不同鐵利用效率大豆品種在石灰性土壤中抗氧化酶活性的差異

包悅琳 陳 鴿 王婷婷 張 偉 金東淳*

(1.延邊大學 農學院，吉林 延吉133000；2.吉林省農業科學院 大豆研究所，長春 130000)

鐵是植物生長發育中所必需的微量營養元素。雖然土壤中鐵的豐度很高，但其生物有效性非常低，特別是在堿性石灰性土壤中，其高pH和高重碳酸鹽含量嚴重降低了土壤中鐵的有效性。據報道，全世界大約40% 的耕地面積潛在性缺鐵[1-3]。由于缺鐵導致葉綠素生物合成受阻，造成植物缺鐵黃化癥(IDC)，進而造成幼嫩葉片黃化、減少葉片面積、莖和根的干重[4]，最終造成作物的產量減少。

植物缺鐵失綠是一個普遍的植物營養失調問題[5]，不同作物對缺鐵敏感程度存在差異。與水稻和小麥等禾谷類作物相比，大豆對缺鐵反映特別敏感[6-7]，特別是在干旱和半干旱地區的石灰性土壤中。大豆在苗期對缺鐵尤為敏感，缺鐵條件下大豆地上部幼葉脈間失綠,葉脈正常,失綠均勻,無斑,無畸形,隨著時間推移,病葉最后干枯；地下部根系發育較差,生長不良,根短而細少,根瘤數量較少，進而導致減產；嚴重時植株早期枯萎和死亡[8]。

鐵元素在植物生長中起著非常重要的作用，是很多抗氧化酶不可或缺的組成部分或輔助因子，如過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、谷胱甘肽還原酶(GR)和含鐵超氧化物歧化酶(Fe-SOD)[15]。缺鐵或鐵過量都會導致植株氧化脅迫，鐵還是固氮酶中鉬蛋白和鐵蛋白的組成部分，是豆科植物固氮所必需的。在高等植物的光合作用中，鐵氧還蛋白是光合電子傳遞鏈上的重要物質，也是植物體許多基本代謝過程中的電子傳遞體，是電子傳遞發生的重要代謝過程[9-10]。研究植物鐵吸收機理在提高植物鐵吸收率和抗低鐵脅迫能力進而提高作物產量方面具有重要意義。目前，對模式作物的鐵吸收生理機制研究報道已經很多[11-12]，缺鐵對抗氧化防御體系的影響已經得到廣泛關注[13-14，16]，但是對于大豆缺鐵脅迫的生理機制還不明確，特別是在缺鐵條件下大豆抗氧化酶研究，很難反映其普遍性。

石灰性土壤中，噴施葉面肥能改良大豆缺鐵黃化，但成本高。因而從基因型角度，選育鐵高效大豆品種，是解決石灰性土壤中大豆缺鐵的關鍵措施。目前，針對不同品種間對鐵吸收機理的研究鮮有報道。本研究以多個鐵高效與鐵低效大豆品種為試驗材料，分析生理指標與缺鐵表型之間的關系，旨在探討不同鐵利用效率大豆品種的抗氧化酶活性的差異，以期為選育抗缺鐵大豆品種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2019年在延邊大學溫室內進行，試驗采用盆栽方法，供試材料為已被確定的4個鐵高效大豆品種(‘吉育99’、‘吉育75’、‘長農15’、‘長農20’)和4個鐵低效品種(‘吉農27’、‘吉育87’、‘吉育92’、‘吉育93’)。分別在塑料桶(頂部直徑為33 cm，底部直徑為23 cm，高度為30 cm的塑料桶)中裝15 kg供試土壤，每盆播種1穴，每穴2粒，3次重復。盆內石灰性土壤施大豆復合肥，按著干土中施用純氮0.2 g/kg，共施17.6 g/盆，其中含N 2.992 g，P2O52.992 g，K2O 2.992 g。石灰性土壤為缺鐵脅迫，鐵含量為3.34 mg/kg。噴施微量元素葉面肥(噴施硼酸16.1 mmol/L，硫酸錳13.2 mmol/L，硫酸銅0.625 mmol/L，硫酸鋅3.1 mmol/L，鉬酸銨1.02 mmol/L)。

1.2 試驗設計

供試大豆在苗期和生殖生長前期受缺鐵影響較大，測定時期為一葉期(V1)、二葉期(V2)、三葉期(V3)、四葉期(V4)、始花期(R1)和盛花期(R2)。取相同部位的新鮮葉片測定各項目，重復3次取平均值，在植物生長期間定時、定量澆水，常規栽培管理。取相同部位的新鮮葉片測定其葉綠素含量(SPAD值)和抗氧化酶活性[17-18]。

