PEG胁迫下大豆幼苗期叶面积与抗旱性分析.doc

渠培琴：PEG胁迫下大豆幼苗期叶面积与抗旱性分析 9PEG胁迫下大豆幼苗期叶面积与抗旱性分析摘要：本文选用了野生大豆SNWS0048和晋大73的200个后代群体在盆栽条件下进行抗旱性研究。测定了两种处理下大豆幼苗期叶面积，并分析了其与抗旱性的关系。结果表明：群体在对照下的叶面积明显比PEG胁迫下大，群体叶面积在胁迫后的变异情况更大。干旱胁迫的叶面积有向双亲分离的现象，并在一些株系内还存在着超亲优势，属于数量性状。关键词：PEG；大豆；叶面积；抗旱性Drought Resistance on Leaf Area of Soybean in Seedling Period during PEG StressAbstract：In this paper, we used the 200 groups in the future generations of the wild soybean SNWS0048 and JIN73 under potted conditions to do the drought studying. Leaf area of soybean in two treats was determined, and analysis the relationship between the drought resistance and leaf area. The results showed that: the leaf area in the control group is greater than in PEG stress, and the variation is smaller. There are separation phenomenon to the parents in descendant and in some strains, there is still a super-edge, a number of characters.Key words：PEG；soybean；leaf area；drought resistance1.前言大豆（Soybean），学名（Glycine max (L.) Merrill）起源于我国，有5000 多年的栽培历史。在所有大田作物中，是蛋白质含量最高的作物，又是含油量仅次于花生的作物。大豆蛋白是一种优质的植物蛋白，含有人类所有的必需氨基酸。豆油含不饱和脂肪酸，特别是含有亚油酸和亚麻酸两个必需脂肪酸。除此以外，大豆中的低聚糖、异黄酮、皂苷、磷脂、多肽、蛋白质、膳食纤维等成分具有显著的生理活性已被证实1,2,3。大豆是一种对缺水十分敏感的作物，在全球许多地区，干旱胁迫已成为限制大豆生产的主要因素；而我国干旱、半干旱地区约占国土面积的一半以上，受旱程度非常大，即使在非干旱地区，也常因季节性干旱造成减产，如何提高大豆的抗旱性已成为研究的热点。目前，作物抗旱性的研究方法有多种, 大多是在人工控制的干旱或人工模拟干旱条件下进行, 其主要方法是室外盆栽控制水分，苗期室内水培或砂培采用PEG 渗透胁迫，人工控制的温室、气候室和培养箱等4,5,6,。其中, PEG 渗透胁迫法简单易行，条件容易控制，重复性好，试验周期短，适于大批量品种(系) 苗期抗旱性早期鉴定7。聚乙二醇（PEG）是一种高分子渗透剂, 其最大特点是本身不能穿越细胞壁进入细胞质, 因而不会引起质壁分离, 使植物组织和细胞处于类似于干旱的水分胁迫之中8,9。因此，利用PEG模拟干旱来研究大豆的抗旱性具有重要意义。1.1大豆抗旱性的机制干旱对植物的影响是非常广泛而深刻的，它的影响可以表现在生长发育的各个阶段，如萌发、营养生长和生殖生长等。抗旱性是指作物在大气或土壤干旱条件下生存和形成产量的能力，作物抗旱分为避旱性和耐旱性，耐旱性又包括避脱水性和耐脱水性10。抗旱性是大豆高产稳产的重要生态性状，当土壤中水分少到不足以维持大豆正常生长需要时，便会出现干旱。由于干旱的发生，大豆体内的水分平衡就会失调，从而使原生质脱水、衰老、破坏、光合能力降低、有机物运输及积累减少，同时破坏了有机物合成与分解的正常比例，对产量造成严重的影响11。金善宝指出：一个品种在特定地区的抗旱性表现是由自身的生理特性和结构特性以及生长发育进程的节奏与农业气候相配合的程度决定的12。因此，大豆的适应干旱的能力和适应方式出现了很大的差异。大豆的适应干旱的机制与多数旱生植物有别，具有一种以上的抗旱机制，因此，大豆可以把旱害造成的损失降低到最低限度。早熟品种能够在干旱来临之前收获，或者使其干旱敏感期与环境的干旱期错开，达到躲旱的目的13。虽然对干旱使植物产生危害和植物耐旱的机制还不完全了解，但经过多年的研究，人们已经在形态、生理生化等方面取得了许多进展。