東北野生大豆種群對低鉀脅迫的生理響應(yīng)

李興濤+佟曉楠 +依兵 +王曉光

摘要：以遼寧沈陽周邊地區(qū)99份野生大豆種群為試驗材料，采用盆栽試驗，設(shè)低鉀和施鉀2個處理，研究低鉀脅迫下野生大豆種群生長發(fā)育和產(chǎn)量特性。結(jié)果表明，在低鉀脅迫下群體內(nèi)各單株平均株高、葉面積和單株癥狀葉差異很大，表明野生大豆種群對低鉀脅迫的適應(yīng)性差異分化明顯；低鉀脅迫下植株產(chǎn)量及相關(guān)性狀的變異系數(shù)大小為：單株收獲指數(shù)>地上干物質(zhì)量>單株產(chǎn)量>單株百粒質(zhì)量。可見，遼寧沈陽地區(qū)野生大豆種群對低鉀脅迫有很高的適應(yīng)性分化，存在耐低鉀生態(tài)型。

關(guān)鍵詞：東北野生大豆；種群；低鉀脅迫；生理響應(yīng)

中圖分類號： S5650；Q94578文獻標志碼： A[HK]

文章編號：002-302（204）2-020-03[HS）][HT9SS]

收稿日期：204-03-03

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：327644）。

作者簡介：李興濤（977—），男，甘肅張掖人，博士，講師，從事植物營養(yǎng)逆境相關(guān)研究。E-mail：li-sailor@63com。

通信作者：王曉光，副教授，從事大豆耐低鉀相關(guān)的生理和分子機理研究。E-mail：wxglyj@63com。

[ZK）]

大豆是我國主要的大田作物之一，缺鉀對大豆的產(chǎn)量和品質(zhì)均有較大影響[-2]。我國鉀肥資源缺乏，缺鉀耕地面積日益擴大[3-6]，鉀肥供需矛盾日益突出，因此開展野生大豆鉀營養(yǎng)高效種質(zhì)資源的利用研究，調(diào)查野生大豆鉀營養(yǎng)的基因型差異，不僅可為選育鉀高效基因型提供種質(zhì)資源，而且對于提高土壤中鉀素有效性和鉀肥利用率、探索以生物資源緩解不可再生的礦產(chǎn)資源的虧缺具有重要意義[7]。

野生大豆（Glycine soja）是栽培大豆的近緣野生種，是栽培種大豆的祖先[8]。野生大豆為一年生草本植物，莖纖細、蔓生，具有很強的纏繞性，主莖與分枝分化不明顯，多數(shù)株系有、2級分枝，少數(shù)有3、4級分枝[9-2]。世界范圍內(nèi)以我國野生大豆資源最為豐富，占全世界總量的90%以上[0-2]。野生大豆可與栽培大豆雜交產(chǎn)生可育后代，篩選到的耐低鉀野生大豆資源可以通過雜交將其耐低鉀特性導(dǎo)入栽培大豆。

本研究對遼寧沈陽地區(qū)野生大豆種群在低鉀脅迫條件下進行全生育期的低鉀耐性鑒定，調(diào)查全生育期植株生長發(fā)育和形態(tài)反應(yīng)、土壤生態(tài)適應(yīng)性，并篩選低鉀耐性的株系，以期為野生大豆遺傳資源的低鉀耐性種質(zhì)選擇提供理論參考，從而提供可以應(yīng)用于大豆低鉀耐性改良種的野生大豆種質(zhì)資源。

材料與方法

試驗材料

2008年在遼寧省沈陽市的東陵區(qū)、沈河區(qū)和遼中縣采集99份野生大豆單株材料，采集地區(qū)的氣象和生態(tài)條件相似，在采集地區(qū)土壤中生長的植物葉片有缺鉀癥狀，也有少部分材料生長在小生境條件好的土壤中。

