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]｡MDA是膜质过氧化的主要产物之一,其积累是活性氧毒害作用的表现,它的含量常被作为判断膜脂过氧化作用的一个主要指标[14],它能与蛋白质氨基酸残基或核酸反应生成Shiff碱,MDA的积累可对膜和细胞造成进一步的伤害,进而引起一系列生理生化改变[15]｡试验结果表明,干旱高温胁迫下,对照和中度干旱下丙二醛含量先上升后降低再升高,在重度干旱胁迫下丙二醛的含量一直处于上升趋势,说明在高温的情况下,大豆幼苗对中度干旱具有一定的耐受性,可能是体内的保护酶可以及时地消除一部分自由基,从而降低大豆幼苗的膜脂过氧化程度,但随着胁迫时间的延长和干旱程度的加剧,大豆幼苗机体代谢紊乱,丙二醛的含量就显著增加,膜系统的损伤程度也更加严重｡渗透调节是植物适应干旱胁迫的一种重要生理保护机制,脯氨酸被认为是理想的渗透调节物质,它与其他有机溶质具有调节细胞渗透势､维持膨压､保护和稳定大分子物质的功能,从而使体内各种与膨压有关的生理过程得以正常进行[16]｡从试验结果可以看出,脯氨酸积累量与大豆的干旱胁迫程度及高温干旱胁迫时间有着密切的联系,干旱程度越严重,胁迫时间越长,脯氨酸的积累量就越明显｡叶绿素是绿色植物吸收光能,将光能转化为化学能的活性物质,叶绿素的含量将直接影响植物的光合作用,从而进一步影响植物的生长状况和最终产量｡研究表明,叶绿素含量随干旱胁迫程度的加剧明显降低,说明大豆叶片的光合潜力受到严重抑制,净光合速率持续下降｡蒸腾作用的强弱主要取决于土壤中可利用的水分､必需的能量以及叶片内外存在的水势梯度,同时也受植物体内部结构和生理状况的调节[17]｡试验中,大豆的蒸腾速率随着高温干旱胁迫时间的延长,一直处于下降状态｡有研究表明,高温胁迫下土壤干旱主要通过两个限制因素抑制香根草叶片光合作用:一是气孔因素,二是非气孔因素制——叶绿体活性｡前者是指高温造成的水分胁迫使气孔导度下降,CO2进入叶片受阻而使光合能力下降;后者是指光合器官光合活性的下降[18]｡气孔是控制CO2进入叶肉细胞和水分蒸腾散失的重要门户[19],气孔导度反映了气孔开度的大小,Farquhar等[20]认为如果气孔导度和胞间CO2含量均降低,则说明净光合速率的降低主要是由气孔因素引起;如果气孔导度下降,而胞间CO2含量升高,则表明此时叶肉细胞光合能力的下降是净光合速率下降的主要原因,即所谓的非气孔限制｡由此可以得出结论,对照净光合速率下降的原因在试验第5~6天主要是由非气孔限制因素造成,而中度和重度干旱胁迫下净光合速率下降的原因在第2~4天主要是由气孔限制因素造成,第4~6天主要是由非气孔因素造成｡综上所述,高温干旱对大豆苗期的生长造成了严重的伤害,研究只对高温干旱胁迫下大豆苗期的光合特性和部分生理指标的变化做了研究,而对其体内保护酶活性的影响如何还有待进一步研究;另外,试验的高温胁迫是在人工气候箱的条件下进行的,试验数据不能说明高温引发其他环境因子变化对大豆生理的综合影响｡由于大豆生长发育的整个阶段都处在高温夏季,因此开展高温干旱双重胁迫对大豆光合特性和生理指标影响方面的研究,可以为提高大豆的抗高温干旱能力和优质高产提供理论依据｡参考文献:[1] 郝兴宇,韩雪,居煇,等. 气候变化对大豆影响的研究进展[J]. 应用生态学报,2010,21(10):2697-2706.[2] HOUGHTON J T,MEIRA L G,BRUCE J,et al. 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