外施水楊酸對干旱脅迫下大豆抗性的影響

劉云峰宋志啟祁志倫李文金

（1.青島市即墨區農業農村局 山東 青島 266200；2.泰安市農業科學院 山東 泰安 271000）

大豆是我國重要的油料作物和糧食作物，需水量較大，但是根系較少，因此常受到干旱脅迫的傷害，干旱脅迫是影響大豆產量的重要環境因子[1]。研究表明，干旱脅迫導致大豆葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度[2]、最大光化學效率的下降[3]，生長受到顯著抑制[4]。尋找提高植物抗旱性的方法及探究其機理對促進植物的生長發育具有重要的意義。

水楊酸是一種重要的內源信號分子，不僅可以誘導相關蛋白表達提高植物的抗病性，還可以提高植物的抗旱性、抗鹽性、抗冷性[5]。在逆境條件下提高植株的抗氧化酶活性，降低活性氧含量[6]，減輕逆境對膜脂的傷害，減少電解質的外滲，從而提高植物對逆境的抵抗能力[7]。另外，一定濃度的水楊酸可以提高逆境條件下植物的葉綠素含量、最大光化學效率、氣孔導度，從而改善植物的光合性能，提高光合速率[8]。

本文作者以大豆為試驗材料，采用自然干旱并結合噴施水楊酸的處理方法，從氣體交換參數、葉綠素熒光參數、相關酶活性等方面，研究水楊酸在干旱脅迫下對光能分配調控的生理功能及作用機制，為水楊酸在植物生產上的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以魯豆11為試驗材料，大豆生長的土壤用育苗基質和沙土按1∶2的比例配成。土壤裝入直徑25 cm、高30 cm的塑料盆中。試驗在泰安市岱岳區農業農村局科教站的試驗田里進行，2020年5月8日將大豆種于盆中，每盆留苗3株，置于防雨棚下，采用常規管理。

1.2 試驗方法

試驗設對照組（CK）、自然干旱處理、自然干旱結合葉片噴施水楊酸處理共3個處理，每個處理重復3次。對照組通過稱量法控制土壤相對含水量在最大含水量的80%左右，每天中午和傍晚進行補水，每天試驗前通過稱量法測定2個處理組的相對含水量。6月8日開始試驗處理，干旱水楊酸處理組葉片噴施水楊酸，對照組和自然干旱處理組葉片噴施清水，試驗一共進行5 d。取功能葉進行氣體交換參數、熒光參數和相關酶活性的測定。

氣體交換參數采用便攜式光合測定系統Ciras-1進行測定，光強通過內置光源設定為1 000 μmol/（m2·s），參比二氧化碳濃度設定為360 μmol/mol，記錄凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）。葉綠素熒光參數使用調制熒光儀FMS-2進行測定。通過FMS-2的內置程序設定作用光為1 000 μmol/（m2·s），光照10 min，測定穩態熒光Fs和光適應下最大熒光Fm′。葉片暗適應15 min后測定Fo和Fm，并計算最大光化學效率Fv/Fm。通過測得數據，按如下公示計算相關參數：實際光化學效率ФPSⅡ=（Fm′-Fs）/Fm′，最大光化學效率Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm，非光化學淬滅NPQ=Fm/Fm′-1。

對于氮代謝和米勒反應的能量，通過便攜式光合系統和調制式熒光儀的聯用進行測定。按公式Je（PSII）=PFD×ΦPSII×α計算總能量Je（PSII）；按公式Ja=Je（PSII）-[Je（PCR）+Je（PCO）]計算額外能量Ja，而Je（PCR）+Je（PCO）=（Pn+Rd）×（4Ci+8Γ）/（Ci-Γ），其中Rd為暗呼吸速率，Γ為CO2補償點。測定出大氣條件（21% O2，360 μmol/mol CO2）與自 配低氧 氣 體（2%O2，360 μmol/mol CO2）條件下的Ja和Ja′，根據以下公式計算用于米勒反應的能量：米勒反應［Ja（O2-depend）］=Ja-Ja′，而用于氮代謝的能量Ja（O2-independ）=Ja′。

于每天上午的9:00～11:00取樣測定相關酶活性等生理指標。

2 結果與分析

2.1 外施水楊酸對干旱脅迫下土壤相對含水量的影響

由圖1可知，對照土壤的相對含水量變化不大，干旱脅迫顯著降低了土壤的相對含水量，至處理第5天相對含水量為44.1%，干旱+水楊酸處理的土壤相對含水量較干旱處理的略低。

