干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因抗旱大豆與不同碳代謝途徑雜草生存競爭的研究

王靖宇， 丁 偉， Muhammad Shahid Khan，3， 程 茁， 戴航宇

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院植保系，黑龍江哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030； 3.The University of Agricultural Peshawar，Pakistan 1599107)

通信作者：丁 偉，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)藥生態(tài)安全與轉(zhuǎn)基因作物安全評價(jià)。E-mail：690491811@qq.com。

目前，全球變暖已然成為國際社會(huì)廣泛關(guān)注的問題與焦點(diǎn)。政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第四次評估報(bào)告指出，過去100年內(nèi)全球地表溫度上升了0.74 ℃，尤以北半球高緯度地區(qū)最為明顯[1-2]。中國的氣候變暖趨勢與全球變化趨勢相似，近100年氣溫升幅為0.5～0.8 ℃，尤以北方地區(qū)氣溫升幅最為明顯，平均每10年增長0.38 ℃[3]。受全球溫度升高等大背景環(huán)境的影響，我國大豆主產(chǎn)區(qū)正面臨干旱這一逆境的影響，造成減產(chǎn)[4]。轉(zhuǎn)基因抗旱大豆的培育，對于解決干旱造成的大豆產(chǎn)量和品質(zhì)降低這一生產(chǎn)難題具有重要的實(shí)踐意義[5]。本研究擬探討干旱條件下，轉(zhuǎn)基因抗旱大豆與雜草的競爭關(guān)系，為轉(zhuǎn)基因抗旱大豆安全性評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

已有研究表明，溫度升高關(guān)系到所有植物的生理生化過程，同時(shí)也會(huì)改變?nèi)郝溟g物種的競爭關(guān)系[6]。關(guān)于氣候變化下C3、C4植物的研究大多集中在CO2濃度、降水等氣候因素的變化方面，以及對不同碳代謝類型的作物與雜草競爭關(guān)系的影響方面[7-9]。鮮有關(guān)于干旱脅迫下抗旱作物與C3、C42種類型雜草競爭關(guān)系的研究。本研究擬為全球變暖背景下C3、C42種類型雜草與作物競爭關(guān)系的變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，探討抗旱大豆田中C3、C42種類型雜草的競爭優(yōu)勢，同時(shí)也為抗旱大豆田間雜草管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試大豆品種為轉(zhuǎn)DREB3基因抗旱大豆T-DREB3-1，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆生物學(xué)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供；供試雜草苘麻(C3代謝途徑)和反枝莧(C4代謝途徑)，采集于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地。試驗(yàn)于2015年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)轉(zhuǎn)基因作物試驗(yàn)基地進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田間試驗(yàn)方法，大豆種植密度為25萬株/hm2，采用穴播，同時(shí)播種苘麻和反枝莧2種類型雜草種子，大豆與雜草出苗后間苗，形成田間雜草的不同密度。共設(shè)13個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)12次重復(fù)(詳見表1)。大豆初花期開始連續(xù)干旱脅迫，25 d左右時(shí)，停止干旱脅迫并取樣測定。在整個(gè)生育期采用人工除草的方法控制田間其他雜草。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)置

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤含水量測定 采用Stevens POGOⅡ土壤水分測定儀對土壤水分含量進(jìn)行測定。在對大豆進(jìn)行干旱脅迫期間，每天監(jiān)測，在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3點(diǎn)，測定大豆根系附近土壤的水分含量。

1.3.2 樣品的測定 在停止干旱脅迫時(shí)，取樣分別測定各處理單株大豆、雜草的株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、根瘤數(shù)、根瘤質(zhì)量等。采用美國產(chǎn)的LI-6400XT便攜式光合速率測定儀，選擇晴天09：00—11：00測定大豆葉片的光合速率。同時(shí)，參照Ding等提出的分光光度比色法[10-11]測定大豆葉綠素含量，參照Zablotowicz等介紹的方法[12-13](稍加改動(dòng))測定大豆根瘤固氮酶活性。每個(gè)處理取2株具有根瘤的大豆放入瓶中，蓋緊橡皮塞，先用注射器從瓶中抽出5.0 mL空氣，再向瓶中注入5.0 mL乙炔，在室溫下反應(yīng)2 h，用微量進(jìn)樣器分別抽取1.0 mL反應(yīng)瓶中的混合氣體，注入氣相色譜儀。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理，采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量變化