2試驗方法

試驗于2009年5—9月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院實驗基地進行。試驗采用盆栽，所用盆缽為紅色泥瓦盆，盆口直徑 30 cm，盆高35 cm，每盆可填裝過篩后的風(fēng)干土5 kg；供試土壤取自沈陽市遼中縣大黑鄉(xiāng)，土壤類型為耕型沙質(zhì)碳酸鹽草甸土，土壤中堿解氮含量為76 mg/kg，速效磷含量為 7 mg/kg，速效鉀含量42 mg/kg，土壤有機質(zhì)含量為9 mg/kg，土壤pH值70。試驗用土在裝盆前晾干后過篩，設(shè)置為施鉀處理的土壤，每盆均勻混入79 g鉀肥（鉀肥采用硫酸鉀，折算為速效鉀含量50 mg/kg），播種前2 d適量澆水，使土壤保持濕潤。試驗設(shè)低鉀（未施鉀肥）和對照（增施速效鉀50 mg/kg）2個處理。每份材料、每個處理種植盆，共計98盆。氮、磷肥采用磷酸氫二銨，每盆施6 g，補充微肥硫酸鋅，每盆05 g，以底肥形式一次性施入。5月20日播種，每盆在不同位置播5粒種子。低鉀脅迫處理的播種和生育期間管理與對照盆栽處理相同。5月25日開始出苗，6月日定苗，每盆留株形整齊一致的幼苗3株，生長期間除雨天外每 2 d 澆水次，及時拔除盆內(nèi)雜草，及時防治病蟲害。

3觀察、測定與統(tǒng)計

出苗后及時觀察和記錄植株生長發(fā)育狀況，調(diào)查記載項目包括出苗時間、出現(xiàn)癥狀葉數(shù)目、階段生長株高、葉面積、生長速率、單株產(chǎn)量、百粒質(zhì)量、單株干物質(zhì)質(zhì)量和收獲指數(shù)（單株產(chǎn)量/地上干物質(zhì)質(zhì)量）等。每個株系所給出的調(diào)查值都是按株系（盆）為單位測定的3株平均值。用DS 7軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2結(jié)果與分析

2低鉀脅迫下野生大豆農(nóng)藝性狀的變化

低鉀脅迫下，供試野生大豆在苗期營養(yǎng)生長階段（播種后20 d，即出苗后4 d），各株系平均株高2242 cm，對照平均株高2684 cm（表），兩者之間差異不顯著，表明苗期野生大豆種群平均株高生長被抑制的趨勢不顯著。出苗到播種后20 d的4 d中，低鉀脅迫下野生大豆種群的平均日生長速率為60 cm/d，而對照的生長速率為92 cm/d，在此時期群體內(nèi)的變異系數(shù)非常高，達到了2743%，而對照為239%，說明群體內(nèi)株系之間出現(xiàn)了明顯的低鉀適應(yīng)性分化。在營養(yǎng)生長中期（播種后40 d，即出苗后34 d），低鉀脅迫下生長的株系株高被顯著抑制，平均株高56 cm，對照達 6453 cm，二者差異顯著。從播種后20 d到播種后40 d的20 d中，低鉀脅迫下野生大豆種群平均生長速率為 446 cm/d，而對照為688 cm/d；此時期群體內(nèi)變異系數(shù)增大，達到332%，而對照的變異系數(shù)減小，為38%，說明群體內(nèi)株系之間經(jīng)過了苗期的低鉀鍛煉，耐性和敏感性品種的株高分化日趨明顯。

由表還可以看出，供試野生大豆在苗期營養(yǎng)生長階段的葉面積變化情況與株高類似。在播種后20 d，低鉀脅迫下的株系與對照差異不顯著，此時低鉀脅迫群體內(nèi)的變異達到了2589%，對照為2277%，表明群體內(nèi)株系之間葉面積對低鉀表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性分化。在營養(yǎng)生長中期（播種后40 d），低鉀脅迫下的葉面積與對照差異顯著；低鉀脅迫大豆群體內(nèi)變異系數(shù)增加到3484%，對照減小到829%，說明野生大豆群體葉面積對于低鉀脅迫的反應(yīng)差異很大。[FL）]

[FK（W8][HT6H][Z]表低鉀條件下野生大豆的平均株高、葉面積和單株癥狀葉變化[HTSS][STBZ]

[H5][BG（！][BHDFG3，WK7，WK6，WK0，WK6，WK8，WK6，WK，WK6W]播種時間（d）處理株高（cm）株高變異系數(shù)（%）葉面積（cm2）葉面積變異系數(shù)（%）單株癥狀葉比率（%）單株癥狀葉比率變異系數(shù)（%）