1.2大豆的形态结构特征与抗旱性王金陵及孟长喜以植株高大、生长繁茂、不倒伏、分枝发达、全株生物重较大、茎粒比小为大豆适旱特征14。王金陵指出，干旱半干旱地区大豆品种应为无限结荚习性，小粒形15。籽粒较小的品种萌芽吸水量少，发芽率和出苗率高，反应了较强的抗旱性1。籽粒大是水地大豆的丰产特征。抗旱型大豆品种萌芽临界吸水量少，萌芽时间短，下胚轴和胚根生长速度快，这样的种子根可以迅速夺取土壤表层的水分，向下生长，避免芽枯，这一点在干旱半干旱地区优为重要，是大豆品种萌芽时适应干旱的重要特征13。王以芝等研究表明：抗旱大豆种子吸水速度快，萌发时间短，萌发率高，所以萌芽吸水量少，胚根伸长速度快16。许忠仁等指出抗旱品种萌发时胚根伸长速度快，这样可以吸收土壤表层的水分，并向下生长以免芽枯，可以作为苗期抗旱的重要参考17。 研究表明大豆前期干旱，使叶面积发展缓慢，但最大叶面积持续的时间却很长，而后期干旱，使叶面积明显减少，生育后期叶面积迅速下降，加速植株衰亡。初花期和鼓粒期干旱都会造成叶面积变小，比叶重降低。试验研究认为，水份亏缺时大豆叶面积只能达到水分条件良好时的45%左右，水分条件良好时叶片生长的时间要比水分亏缺时生长的时间长，并随着亏缺程度的加剧生长时间快速减少18。1.3大豆的生理生化特性与抗旱性张福锁把较大程度上反映植物对于环境响应的生理学参数称为“生理学选择指标”19。干旱对大豆的影响是广泛而深远的，其影响着大豆的光合作用、呼吸作用、水分和营养的吸收运输等各种生理过程。许多学者对大豆抗旱性生理生化机制进行了深入的研究，提出了许多与抗旱相关的生理生化特性13。随着对干旱胁迫下作物抗旱生理生化机制的研究，为大豆抗旱育种提供了不少可靠的可间接测定的生理生化指标。膜透性改变的程度与干旱强度有关，抗旱性强的大豆品种物质渗漏少，电导率低20。丙二醛是膜脂过氧化的产物之一，反映出细胞膜的稳定性程度和品种本身对干旱反映的强弱。硝酸还原酶反应了植株体内氮代谢受水分胁迫影响的程度。叶面积、叶片水势、相对含水量反应植株水分供应和蒸腾情况，能间接反应干旱时植株的生长状况13。气孔是控制叶片内水蒸汽和CO2扩散的门户，气孔数目、结构及生理特性影响着蒸腾作用和光合作用，干旱胁迫时敏感型大豆品种气孔导度急剧下降，而抗旱性大豆品种在干旱胁迫时能较好地维持气孔导度21。可溶性糖的累积能增加细胞渗透压，在抵抗干旱胁迫上具有一定的保护作用。蒸腾速率、光合速率和叶绿素含量反映干旱胁迫下叶片的生理功能。光合速率与蒸腾速率的比值反应单叶的水分利用效率，间接反应叶片的生理状态。干旱胁迫时，ABA在植株体内大量累积，有资料报道ABA在植物体对外界胁迫的感应和信号传导中起非常重要的作用13。值得一提的是目前大豆抗旱性研究中使用的各种生理生化指标都随着干旱胁迫程度、胁迫的时间及植株体内自身的反应能力而变化，是植物在某一特定时期和特定的条件下对干旱反应的某一侧面，对各种生理生化过程变化之间的内在联系深入研究的还不够，还不能确定起主导作用的变化过程是什么，哪种生理生化过程最先开始，并由这种生理过程导致了其它的生理变化，有些生理生化过程人们还不能确定究竟是干旱的适应反应，还是干旱造成的伤害反应，还需将各种生理生化变化与大豆的抗旱能力进行系统研究13。因此，关于大豆生理生化特性的研究还有待于进一步研究。1.4本研究主要目的意义叶面积反应植株水分供应和蒸腾情况，能间接反应干旱时植株的生长状况。本试验在砂培条件下进行PEG6000（15%）胁迫，并设清水对照，就大豆幼苗期的叶面积进行测定分析，以期为大豆种质的抗旱性鉴定和大豆高产抗旱品种的选育提供依据。2.材料与方法2.1 供试材料选取野生大豆SNWS0048与山西农业大学选育品种晋大73的BC1F3后代群体的200个家系为供试材料，以抗旱品种晋大70、晋豆14为对照品种。2.2试验设计与方法2.2.1试验设计盆栽试验于2008年5月在山西农业大学遗传育种大豆实验室进行。裂区设计，用11.4cm9.4cm塑料杯子，每盆装土600g，留苗5株。称重法控制水分，水分处理均于苗期进行，播前浇足底墒水。当幼苗长至一叶期时，测定叶面积。2.2.2测定方法用直尺测出所有大豆植株（包括对照）叶片的长和宽，单位为cm；叶面积=长宽0.75 （0.75为矫正系数）。2.3数据处理抗旱系数=旱胁迫性状值/正常供水性状值 将其分为5个级别：00.2为一级，抗旱性弱；0.20.4为二级，抗旱性较弱；0.40.6为三级，中间抗旱性；0.60.8为四级，较强抗旱性；0.81.0为五级，强抗旱性。所测指标数据用EXCEL2007的统计和运算功能进行统计分析处理。3.