高温干旱双重胁迫对大豆光合特性的影响

　　摘要：在人工气候箱中，以豫豆１９为材料，通过盆栽试验，研究高温条件下不同干旱水平大豆光合特性的变化。结果表明，在高温干旱胁迫条件下，大豆幼苗的生长受到一定程度的抑制。高温干旱双重胁迫使大豆叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶绿素含量均呈下降趋势，而游离脯氨酸（Ｐｒｏ）含量显著增加，丙二醛（ＭＤＡ）含量先下降后升高，胞间ＣＯ２含量先大幅度降低然后小幅回升。 　　关键词：大豆；高温；干旱；光合特性 　　中图分类号：Ｓ９４５．７８文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）10－1971-04 　　大豆作为世界五大作物之一，是人类优质蛋白质和食用油脂的重要来源，而作为我国大豆主要产区之一的黄淮海地区，是我国干旱面积最大的区域。未来气候条件下，全球总降水量会有所增加，但由于气温和土壤温度的升高，植物蒸腾耗水量和土壤的蒸发量都会增加，将导致土壤有变干的趋势［１］。联合国政府间气候变化专门委员会（ＩＣＰＰ）预测１００年后全球气温将升高１．４～５．８ ℃，同时诸如高温等极端性天气的发生也将更加频繁，且持续时间更长［２，３］。因此，大豆受到的高温胁迫也将会逐渐加剧，而一般情况下，高温的发生也往往伴随水资源的匮乏，大豆是需水较多的作物，水分对大豆的产量形成具有重要的作用［４］。黄淮海地区大豆播种期多在６月中下旬的高温夏季，有研究表明，３８ ℃持续高温显著抑制大豆幼苗的生长，即高温不利于幼苗生长［５］。 　　前人研究表明，水分亏缺造成大豆叶片气孔关闭，ＣＯ２扩散阻力增加，叶绿素合成受阻，光合作用急剧下降；核酸合成减弱，分解加强，代谢过程遭到破坏；蛋白质合成减弱，分解作用增强，游离氨基酸（尤其是脯氨酸）增多；由于细胞脱水破坏了细胞膜的结构，引起细胞受害甚至死亡［６］。在生长箱控制温度条件下的研究发现，在种子开花和结荚期每天温度从３０ ℃提高到３５ ℃明显降低每株大豆种子产量，温度超过４０ ℃时大豆坐荚率将降低［７］。大豆生殖生长过程中，气温超过３２ ℃并伴有干旱环境将对开花和受精过程有影响［１］。 　　大豆苗期经常遭遇高温伏旱并非单一的高温或者干旱胁迫，而是高温与干旱的复合胁迫。已往的相关研究多集中于单因素对比试验，关于温度与干旱交互作用对大豆影响的研究目前还很少。选用河南地区大面积种植的豫豆１９为试验材料，探讨高温干旱双重胁迫对大豆苗期叶片光合特性和生理指标的影响，了解高温干旱对大豆伤害的生理生化机制，为防御大豆热害和高温伤害提供科学依据；同时也为进一步研究在高温干旱环境下大豆的抗性机制和主要营养成分的变化规律打下基础，从而推动大豆优质育种和制定栽培调控措施。 　　１材料与方法 　　１．１试验时间和地点 　　试验材料选用河南省大面积种植的大豆品种豫豆１９，购买于河南省农业科学院种子公司，大豆生长的土壤用营养土和农田土按质量比１∶３的比例配成，土壤的最大田间持水量为４２％。将土壤装入内径为２２ ｃｍ、高度为２５ ｃｍ的塑料盆中，选取子粒饱满、大小一致、无病虫的种子于２０１０年５月２０日进行播种，播种后放于实验室外的阳台上，每盆种１０株，每个处理４次重复，在生长过程中保持充足的水分供应。 　　１．２试验材料的处理 　　当大豆生长到一定高度时进行定苗，每盆保留５株生长基本一致的种苗。分别选取发育进程与长势基本一致的材料，水分梯度及控制于高温处理前开始，土壤水分含量用称重法控制，设置３个水分梯度：正常（ＣＫ）、中度干旱（Ｌ）（土壤饱和含水量的４０％～５０％）和重度干旱（Ｍ）（土壤饱和含水量的３０％～４０％）。在大豆长至幼苗期时，将其放置于２个人工气候箱在（３８±０．５）℃／（２６±０．５）℃（８∶００～１９∶００／１９∶００～８∶００）进行高温处理，从移入人工气候箱的第２天开始测试，以后每天测试一次。 　　１．