圖1為利用Stevens POGOⅡ土壤水分測定儀測定的距地表5、10 cm土層土壤含水量變化，為期25 d。

2.2 干旱脅迫下大豆與不同碳代謝途徑雜草生物量的變化

2.2.1 干旱脅迫及雜草競爭下大豆生物量的變化 由表2可知，大豆與C3雜草苘麻混栽的處理中，大豆株高均顯著高于對照大豆的株高，而鮮質(zhì)量、干質(zhì)量則顯著低于對照大豆的相應(yīng)值。在大豆與C4雜草反枝莧混栽處理中，大豆株高顯著高于對照大豆的株高。處理4、處理5、處理6大豆鮮質(zhì)量、干質(zhì)量顯著低于對照大豆的相應(yīng)值。在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆分別與1株、2株、3株雜草混栽的處理中，大豆地上部與地下部干質(zhì)量均表現(xiàn)出如下規(guī)律：處理1>處理4，處理2>處理5，處理3>處理6，且基本上差異顯著；處理3顯著低于處理1與處理2，處理6顯著低于處理4與處理5，且均顯著低于對照處理質(zhì)量(表2)。表明C4雜草反枝莧對抗旱大豆干物質(zhì)的抑制作用要大于C3雜草苘麻對轉(zhuǎn)基因抗旱大豆干物質(zhì)的抑制作用。

2.2.2 干旱脅迫及雜草競爭對大豆根瘤固氮的影響 表3與大豆根瘤固氮相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)表明，混栽處理的大豆各指標(biāo)值均顯著低于對照組大豆相應(yīng)指標(biāo)值。在大豆與雜草混栽處理中，處理2、處理3中抗旱大豆的根瘤數(shù)、根瘤鮮質(zhì)量，以及根瘤固氮酶活性均分別高于處理5與處理6中抗旱大豆的相應(yīng)指標(biāo)，且差異顯著，表明C4雜草反枝莧對抗旱大豆根瘤固氮的抑制作用要大于C3雜草苘麻對轉(zhuǎn)基因抗旱大豆根瘤固氮的抑制作用。

表2 干旱脅迫及雜草競爭下大豆形態(tài)相關(guān)指標(biāo)的變化

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著，下表同。

表3 干旱脅迫及雜草競爭對大豆根瘤固氮的影響

2.2.3 干旱脅迫及大豆競爭下雜草生物量的變化 由表4可知，雜草株高受大豆的影響較小，處理1、處理2、處理3間無顯著差異，處理4、處理5、處理6間無顯著差異。混栽處理中，雜草株高不受大豆存在的影響。在苘麻單栽與反枝莧單栽的處理中，雜草株高隨密度的增加而遞減，且都低于與大豆混栽處理中雜草的株高。雜草在地上鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量、地下鮮質(zhì)量、地下干質(zhì)量方面表現(xiàn)出的趨勢亦大致相似。

表4 干旱脅迫及大豆競爭下雜草形態(tài)相關(guān)指標(biāo)的變化

2.3 干旱脅迫對大豆和雜草光合特性的影響

2.3.1 干旱脅迫及雜草競爭下大豆光合特性的變化 由表5可知，雜草對轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆光合特性指標(biāo)的影響較大。有雜草存在的混栽組合中大豆的葉綠素含量、光合速率均低于對照組單栽大豆的葉綠素含量和光合速率。轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆的葉綠素含量受雜草密度的影響較大，具體表現(xiàn)為處理1、處理2>處理3；處理4、處理5>處理6；處理1與處理2，處理4與處理5間差異不顯著。由大豆葉綠素含量可知，處理2>處理5，處理3>處理6，C4代謝雜草反枝莧對大豆在葉綠素含量上的抑制效果大于C3代謝雜草苘麻對抗旱大豆葉綠素含量的抑制效果。

