seedlings in Northeast China. This experiment was conducted using ‘Suinong 26’ as the experimental material with four treatments to investigate the physiological indexes and yield of soybean under drought stress, including the normal nutrient solution (CK), the drought stress treatment (D), the drought stress + foliar spraying melatonin treatment (LM), and the drought stress + irrigation melatonin treatment (RM). The results indicated that the gas exchange parameters, the dry matter accumulation of organ at seedling stage, the activities of antioxidant enzyme, and the content of soluble protein were increased under LM and RM compared with D. The net photosynthetic rate and stomatal conductance were significantly increased at V2 and V4 stages, and the transpiration rate and intercellular carbon dioxide concentration were significantly increased at V4 stage with< 0.05; POD and CAT of RM were significantly increased at< 0.05; the content of soluble protein was significantly increased after drought stress at V2 and V4 stages at< 0.05. Compared with D, the yield of soybean with LM at V2 and V4 stages was increased by 24.2% and 19.1% at< 0.05, RM increased by 38.6% and 56.3% at< 0.05. Compared with LM, the yield of soybean with RM at V2 and V4 stages was increased by 11.6% and 31.3% at< 0.05. These results revealed that the application of melatonin increased the yield of soybean under drought stress and the yield of soybean with irrigation melatonin treatment was higher than that of foliar spraying melatonin treatment.

drought stress; melatonin; soybean; growth and development; yield

10.3724/SP.J.1006.2021.04154

本研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“大田經(jīng)濟(jì)作物優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的生理基礎(chǔ)與調(diào)控” (2018YFD1000905), 中國博士后科學(xué)基金項目(2016M591561), 黑龍江省自然科學(xué)基金項目(C2016042), 黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目(GA19B101-02), 黑龍江省農(nóng)墾總局重點(diǎn)科研計劃項目(HKKY190206-01)和黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)博士科研啟動基金項目(XYB2014-04)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China “Physiological Basis and Agronomic Management for High-quality and High-yield of Field Cash Crops” (2018YFD1000905), the China Postdoctoral Science Foundation (2016M591561), the Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (C2016042), the Applied Technology Research and Development Project of Heilongjiang Province (GA19B101-02), the Key Scientific Research Projects of Heilongjiang Farms and Land Reclamation administration (HKKY190206-1), and the Doctoral Scientific Research Start-up Foundation of Heilongjiang Bayi Agricultural University (XYB2014-04).

張玉先, E-mail: zyx_lxy@126.com

**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

張明聰, E-mail: zhangmingcong@163.com; 何松榆, E-mail: 1274167812@qq.com

2020-07-11;

2021-01-21;

2021-03-10.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210309.1558.002.html