结果与分析3.1 PEG胁迫及清水对照下叶面积的变异情况表1 PEG胁迫及清水对照下叶面积的变异情况晋大73SNWS0048群体BC1F3平均值变异系数最小值最大值偏度峰度DCKDCKDCKDCKDCKDCKDCKDCK2.03.91.11.63.175.4332%23%0.72.26.28.0-0.16-0.200.79-0.51由表1可以看出，父母本都是胁迫后叶面积小于对照叶面积，并且晋大73的叶面积在胁迫和对照下都大于SNWS0048,主要是由于晋大73为栽培品种，由于遗传因素叶面积比较大。群体在胁迫后的平均叶面积为3.17cm2，而清水对照的平均叶面积为5.43cm2，差异较大，表明PEG胁迫处理延缓了种子吸水，生长势较弱，在叶面积上形成了较大的差异。群体在胁迫后的变异系数为32%，大于在清水对照后的变异系数23%，说明群体叶面积在胁迫后的变异情况更大。从群体叶面积的变化来看，水旱胁迫的范围都介于双亲之间，有向双亲分离的现象并在一些株系内还存在着超亲优势。胁迫和对照后的偏度和峰度的绝对值都小于1，表明叶面积在群体间基本呈正态分布。 3.2 PEG胁迫对叶面积的影响图1 PEG胁迫及对照下群体叶面积折线图从图1可以看出：群体在对照下的叶面积明显比PEG胁迫下大，正常供水条件下的叶面积在6-8cm2浮动，PEG胁迫条件下叶面积在1-6cm2浮动，变异范围显著增大。表明，大豆幼苗在正常水分条件下，所有材料之间叶面积差异不明显，而在水分胁迫下才能表现出较大差异。3.3 群体叶面积在PEG胁迫及对照下的分布图2 群体在正常供水条件下的频率分布图从图2可以看出，在正常供水条件下，群体叶面积变异范围为2.2-8.0cm2，平均值为5.4cm2，叶面积为5.5 cm2时频率最高，占总体的36%，从整体情况看次数分布较正态分布向右偏，但基本呈正态分布。晋大73和SNWS0048的叶面积分别为3.9 cm2和1.6 cm2，后代群体有向双亲分离的现象并在一些株系内还存在着超亲优势。图3群体在PEG胁迫下叶面积的频率分布图由图3可以看出，在胁迫条件下，群体叶面积变异范围为0.7-6.2 cm2，叶面积在3.5 cm2时频率最高，占总体的23.5%，基本呈正态分布。晋大73和SNWS0048的叶面积分别为2.0cm2和1.1cm2，说明叶面积都有向双亲分离的趋势，属于数量性状，且存在超亲优势。综合图2和图3看，叶面积在PEG胁迫和对照条件下分布情况还是有一定差异的,且PEG胁迫下的叶面积明显小于对照。3.4抗旱系数与抗旱级别的分析表2叶面积抗旱系数的抗旱性分级编号抗旱系数抗旱等级编号抗旱系数抗旱等级编号抗旱系数抗旱等级编号抗旱系数抗旱等级10.573520.4731030.0011540.73420.563530.7141040.5531550.70430.493540.6131050.5431561.25540.573550.5831060.5931570.44250.573560.7241070.5331580.50360.513570.6231080.3921590.15170.442580.7441090.7341600.27280.493590.8041100.5531610.54390.543600.5431110.5031620.754100.342610.6841120.7941630.613110.493620.7741130.6231640.553120.473630.4831140.4321650.503130.613640.5831150.6031660.342140.593650.7441160.7741670.533150.623661.1151170.4931680.513160.523670.7941180.4221690.523170.664681.2451190.5331700.674180.503690.4521200.5831710.392190.563700.7741210.4731720.422200.523710.6541220.5731730.412210.734720.7241230.5831740.553220.372730.6641241.9051750.352230.855741.0251250.4931760.342240.664750.6641260.9151771.055250.493760.7541270.3721780.382260.503770.5931280.4221790.503270.543780.8951290.7541800.392280.563790.7441300.3221810.352290.643800.7541310.6941820.322300.905811.0051320.6031830.483310.533820.4631330.9951840.473320.452830.6331341.0751850.684330.854840.6641350.5131860.372340.794850.4321360