在大豆光合速率方面，處理1與處理4，處理3與處理6間差異不顯著。光合速率表現(xiàn)為處理7最大，且顯著高于其他6個(gè)處理，處理1、處理2>處理3，處理4、處理5>處理6，且差異顯著；此外，處理2>處理5，處理3>處理6，且差異顯著，C4代謝雜草反枝莧對大豆光合速率的影響大于C3代謝雜草苘麻對大豆光合速率的影響。

表5 干旱脅迫及雜草競爭下大豆光合特性指標(biāo)的變化

2.3.2 干旱脅迫及大豆競爭下雜草光合特性的變化 由表6可知，處理1、處理2、處理3的雜草在葉綠素含量和光合速率上無顯著差異。在單栽雜草的處理中，雜草葉綠素含量表現(xiàn)為處理8與處理9，處理9與處理10間差異不顯著，處理8與處理10間差異顯著，處理12與處理13間差異不顯著，處理11葉綠素含量顯著高于處理12和處理13。在單栽雜草的處理中，雜草光合速率表現(xiàn)為處理8>處理9，處理8>處理10，處理9與處理10間無顯著差異；處理11與處理12間無顯著差異，但都顯著高于處理13。

表6 干旱脅迫及大豆競爭下雜草光合特性指標(biāo)的變化

3 討論與結(jié)論

在植物的整個(gè)生育過程中，溫度一直扮演著重要角色，氣溫升高會(huì)不同程度地影響植物的生長、繁殖，還會(huì)影響植物光合、水分利用等生理過程[14-15]。同樣，植物也會(huì)調(diào)整自身形態(tài)及生理活動(dòng)以適應(yīng)氣候變暖的環(huán)境，從而影響作物與雜草的競爭關(guān)系。陸生高等植物主要通過2種光合作用途徑固定O2，相應(yīng)地分為C3植物和C4植物。C3植物和C4植物在生態(tài)環(huán)境、光合生理特性、水分利用效率等方面具有顯著差異[16-17]。C4植物在高溫、強(qiáng)光、干旱條件下能夠利用有限的水分和低濃度O2保持較高的光合能力與水分利用率。C4植物具有高光合能力，而植物干質(zhì)量的90%以上是通過光合作用合成的[18]。本研究探討在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆與C3雜草苘麻、C4雜草反枝莧間生存競爭關(guān)系，結(jié)果表明，大豆與雜草混栽的處理中，大豆的生物量與光合特性都顯著低于對照組大豆單栽的生物量與光合特性，苘麻與反枝莧的生存競爭對大豆生長產(chǎn)生了抑制作用，轉(zhuǎn)DREB基因抗旱大豆在與雜草的競爭中表現(xiàn)出劣勢，其中C4代謝途徑雜草反枝莧比C3代謝途徑雜草苘麻的抑制作用更強(qiáng)。

同一處理中大豆的株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量形態(tài)相關(guān)指標(biāo)都等低于雜草苘麻和反枝莧，是因?yàn)殡s草生育期短，比大豆更早進(jìn)入穩(wěn)定期。雜草株高遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大豆，在整個(gè)生育期會(huì)對大豆產(chǎn)生遮蓋而影響大豆生長發(fā)育[19]、光合生理[20]，最終導(dǎo)致減產(chǎn)[21-23]。相比于單栽大豆，雜草與大豆競爭光照、水分、養(yǎng)分等，混栽大豆的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、葉綠素含量等低于對照組相應(yīng)指標(biāo)，而混栽雜草與對照相比長勢更好，可能是受大豆固氮功能的影響[24]。

干旱脅迫下C3雜草苘麻、C4雜草反枝莧在與大豆的生存競爭中均處于優(yōu)勢地位，雜草的生物量與光合特性均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。混栽大豆株高、鮮質(zhì)量、根瘤固氮酶活性均顯著降低，其中，C4雜草比C3雜草對大豆的競爭優(yōu)勢更強(qiáng)。混栽大豆長勢低于單栽大豆，而混栽雜草長勢優(yōu)于單栽雜草。

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