不同土壤水分下大豆根冠互作對產量和農藝性狀的影響

李盛有，董麗杰，王雅珍，曹永強，閆春娟，王文斌，宋書宏

(遼寧省農業科學院作物研究所，遼寧 沈陽 100161)

大豆是我國最重要的經濟作物之一，在我國農業生產中占有極其重要的地位。從當前大豆產業發展形勢來看，干旱頻發和水資源日益減少是限制大豆產量可持續增長的關鍵環境脅迫因子[1-2]。選育耐旱型品種對于保證大豆產量穩定具有重要意義。

大豆的生長發育是一個地上部與根系相互影響、相互促進的過程[3-5]。土壤缺水條件下，大豆植株根系與地上部間的相互調節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量的大幅降低[6-7]。但若在營養生長階段遭受嚴重和長期干旱脅迫，會導致大豆植株停止生長，干物質生產嚴重受阻，最終也會帶來減產[8-9]。大豆對干旱脅迫最敏感的時期是在大豆生殖生長階段[6]。其中，開花結莢期水分脅迫能大大降低單株有效莢數，鼓粒始期水分脅迫則會降低粒重，兩個不同生長時期產量分別降低18%和22%[10]。

近年來，國內研究者通過產量、農藝性狀和生理指標對不同大豆種質資源的抗旱性進行了精準鑒定，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還是根系的貢獻，亦或是二者共同的作用。本研究以不同耐旱型品種進行相互嫁接，明確結莢期干旱脅迫下大豆根冠互作對產量和農藝性狀的影響，從而為大豆抗旱育種提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用遼寧省農業科學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行嫁接，具體嫁接方法參照Pantalone等[17]。嫁接處理包括2個不嫁接處理L14和L21，以及4個相互嫁接處理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 試驗設計

試驗于2018—2019年連續2年在遼寧農業科學院試驗基地自動抗旱棚內進行。盆栽用土來自大田，土壤理化性質為有機質含量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，隨機區組排列，3次重復,各試驗處理見表1。于結莢期開始控水處理，持續20 d，而后開始恢復正常供水。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，補水至設定值。

1.3 測定項目

于成熟期收獲地上部植株并進行室內考種，測定株高、主莖節數、主莖干重、分枝數、分枝干重、莢數、癟莢率、莢重、粒數和粒重。測定莢數、莢重、粒數和粒重時，分別將主莖與分枝分開進行，并且測定主莖每節的有效莢數。每個處理測定3次重復。

1.4 數據統計

數據分析采用SPSS 17.0軟件進行。采用一般線性模型進行分析，包括2個水分處理、6個嫁接處理和2年試驗。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×年份為隨機因子。多重比較采用最小顯著差異法。

2 結果與分析

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、主莖節數和分枝數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)，但分枝數在水分處理與基因型間存在顯著的互作效應(P<0.05)。總體來看，自身嫁接植株與不嫁接植株間株高、主莖節數和分枝數無明顯差異(表1)。水分脅迫使L14/L21、L21/L21 和L21/L14的分枝數分別降低了24.5%、26.8%和20.7%，而使L14/L14的分枝數提高了10.3%。株高和主莖節數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%，主莖節數分別提高了22.0%和15.9%，分枝數分別提高了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%，主莖節數分別提高了17.2%和14.8%，分枝數分別提高了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%，主莖節數分別平均提高19.6%和15.3%，分枝數分別平均提高60.2%和90.6%。

表1 不同大豆嫁接植株株高、主莖節數和 分枝數對水分脅迫的響應

2.2 不同土壤水分下大豆根冠互作對干物質積累與分配的影響

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(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無顯著差異。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重對水分脅迫的響應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、分枝莢數、單株莢數、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(P<0.05)。由表2可知，水分脅迫降低了大豆的主莖莢數、分枝莢數和單株莢數，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，主莖節數、分枝莢數和單株莢數分別降低了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，主莖節數、分枝莢數和單株莢數分別平均降低了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和較低的癟莢率，分枝莢數分別提高了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和較低的癟莢率，分枝莢數分別提高了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和較低的癟莢率，主莖莢數分別提高了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和癟莢率對水分脅迫的響應

進一步分析表明，不同嫁接植株主莖莢的分布特點存在明顯差異(圖2)。L14、L14/L14和L14/L21的主莖莢分布于第5節位至第25節位，平均每個節位2個莢；而L21、L21/L21和L21/L14的主莖莢分布于第4節位至第20節位，但主要集中分布于第6節位至第15節位，平均每個節位3.9個莢。雖然砧木基因型并未改變主莖莢的分布特征，但會影響每節位著莢數量。與L21/L21相比，L21/L14正常供水下平均每個節位增加了0.5個莢，而水分脅迫下平均每個節位增加了0.7個莢，其中，在第9節位至第15節位間，平均每個節位增加了1.6個莢。

圖2 不同大豆嫁接植株主莖莢數的分布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量相關性狀的影響

方差分析表明，單株粒數、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(P<0.01)。由表3可知，自身嫁接與不嫁接植株間單株粒數、百粒重和單株粒重無顯著差異。水分脅迫降低了大豆的單株粒數、百粒重和單株粒重，其中，L21/L21的下降幅度較大，單株粒數、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、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和粒重的提高，主莖粒數分別提高了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量相關性狀對水分脅迫的響應

3 討論與結論

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進行了諸多研究[17-18]。本研究通過嫁接試驗表明，大豆地上部農藝性狀和產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。

大豆開花與結莢期遭遇干旱脅迫，產量下降幅度最大[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存在明顯差異[21-22]。水分脅迫下光合作用的穩定與否是衡量大豆耐旱性的一個重要指標[23]。前期研究發現，水分脅迫下遼豆14葉片仍能維持較高的光合速率，主要歸因于非氣孔因素[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，最終導致落花率和落莢率的增加[25]。本研究發現，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和較低的癟莢率，從而導致較高的單株莢數、單株粒數和單株粒重，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葉片具有較強的光合物質生產能力，改善了同化物對花莢發育的供應水平，從而能夠形成相對較多的單株粒數。

眾所周知，大豆根系不僅具有養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，在調控地上部組織的生長和發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研究遠遠滯后于對地上部性狀的相關研究[28]。本研究表明，砧木基因型對大豆的株高、主莖節數和分枝數無顯著影響，但對單株莢數、單株粒數、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。前期研究發現，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，可以顯著提高當代育成品種的光合速率[29]，從而提高百粒重和單株產量[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、單株粒數、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，莢粒數的提高主要得益于主莖上較多的有效莢數和較低的癟莢率。進一步分析發現，遼豆21接穗嫁接遼豆14砧木后，主莖第9節位至第15節位間，平均每個節位增加了1.6個莢。因此，通過根系改良也是提高干旱下大豆產量的一條重要途徑。

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%，主莖節數分別平均提高19.6%和15.3%，分枝數分別平均提高60.2%和90.6%，單株生物量平均提高57.1%和87.1%，單株莢數平均提高70.0%和92.3%，分枝莢數平均提高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、單株粒數、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%，產量性狀的提高與主莖第9～15節位間有效莢數的提高有關。因此，在品種選育過程中，在對地上部產量相關性狀進行改良的同時，也要關注根系性狀的選擇，從而提高大豆品種的抗旱性。