[BHDG2]20低鉀脅迫2242±65a2743475±23a2589255±46a5725

[BHDW]對照（CK）2684±574a239584±33a2277000±000b0

[BH]40低鉀脅迫56±3494b33225±392b3484925±735a7946

[BH]對照（CK）6453±873a38553±284a829000±000b0[H][BG）F]

注：同列數(shù)據(jù)后標有不同小寫字母者表示差異顯著（<005）。表2同。[FK）]

[FL（2K2]缺鉀植株會表現(xiàn)出“鑲金邊”的葉部特征，此類葉片稱作缺鉀癥狀葉[3]。對低鉀脅迫和對照處理的野生大豆群體統(tǒng)計缺鉀癥狀葉發(fā)現(xiàn)，在對照條件下沒有出現(xiàn)缺鉀癥狀葉片（表）。在低鉀條件下，苗期營養(yǎng)生長階段的野生大豆群體出現(xiàn)了具有癥狀葉的植株，群體內(nèi)單株癥狀葉比率是255%，從數(shù)值看是非常低，但是群體內(nèi)變異系數(shù)高達5725%，說明此時期低鉀脅迫群體癥狀葉和正常葉的植株差異明顯。到了營養(yǎng)生長中期，低鉀脅迫下的單株癥狀葉比率達到了925%，此時群體內(nèi)變異系數(shù)增加到了7946%。

22低鉀脅迫下野生大豆生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量的變化

對忍受低鉀脅迫的株系進行地上干物質(zhì)量和經(jīng)濟產(chǎn)量構(gòu)成因素等性狀的調(diào)查表明，低鉀脅迫和施鉀處理的野生大豆株系的各項測試指標中，除了收獲指數(shù)，其余都顯著低于對照（表2）。特別是對照和低鉀脅迫的最小值在株系之間的差異相當大，表明很多野生株型對低鉀脅迫很敏感；此外，低鉀脅迫的所有性狀變異系數(shù)都明顯高于對照（CK）。低鉀脅迫株系性狀變異系數(shù)從大到小依次為單株收獲指數(shù)>地上干物質(zhì)質(zhì)量>單株產(chǎn)量>單株百粒質(zhì)量。[FL）]

[FK（W][HT6H][Z]表2低鉀條件下野生大豆的百粒質(zhì)量、收獲指數(shù)、地上干物質(zhì)和單株產(chǎn)量的變化[HTSS][STBZ]

[H5][BG（！][BHDFG42，WK6，WK54W]處理[ZB（][BHDWG2，WK27。2W]單株百粒質(zhì)量（g）單株收獲指數(shù)

[BHDWG3，WK5。2，WK2，WK5，WK5。2，WK2，WK5W]最大值最小值平均值±標準差變異系數(shù)（%）最大值最小值平均值±標準差變異系數(shù)（%）[ZB）W]

[BHDG2，WK6，WK5。2，WK2，WK5，WK5。2，WK2，WK5W]低鉀脅迫26304342±045b369043004023±02a527

[BHDW]對照（CK）30392234±04a7520320022±006a2727

[BHDSG42，WK6，WK54W]處理[ZB（][BHDWG2，WK27。2W]地上干物質(zhì)質(zhì)量（g）單株產(chǎn)量（g）

[BHDWG3，WK5。2，WK2，WK5，WK5。2，WK2，WK5W]最大值最小值平均值±標準差變異系數(shù)（%）最大值最小值平均值±標準差變異系數(shù)（%）[ZB）W]

[BHDG2，WK6，WK5。2，WK2，WK5，WK5。2，WK2，WK5W]低鉀脅迫353582065±523a4903354465±2a4538

[BHDW]對照（CK）584522442666±738b2768565545853±24b2509[H][BG）F][FK）]

[FL（2K2]23低鉀脅迫下野生大豆的耐性系數(shù)

表3表明，基于產(chǎn)量的最大、最小和平均耐性系數(shù)值都高于基于干物質(zhì)量的耐性系數(shù)值。基于干物質(zhì)質(zhì)量的耐性系數(shù)的變異系數(shù)、基于產(chǎn)量的耐性系數(shù)的變異系數(shù)分別為239%、2246%，說明各株系收獲指標對于低鉀脅迫反應(yīng)比較大，兩者之間差異不大，表明野生大豆株系產(chǎn)量和干物質(zhì)質(zhì)量對于低鉀脅迫的反應(yīng)差異不大。對耐性系數(shù)的分布進行考察可知，大部分株系耐性系數(shù)都位于30%～65%之間，分別有8、個株系的干物質(zhì)質(zhì)量耐性系數(shù)、產(chǎn)量耐性系數(shù)超過了65%，有4、3個株系的干物質(zhì)質(zhì)量耐性系數(shù)、產(chǎn)量耐性系數(shù)低于30%（圖），所有品種的耐性系數(shù)呈正態(tài)分布。

