不同土壤水分下大豆根冠互作對產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的影響

李盛有，董麗杰，王雅珍，曹永強(qiáng)，閆春娟，王文斌，宋書宏

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，遼寧 沈陽 100161)

大豆是我國最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。從當(dāng)前大豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢來看，干旱頻發(fā)和水資源日益減少是限制大豆產(chǎn)量可持續(xù)增長的關(guān)鍵環(huán)境脅迫因子[1-2]。選育耐旱型品種對于保證大豆產(chǎn)量穩(wěn)定具有重要意義。

大豆的生長發(fā)育是一個(gè)地上部與根系相互影響、相互促進(jìn)的過程[3-5]。土壤缺水條件下，大豆植株根系與地上部間的相互調(diào)節(jié)對抵御水分脅迫起到了重要作用。研究表明，適度干旱脅迫限制了地上部植株的生長，但促進(jìn)了早期根系的生長來吸收更多的水分，維持較高的水分利用效率，從而并未帶來大豆產(chǎn)量的大幅降低[6-7]。但若在營養(yǎng)生長階段遭受嚴(yán)重和長期干旱脅迫，會導(dǎo)致大豆植株停止生長，干物質(zhì)生產(chǎn)嚴(yán)重受阻，最終也會帶來減產(chǎn)[8-9]。大豆對干旱脅迫最敏感的時(shí)期是在大豆生殖生長階段[6]。其中，開花結(jié)莢期水分脅迫能大大降低單株有效莢數(shù)，鼓粒始期水分脅迫則會降低粒重，兩個(gè)不同生長時(shí)期產(chǎn)量分別降低18%和22%[10]。

近年來，國內(nèi)研究者通過產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀和生理指標(biāo)對不同大豆種質(zhì)資源的抗旱性進(jìn)行了精準(zhǔn)鑒定，篩選出一批耐旱型材料[11-15]。然而，由于根冠互作的存在，以往研究無法明確這些材料的耐旱性是得益于地上部性狀的貢獻(xiàn)還是根系的貢獻(xiàn)，亦或是二者共同的作用。本研究以不同耐旱型品種進(jìn)行相互嫁接，明確結(jié)莢期干旱脅迫下大豆根冠互作對產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的影響，從而為大豆抗旱育種提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的耐旱型大豆品種遼豆14(L14)和干旱敏感型大豆品種遼豆21(L21)作為試材[16]，于子葉期采用劈接法對大豆植株進(jìn)行嫁接，具體嫁接方法參照Pantalone等[17]。嫁接處理包括2個(gè)不嫁接處理L14和L21，以及4個(gè)相互嫁接處理L14/L14、L21/L21、L14/L21和L21/L14(表1)。其中，L14/L14和L21/L21分別為自身嫁接植株，L14/L21為L14接穗嫁接至L21砧木，L21/L14為L21接穗嫁接至L14砧木。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018—2019年連續(xù)2年在遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地自動(dòng)抗旱棚內(nèi)進(jìn)行。盆栽用土來自大田，土壤理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)含量22.30 g·kg-1，總氮含量1.91 g·kg-1，速效氮含量0.09 g·kg-1，速效磷含量0.01 g·kg-1，速效鉀含量0.11 g·kg-1，pH為6.8，田間持水量為26.5%。待幼苗期嫁接植株成活后(成活率>90%)，將嫁接植株和不嫁接植株統(tǒng)一移栽至室外盆栽(25 cm×20 cm×30 cm塑料桶，12.5 kg土)中。每盆定苗2株，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù),各試驗(yàn)處理見表1。于結(jié)莢期開始控水處理，持續(xù)20 d，而后開始恢復(fù)正常供水。供水處理(WW)使土壤含水量保持在田間持水量的80%，水分脅迫處理(WS)使土壤含水量保持在田間持水量的50%。每天用稱重法測定土壤含水量，補(bǔ)水至設(shè)定值。

1.3 測定項(xiàng)目

于成熟期收獲地上部植株并進(jìn)行室內(nèi)考種，測定株高、主莖節(jié)數(shù)、主莖干重、分枝數(shù)、分枝干重、莢數(shù)、癟莢率、莢重、粒數(shù)和粒重。測定莢數(shù)、莢重、粒數(shù)和粒重時(shí)，分別將主莖與分枝分開進(jìn)行，并且測定主莖每節(jié)的有效莢數(shù)。每個(gè)處理測定3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行。采用一般線性模型進(jìn)行分析，包括2個(gè)水分處理、6個(gè)嫁接處理和2年試驗(yàn)。其中，水分處理、嫁接處理和水分處理×嫁接處理作為固定因子，水分處理×年份、嫁接處理×年份和水分處理×嫁接處理×年份為隨機(jī)因子。多重比較采用最小顯著差異法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤水分下大豆根冠互作對株型性狀的影響