圖1 外施水楊酸對干旱脅迫下土壤相對含水量的影響

2.2 外施水楊酸對干旱脅迫下大豆葉片氣體交換參數及熒光參數的影響

由圖2可知，在整個試驗過程中，對照的凈光合速率變化不明顯，干旱脅迫顯著降低了凈光合速率，至處理第5天已經是對照的8.8%，外施水楊酸大幅提高了干旱脅迫下的凈光合速率，至處理第5天為對照的46.2%。對照的氣孔導度有輕微波動，干旱脅迫下的氣孔導度一直呈下降趨勢，而外施水楊酸顯著減緩了干旱脅迫下氣孔導度的下降。對照的胞間二氧化碳濃度變化不大，干旱脅迫下的胞間二氧化碳濃度在處理第2天達到最低值，隨后一直呈上升趨勢，至處理第5天已經為對照的119.1%，外施水楊酸后的氣孔導度與對照相比有輕微幅度的下降。

圖2 外施水楊酸對干旱脅迫下大豆葉片氣體交換參數的影響

由圖3可知，對照的最大光化學效率在試驗過程中有輕微波動，干旱脅迫下最大光化學效率在處理第1天下降幅度較小，而在后期下降幅度較大，外施水楊酸則顯著緩解了干旱脅迫下最大光化學效率的下降。對照的實際光化學效率變化不大，干旱脅迫顯著降低了實際光化學效率，而外施水楊酸顯著緩解了干旱脅迫下實際光化學效率的下降，至處理第5天干旱脅迫和干旱脅迫+水楊酸分別為對照的69.3%和82.3%。對照的非光化學淬滅變化不明顯，干旱脅迫大幅度提高了非光化學淬滅，而外施水楊酸則顯著減弱了干旱逆境對非光化學淬滅的提高。

圖3 外施水楊酸對干旱脅迫下大豆葉片熒光參數的影響

2.3 外施水楊酸對干旱脅迫下大豆葉片用于米勒反應和氮代謝能量的影響

由圖4可知，對照葉片用于米勒反應的能量在試驗后期有輕微提高，而在整個處理過程中，干旱脅迫下用于米勒反應的能量一直呈上升趨勢，至處理第5天約為對照的3.6倍，外施水楊酸顯著緩解了干旱脅迫下的這種上升趨勢，至處理第5天僅為對照的1.9倍。在整個試驗過程中，對照葉片用于氮代謝的能量有幅度不大的波動，而干旱處理顯著降低了用于氮代謝的能量，至處理第5天僅為對照的12.4%，外施水楊酸減緩了這種下降，至處理末期為對照的60.4%。

圖4 外施水楊酸對干旱脅迫下大豆葉片用于米勒反應和氮代謝能量的影響

2.4 外施水楊酸對干旱脅迫下大豆葉片相關酶活性及過氧化氫含量的影響

由圖5可知，在整個試驗過程中，氮代謝的關鍵酶硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性變化不大，而干旱脅迫顯著降低了這3種酶的活性，至處理第5天分別為對照的17.5%、31.7%和49.8%，外施水楊酸緩解了干旱脅迫下這3種酶活性的降低，至處理第5天分別為對照的51.3%、64.0%和64.3%。對照的超氧化物歧化酶活性在試驗中變化不明顯，干旱脅迫的超氧化物歧化酶活性在處理第2天達到峰值，以后呈下降趨勢，至處理第5天已經顯著低于對照，外施水楊酸后，在處理的前2 d略高于干旱脅迫下的酶活性，在處理后期下降幅度顯著小于干旱脅迫下的酶活性，至處理第5天仍然顯著高于對照。對照的過氧化氫酶變化也不明顯，干旱脅迫下的過氧化氫酶在處理第1天達到峰值，以后呈下降趨勢，至處理第5天為對照的73.1%，外施水楊酸后顯著減緩了處理后期干旱脅迫對過氧化氫酶活性的降低，至處理第5天，干旱+水楊酸處理的過氧化氫酶活性仍然顯著高于對照。對照的過氧化氫含量在試驗過程中變化不顯著，干旱脅迫顯著增加了大豆葉片中過氧化氫的含量，而外施水楊酸減緩了這種增加，至處理第5天分別為對照的2.11倍和1.44倍。

圖5 外施水楊酸對干旱脅迫下大豆葉片相關酶活性及過氧化氫含量的影響

3 結論

干旱脅迫顯著降低了大豆葉片的碳同化，雖然外施水楊酸后干旱脅迫下的土壤相對含水量有輕微的下降（可能是外施水楊酸后氣孔導度下降有所緩解所致），但是外施水楊酸減緩了干旱脅迫下碳同化的降低。

外施水楊酸以后，與單純的干旱脅迫相比，用于氮代謝的能量有了大幅度提高。由于水楊酸處理后光合能量較多地用于碳同化和氮同化，使得米勒反應大幅度減小，米勒反應產生的活性氧也大幅度下降。水楊酸從活性氧的產生和清除2個方面來降低活性氧的含量，減小了活性氧對植物的傷害。水楊酸對干旱脅迫下超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性的降低有顯著的緩解作用。

因此，水楊酸使更多的光合能量分配到碳氮合成途徑，減小了米勒反應和過氧化氫的產生，提高了大豆對干旱脅迫的抗性。