3結(jié)論與討論

作物的耐低鉀性狀是復(fù)雜的數(shù)量性狀，是多種因素、多種

[FK（W8][HT6H][Z]表3低鉀條件下野生大豆的耐性系數(shù)[HTSS][STBZ]

[H5][BG（！][BHDFG5，WK5，WK7，WK5，WK7，WK5W]類別基于干物質(zhì)質(zhì)量的耐性系數(shù)（%）基于干物質(zhì)質(zhì)量的耐性系數(shù)的變異系數(shù)（%）基于產(chǎn)量的耐性系數(shù)（%）基于產(chǎn)量的耐性系數(shù)的變異系數(shù)（%）

[BHDG2]最大值68827477

[BHDW]最小值23342599

[BH]平均值486±723955±572246[H][BG）F][FK）]

生理機制共同作用的結(jié)果[4]，最終通過各種性狀在不同發(fā)育時期的一系列變化體現(xiàn)出來[5-6]。近年來，學(xué)者們報道了諸多作物，包括大豆篩選耐低鉀基因型的研究結(jié)果[，7-9]，但是關(guān)于栽培種大豆祖先的野生大豆低鉀耐性研究并未見報道。本研究結(jié)果表明，低鉀條件下，野生大豆群體苗期營養(yǎng)生長階段[CM（25]（播種后20[KG3]d，即出苗后4[KG3]d）的株高、葉面積和癥狀葉對[CM）][FL）]

[FK（W2][TLXTtif][FK）]

[FL（2K2]于低鉀脅迫已經(jīng)有了反應(yīng)，變異系數(shù)均高于對照，對低鉀脅迫產(chǎn)生了適應(yīng)性分化。到了營養(yǎng)生長中期（播種后40 d，出苗后 34 d），對照調(diào)查指標的變異系數(shù)明顯減小，而低鉀脅迫群體的變異系數(shù)增大，都高于對照，也高于苗期，尤其是癥狀葉的變異系數(shù)達到了7946%，說明低鉀癥狀葉是很好的低鉀指示性狀，能敏感地體現(xiàn)植株是否缺鉀，同時也能說明植株對低鉀是耐性還是敏感。

本研究所調(diào)查的遼寧沈陽周邊地區(qū)土地在近年來日益缺鉀，該地區(qū)的野生大豆種群長期在此生態(tài)環(huán)境下生長，小生境異質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性選擇、種群內(nèi)株系間微環(huán)境差異可能發(fā)揮適應(yīng)性選擇作用，因此種群內(nèi)存在低鉀耐受性不同的基因型。由研究結(jié)果可知，低鉀脅迫下野生大豆各株系測定指標和變異系數(shù)表明該地域種群內(nèi)株系表現(xiàn)出很大的變異；另一方面也表明該地域的種群內(nèi)耐低鉀脅迫的生態(tài)適應(yīng)分化程度相當高。測定的與株系產(chǎn)量有關(guān)的幾個性狀中，低鉀脅迫下最容易變異或可塑性從大到小依次為單株收獲指數(shù)、地上干物質(zhì)質(zhì)量、單株產(chǎn)量、單株百粒質(zhì)量。

本研究發(fā)現(xiàn)，在低鉀脅迫土壤條件下，種群平均收獲指數(shù)沒有發(fā)生任何變化，但是個體株系間發(fā)生明顯分化。干物質(zhì)耐性系數(shù)、產(chǎn)量耐性系數(shù)的變異系數(shù)分別達到了239%、2246%，篩選到高低鉀耐性，產(chǎn)量耐性系數(shù)超過65%的株系達到了個，可用于大豆低鉀耐性育種。同時研究發(fā)現(xiàn)，這些低鉀耐性種質(zhì)在產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素性狀上也表現(xiàn)不同的耐低鉀性狀，可以作為低鉀耐性生物學(xué)研究中研究產(chǎn)量相關(guān)基因的寶貴遺傳材料。

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