方差分析表明，株高、主莖節(jié)數(shù)和分枝數(shù)在不同嫁接植株間存在極顯著差異(P<0.01)，在不同水分處理間無顯著差異(P>0.05)，但分枝數(shù)在水分處理與基因型間存在顯著的互作效應(yīng)(P<0.05)。總體來看，自身嫁接植株與不嫁接植株間株高、主莖節(jié)數(shù)和分枝數(shù)無明顯差異(表1)。水分脅迫使L14/L21、L21/L21 和L21/L14的分枝數(shù)分別降低了24.5%、26.8%和20.7%，而使L14/L14的分枝數(shù)提高了10.3%。株高和主莖節(jié)數(shù)主要受到接穗基因型影響。在正常供水和水分脅迫下，與L21/L21相比，L14/L21的株高分別提高了22.6%和10.0%，主莖節(jié)數(shù)分別提高了22.0%和15.9%，分枝數(shù)分別提高了88.9%和94.6%；與L21/L14相比，L14/L14的株高分別提高了25.9%和19.8%，主莖節(jié)數(shù)分別提高了17.2%和14.8%，分枝數(shù)分別提高了34.6%和87.2%；相比于L21接穗，L14接穗的株高分別平均提高24.3%和14.8%，主莖節(jié)數(shù)分別平均提高19.6%和15.3%，分枝數(shù)分別平均提高60.2%和90.6%。

表1 不同大豆嫁接植株株高、主莖節(jié)數(shù)和 分枝數(shù)對水分脅迫的響應(yīng)

2.2 不同土壤水分下大豆根冠互作對干物質(zhì)積累與分配的影響

方差分析表明，主莖干重、分枝干重、主莖莢干重、分枝莢干重和地上部干重在不同嫁接植株間存在極顯著差異(P<0.01)，在不同水分處理間存在極顯著差異(P<0.01)，并且在水分處理與基因型間存在顯著的互作效應(yīng)(P<0.05)。由圖1可見，自身嫁接與不嫁接植株間主莖干重、分枝干重、主莖莢干重、分枝莢干重和地上部干重?zé)o顯著差異。水分脅迫使大豆植株地上部干重顯著降低，但不同嫁接植株的下降程度存在差異。其中，L21/L21的下降幅度較大，主莖干重、分枝干重、主莖莢干重、分枝莢干重和地上部干重分別下降了19.7%、11.3%、23.7%、55.1%和33.2%，而L14/L14、L14/L21和L21/L14下降幅度較小，主莖干重、分枝干重、主莖莢干重、分枝莢干重和地上部干重分別平均下降了4.0%、2.3%、27.4%、23.4%和17.8%。在正常供水和水分脅迫下，與L21/L21相比，L14/L14地上部干重分別顯著提高了55.9%和92.1%，其中，分枝莢重的提高幅度大于主莖莢重，分枝莢重分別顯著提高了56.7%和186.4%；與L21/L21相比，L14/L21地上部干重分別顯著提高了58.3%和82.0%，其中，分枝莢重的提高幅度大于主莖莢重，分枝莢重分別顯著提高了52.7%和164.9%；與L21/L21相比，L21/L14地上部干重分別提高了7.8%和41.5%，其中，主莖莢重的提高幅度大于分枝莢重，主莖莢重分別顯著提高了35.9%和57.3%。

2.3 不同土壤水分下大豆根冠互作對莢數(shù)的影響

注：不同小寫字母表示嫁接處理×水分處理下差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters mean the significant difference among grafting × water treatment interaction (P<0.05).圖1 不同大豆嫁接植株各組織干物質(zhì)重對水分脅迫的響應(yīng)Fig.1 Response of dry mass of each tissue on different soybean grafts to water stress