３指标的测定 　　叶片脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取茚三酮显色法测定［８］；叶片丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定［９］；叶绿素含量采用浸提法测定［１０］；净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间ＣＯ２含量用ＬＩ－６４００（美国，Ｌｉ－Ｃｏｒ公司）测定，所测指标均选用大豆的第３、４复叶为试验材料，每日上午９∶００~９∶３０取样，测定时３次重复，取平均值。 　　１．４数据整理与统计分析 　　采用Ｅｘｃｅｌ和ＳＰＳＳ软件进行统计分析。图中数据均为３次重复的平均值。 　　２结果与分析 　　２．１高温干旱胁迫对大豆叶片丙二醛（ＭＤＡ）和脯氨酸（Ｐｒｏ）含量的影响 　　高温干旱胁迫下丙二醛和脯氨酸的含量变化如图１、图２。图１表明，随胁迫时间的延长，对照和中度干旱处理的丙二醛含量都呈现先上升后下降再上升的趋势，重度干旱胁迫下的丙二醛含量则一直处于直线上升的状态，并且随着干旱程度的增加和胁迫时间的延长，３种处理丙二醛含量的增加越来越明显，其中对照和中度干旱胁迫在第４～６天的丙二醛含量急剧增加，重度干旱下的丙二醛含量与对照相比差异非常明显。图2表明，随着胁迫时间的增加，脯氨酸的含量都呈现持续上升的趋势，对照和中度胁迫下的脯氨酸含量几乎呈现直线上升的趋势，重度胁迫下的脯氨酸含量第３～４天急剧增加，随后增加趋于平缓，３种处理下脯氨酸含量的差异随时间的变化比较明显，而且严重干旱的脯氨酸含量要比中度干旱更高，差异非常明显。 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　２．２高温干旱胁迫对大豆叶片叶绿素含量和净光合速率的影响 　　由图３、图４可知，大豆叶片的叶绿素含量变化和净光合速率变化是相似的，基本上是呈现持续下降的趋势，且下降幅度明显。在高温胁迫条件下，不同的干旱处理随着时间的推移也有一定的差异，中度和重度干旱胁迫下的叶绿素含量在第３~５天大幅度下降，而对照的叶绿素含量是比较平缓地下降，最终３种不同处理大豆叶片中的叶绿素含量和净光合速率都大幅度下降，重度干旱降幅最大，其次是中度干旱，最后是对照。说明干旱高温双重胁迫加速了叶绿素的分解，对大豆幼苗的光合作用起到了严重的抑制作用，对大豆苗期的生长产生严重影响。 　　２．３高温干旱胁迫对大豆叶片蒸腾速率和气孔导度的影响 　　从图５、图６可以看出，随胁迫时间的延长，大豆叶片的蒸腾速率逐渐减小，高温干旱处理的蒸腾速率和净光合速率变化趋势很相似；中度和重度干旱胁迫条件下的蒸腾速率和气孔导度的下降趋势比对照要快一些，最终３种不同处理大豆叶片蒸腾速率和气孔导度都大幅度地下降，严重干旱降幅最大，其次是中度干旱，最小是对照。 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　２．４高温干旱胁迫大豆叶片胞间ＣＯ２含量的变化 　　高温干旱胁迫条件下大豆叶片胞间ＣＯ２含量变化趋势如图７。图７表明，随着胁迫时间的延长３种处理的变化都呈现先下降后上升的趋势，不同的干旱处理随着胁迫时间的延长也有一定的差异，对照胞间ＣＯ２含量在第２~５天的下降较为平缓，而中度和重度干旱条件下胞间ＣＯ２含量在第２~４天的下降幅度很明显。对照的胞间ＣＯ２含量在处理第５天以后上升，而中度和重度干旱条件下的胞间ＣＯ２含量在处理第４天以后上升。 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　３讨论 　　干旱和高温的协同作用对大豆生长发育的影响目前研究很少，大多只做单一逆境处理，研究不同程度的高温或者干旱对大豆种子萌发以及保护酶活性的影响［５，１１］，实际上二者多是同时存在的。高温会加剧水分胁迫，水分胁迫也会加剧高温伤害［１２］；干旱对冷地型草坪草细胞膜的伤害随温度的升高而加剧，高温伴随干旱对膜的伤害远远大于高温、干旱单因子分别对膜造成的伤害［１３］。