.7441870.392350.573860.8541370.5431880.352360.573870.8751380.5231890.593370.623880.6541390.5931900.302380.503890.5231400.3521910.432390.513901.0151410.5131920.285400.694910.8951420.3621930.302411.505920.5731430.4021940.844420.784931.6451440.5731950.523430.834940.6741450.5431960.543440.704950.6531460.4021970.724450.654960.4831470.6541980.593460.503970.7541480.4631990.523470.523980.3621490.5532000.493480.603990.6941500.392SNWS00480.704490.3021000.3621510.855晋大700.593500.5131010.4531520.855晋大730.523510.9051020.7741531.135晋豆140.613 由表2可以看出，属于弱抗旱性的有两份材料，分别是103和159；属于较弱抗旱性的有38个材料，占总体的19%；属于中间抗旱性的有89份材料，占总体的44.5%，其中晋豆14、晋大73、晋大70也属于这一类；属于较强抗旱性的有47份材料，占总体23.5%；SNWS0048属于这一类；强抗旱性的有13份材料，占总体的6.5%，其余的抗旱级别大于1，主要是由于环境等试验误差造成的，具体机理还有待研究。4.结论与讨论4.1结论统计结果表明：叶面积是大豆抗旱育种的一个可靠的形态指标，在相同的条件下进行叶面积的调查，表明叶面积与抗旱性呈正相关；叶面积在群体间基本呈正态分布，表明它是一个受多基因控制的数量性状。4.1.1所有大豆叶面积在PEG胁迫下均小于对照，而在PEG胁迫下大豆叶面积变异范围显著大于对照。4.1.2 BC1F3群体叶面积基本呈正态分布，两种处理的范围都介于双亲之间，有向双亲分离的现象并在一些株系内还存在着超亲优势。4.1.3 BC1F3群体呈现不同的抗旱等级，属中间抗旱性的最多。SNWS0048被划分到较强抗旱性中，晋大73以及对照品种晋豆14和晋大70被划分到中间抗旱性中。4.2讨论4.2.1抗旱育种研究的复杂性抗旱性是一个受多种因素影响的复杂的数量性状，单一指标难以全面准确地反映抗旱性强弱，必须结合多种指标进行综合评价。大豆在干旱胁迫下的表现受多种因素影响，产量的表现除受自身遗传潜力的影响外，同时也存在着基因型与环境的互作，因此必须结合可靠的生理生化指标的测定，才能有效的解决抗旱性这一问题。本研究通过测定水旱条件下大豆叶面积，对杂交后代群体抗旱性进行了初步研究，还需要结合其它生理指标对群体的抗旱性进行深入的研究。4.2.2叶面积对抗旱性的评价在抗旱育种中，创造抗旱种质资源，选配抗旱亲本组合，在分离后代中选择抗旱基因型，特别是育种早期时代，都需要比较简单、比较准确可靠的抗旱性鉴定方法和鉴定指标，经过对200个后代群体材料进行叶面积并对所得数据进行统计分析，得出以下结论：苗期叶面积能反映水分不足时不同植株抗旱性上的差异，也间接的影响到叶面的蒸腾作用和光合作用，从而说明叶面积的变化可以作为评价抗旱的一个重要指标。4.2.3野生大豆的利用 野生大豆具有多花多荚、抗逆性强等许多优点，但由于其蔓生性、籽粒小等缺点而利用较少。本研究利用野生大豆与栽培大豆杂交后回交，所得的BC1F3群体中性状分离明显，且出现了超亲优势。因此，利用野生大豆改良栽培品种的遗传变异以及抗旱性具有重要的现实意义。参考文献1 王绶，吕世霖.大豆M.太原：山西人发出版社，19842 于振文.作物栽培学各论(北方本)M.北京：中国农业出版社，20073 盖钧镒.作物育种学各论.M.北京：中国农业出版，20024 石大伟.作物抗旱指标探讨J.干旱地区农业研究，1984(2):54-635 胡荣海.农作物抗旱鉴定方法和指标J.作物品种资源，1986(4):36-396 黎裕.植物的渗透调节与其它生理过程的关系及其在作物改良中的作用J.植物生理学通讯，1994，30(5):377-3857 杨春杰，张学昆，邹崇顺等.PEG-6000模拟干旱胁迫对不同甘蓝型油菜品种萌发和幼苗生长的影响J.中国油料作物学报，2007(4):425-4308 李振基，宋爱琴.聚乙二醇(PEG)模拟水分胁迫对木荷种子萌发的影响J.福建林业科技，2007，34(4):1-39 Atree, Fowke L. 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