方差分析表明，主莖莢數(shù)、分枝莢數(shù)、單株莢數(shù)、主莖癟莢率、分枝癟莢率和單株癟莢率在不同嫁接植株間存在極顯著差異(P<0.01)，在不同水分處理間存在極顯著差異(P<0.01)，并且在水分處理與基因型間存在顯著的互作效應(yīng)(P<0.05)。由表2可知，水分脅迫降低了大豆的主莖莢數(shù)、分枝莢數(shù)和單株莢數(shù)，提高了主莖癟莢率、分枝癟莢率和單株癟莢率。其中，L21/L21的變化幅度較大，主莖節(jié)數(shù)、分枝莢數(shù)和單株莢數(shù)分別降低了22.5%、16.3%和19.8%，主莖癟莢率、分枝癟莢率和單株癟莢率分別提高了122.1%、84.5%和107.0%；而L14/L14、L14/L21和L21/L14變化幅度則較小，主莖節(jié)數(shù)、分枝莢數(shù)和單株莢數(shù)分別平均降低了17.0%、2.4%和8.5%，主莖癟莢率、分枝癟莢率和單株癟莢率分別平均提高了55.9%、57.8%和54.7%。在正常供水和水分脅迫下，與L21/L21相比，L14/L14單株莢數(shù)分別顯著提高了73.9%和96.1%，主要得益于分枝具有較多的莢數(shù)和較低的癟莢率，分枝莢數(shù)分別提高了159.4%和201.4%，分枝癟莢率分別降低了57.0%和58.0%；與L21/L21相比，L14/L21單株莢數(shù)分別顯著提高了66.1%和88.5%，也主要得益于分枝具有較多的莢數(shù)和較低的癟莢率，分枝莢數(shù)分別提高了160.4%和194.4%，分枝癟莢率分別降低了58.6%和62.8%；與L21/L21相比，L21/L14單株莢數(shù)分別顯著提高了10.0%和27.4%，主要得益于主莖具有較多的莢數(shù)和較低的癟莢率，主莖莢數(shù)分別提高了18.5%和32.3%，主莖癟莢率分別降低了22.0%和48.6%。

表2 不同大豆嫁接植株莢數(shù)和癟莢率對水分脅迫的響應(yīng)

進(jìn)一步分析表明，不同嫁接植株主莖莢的分布特點(diǎn)存在明顯差異(圖2)。L14、L14/L14和L14/L21的主莖莢分布于第5節(jié)位至第25節(jié)位，平均每個(gè)節(jié)位2個(gè)莢；而L21、L21/L21和L21/L14的主莖莢分布于第4節(jié)位至第20節(jié)位，但主要集中分布于第6節(jié)位至第15節(jié)位，平均每個(gè)節(jié)位3.9個(gè)莢。雖然砧木基因型并未改變主莖莢的分布特征，但會影響每節(jié)位著莢數(shù)量。與L21/L21相比，L21/L14正常供水下平均每個(gè)節(jié)位增加了0.5個(gè)莢，而水分脅迫下平均每個(gè)節(jié)位增加了0.7個(gè)莢，其中，在第9節(jié)位至第15節(jié)位間，平均每個(gè)節(jié)位增加了1.6個(gè)莢。

圖2 不同大豆嫁接植株主莖莢數(shù)的分布Fig.2 Distribution of number of pod on stem of different soybean grafts

2.4 不同土壤水分下大豆根冠互作對產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響

方差分析表明，單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重在不同基因型間存在極顯著差異(P<0.01)，在不同水分脅迫處理間存在極顯著差異(P<0.01)，并且在水分處理與基因型間存在極顯著的互作效應(yīng)(P<0.01)。由表3可知，自身嫁接與不嫁接植株間單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重?zé)o顯著差異。水分脅迫降低了大豆的單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重，其中，L21/L21的下降幅度較大，單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重分別顯著下降了36.4%、15.6%和46.4%，而L14/L14、L14/L21和L21/L14下降幅度較小，單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重分別平均下降了25.9%、6.60%和31.3%。在正常供水和水分脅迫下，與L21/L21相比，L14/L14的單株粒數(shù)分別提高了57.5%和87.8%，單株粒重分別提高了21.1%和64.6%，粒數(shù)和粒重的提高幅度在主莖與分枝間無差異；與L21/L21相比，L14/L21的單株粒數(shù)分別提高了52.7%和67.4%，單株粒重分別提高了18.6%和45.2%，粒數(shù)和粒重的提高幅度在主莖與分枝間也無差異；與L21/L21相比，L21/L14的單株粒數(shù)分別提高了0.8%和21.7%，百粒重分別提高了0.9%和5.2%，單株粒重分別提高了1.6%和20.4%，主要得益于主莖著粒數(shù)和粒重的提高，主莖粒數(shù)分別提高了27.3%和37.5%，主莖粒重分別提高了28.4%和44.7%。

表3 不同大豆嫁接植株產(chǎn)量相關(guān)性狀對水分脅迫的響應(yīng)

3 討論與結(jié)論

為了研究大豆地上部與根系間的相互作用，許多研究者將嫁接技術(shù)進(jìn)行了諸多研究[17-18]。本研究通過嫁接試驗(yàn)表明，大豆地上部農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量主要由地上部基因型決定，但水分脅迫下會受到根系基因型的較大影響。

大豆開花與結(jié)莢期遭遇干旱脅迫，產(chǎn)量下降幅度最大[19]。一方面主要是由于干旱引起的光合能力下降，碳水化合物供應(yīng)能力不足[20]。不同耐旱基因型大豆的光合作用對水分脅迫的響應(yīng)存在明顯差異[21-22]。水分脅迫下光合作用的穩(wěn)定與否是衡量大豆耐旱性的一個(gè)重要指標(biāo)[23]。前期研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下遼豆14葉片仍能維持較高的光合速率，主要?dú)w因于非氣孔因素[24]。本研究表明，在不同土壤水分下，遼豆14接穗的莢重和植株生物量均顯著高于遼豆21接穗，這與閆春娟等[16]研究結(jié)果基本一致。另一方面，土壤干旱引起根系脫落酸的大量合成，并積累于花莢中，最終導(dǎo)致落花率和落莢率的增加[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下遼豆14接穗與遼豆21接穗相比，分枝上具有較多的莢數(shù)和較低的癟莢率，從而導(dǎo)致較高的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和單株粒重，分別顯著增加了88.5%、67.4%和45.2%。由此說明，干旱脅迫下遼豆14葉片具有較強(qiáng)的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力，改善了同化物對花莢發(fā)育的供應(yīng)水平，從而能夠形成相對較多的單株粒數(shù)。

眾所周知，大豆根系不僅具有養(yǎng)分和水分的吸收以及信號傳遞的功能，并且具有與其共生的根瘤固氮菌，在調(diào)控地上部組織的生長和發(fā)育中起著極為重要的作用[26-27]。根系的重要性雖早已為國內(nèi)外研究者們所注意，但由于土壤限制了研究者對根系的觀察和測定，對作物根系性狀的相關(guān)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于對地上部性狀的相關(guān)研究[28]。本研究表明，砧木基因型對大豆的株高、主莖節(jié)數(shù)和分枝數(shù)無顯著影響，但對單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重存在顯著影響。Pantalone 等[17]研究表明，大豆抗旱種質(zhì)資源PI416937作為砧木能夠使其它基因型大豆接穗籽粒干重獲得顯著提高。前期研究發(fā)現(xiàn)，在正常供水條件下，遼豆14作為砧木在生育后期具有較高的根系生理活性，可以顯著提高當(dāng)代育成品種的光合速率[29]，從而提高百粒重和單株產(chǎn)量[30]。在水分脅迫下，嫁接遼豆14砧木同樣能夠使遼豆21接穗的葉片相對含水量、光合速率、Rubisco羧化效率顯著提高[24]。在本研究中，嫁接遼豆14砧木使水分脅迫下的遼豆21接穗的單株莢重、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重顯著提高了45.8%、27.4%、21.7%、5.2%和20.4%。其中，莢粒數(shù)的提高主要得益于主莖上較多的有效莢數(shù)和較低的癟莢率。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，遼豆21接穗嫁接遼豆14砧木后，主莖第9節(jié)位至第15節(jié)位間，平均每個(gè)節(jié)位增加了1.6個(gè)莢。因此，通過根系改良也是提高干旱下大豆產(chǎn)量的一條重要途徑。

綜上所述，在正常供水和水分脅迫下，與遼豆21相比，遼豆14接穗的株高平均提高24.3%和14.8%，主莖節(jié)數(shù)分別平均提高19.6%和15.3%，分枝數(shù)分別平均提高60.2%和90.6%，單株生物量平均提高57.1%和87.1%，單株莢數(shù)平均提高70.0%和92.3%，分枝莢數(shù)平均提高159.9%和197.9%，分枝癟莢率平均降低57.8%和60.4%，最終單株粒重平均提高19.9%和54.9%。與遼豆21自身嫁接植株相比，水分脅迫下，嫁接遼豆14砧木使單株莢重、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重分別顯著提高了45.8%、27.4%、21.7%、5.2%和20.4%，產(chǎn)量性狀的提高與主莖第9～15節(jié)位間有效莢數(shù)的提高有關(guān)。因此，在品種選育過程中，在對地上部產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行改良的同時(shí)，也要關(guān)注根系性狀的選擇，從而提高大豆品種的抗旱性。