1.2.1大豆葉片葉綠素含量測定

葉綠素含量是用SPAD-502型手持葉綠素儀(日本柯尼卡美能達公司)測定相同部位完全展開的新鮮葉片的SPAD值，取3次讀數的平均值供分析。

1.2.2大豆抗氧化酶活性測定

在大豆不同發育時期，分別取0.5 g新鮮葉片測定抗氧化酶活性。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性測定采用氮藍四唑法(NBT)[19]；過氧化物酶(Peroxidase，POD)活性測定采用愈創木酚法[20]；過氧化氫酶(Catalase，CAT)活性測定采用紫外分光光度計法[21-22]。

1.2.3農藝學性狀測定

在成熟期，分別隨機選取3株大豆植株，分析單株莢重、株高、生物量、百粒重和籽粒含鐵量等產量性狀。

1.2.4數據分析

用Excel 2007整理試驗數據，SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析，并進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同鐵效率大豆品種主要農藝性狀及籽粒含鐵量差異

由表1可知，不同鐵效率大豆在石灰性土壤中，受到缺鐵脅迫，導致大豆生長過程中無法從環境中獲取能被吸收利用的Fe2+，進而阻礙大豆器官的形成，最終影響大豆產量，如單株粒重、籽粒含鐵量、株高和單株莢重等。鐵高效品種株高、生物量、籽粒含鐵量、百粒重、單株莢重和單株粒重顯著高于鐵低效品種。鐵高效大豆品種鐵含量高于鐵低效品種，在缺鐵的石灰性土壤中，對鐵的利用率高。在本試驗中，鐵高效品種籽粒含鐵量高于鐵低效品種，籽粒含鐵量可以作為石灰性土壤中不同鐵效率大豆的劃分依據。根據本試驗不同鐵效率大豆品種的農藝性狀及籽粒含鐵量，將供試大豆品種對鐵的利用率由高到低排序為‘吉育75’>‘吉育99’>‘長農15’>‘長農20’>‘吉育93’>‘吉育92’>‘吉育87’>‘吉農27’。

表1 石灰性土壤中8個大豆品種農藝性狀及籽粒含鐵量差異

2.2 石灰性土壤中不同鐵效率大豆品種的葉綠素含量變化

由表2可知，在石灰性土壤中，通過6個時期的比較分析，鐵高效品種葉片中葉綠素含量高于鐵低效品種，V1～R2時期差異顯著。隨著生育時期的延長，不同鐵效率大豆葉綠素含量呈現上升趨勢，V1～V4時期鐵高效品種葉綠素含量顯著高于鐵低效品種，在R1時期，鐵高效品種‘吉育99’與鐵低效品種‘吉育92’葉綠素含量差異不顯著(P>0.05)。R2時期，鐵高效品種‘吉育75’，‘長農15’，‘長農20’與鐵低效品種‘吉育92’葉綠素含量差異差不顯著(P>0.05)。

表2 不同鐵效率大豆品種不同發育時期葉綠素含量(SPAD)變化

2.3 石灰性土壤中不同鐵效率大豆品種的抗氧化酶活性變化

由表3可知，在石灰性土壤中，不同鐵效率大豆葉片中SOD含量呈現先降低再升高的趨勢，鐵高效品種葉片中SOD酶活性顯著高于鐵低效品種。在V4時期SOD酶活性最大，整體在R2時期下降，但鐵高效品種‘吉育75’酶活性上升，石灰性土壤苗期大豆植株SOD酶活性苗期反應一致，但進入生殖生長期(R1時期)，鐵高效品種‘長農20’、‘吉育99’和鐵低效品種‘吉育87’、‘吉育93’、‘吉農27’、‘吉育93’呈現下降趨勢。

表3 不同鐵效率大豆品種不同發育時期超氧化歧物酶(SOD)活性變化

由表4可知，在石灰性土壤中，鐵高效大豆品種葉片的POD酶活性顯著高于鐵低效品種，隨著生育時期的延長，V2、R1時期呈現上升趨勢，但鐵高效品種‘吉育75’在V2時期酶活性下降；在R1時期，鐵低效品種‘吉農27’與其他品種POD酶活性趨勢不一致。通過6個時期的比較分析，R1時期POD酶活性呈上升趨勢，含量最高，鐵高效品種‘吉育75’酶活性顯著高于其他品種。

表4 不同鐵效率大豆品種不同發育時期過氧化物酶(POD)活性變化

由表5可知，在石灰性土壤中，不同鐵效率大豆CAT活性呈現先升高后下降的趨勢，鐵高效品種CAT酶活性顯著高于鐵低效品種；V2時期鐵低效品種CAT酶活性上升，鐵高效品種‘長農20’、‘長農15’、‘吉育75’的CAT酶活性下降，‘吉育99’酶活性上升；V3時期，鐵高效品種‘長農15’酶活性下降，鐵低效品種‘吉育87’與‘吉農27’酶活性下降，與其他大豆品種反應不一致；V4、R2時期CAT酶活性，呈現上升趨勢，V4時CAT酶活性高于其他生育時期，‘長農15’在鐵高效品種中CAT酶活性最高，‘吉育93’在鐵低效品種中CAT酶活性最高。

表5 不同鐵效率大豆品種不同發育時期過氧化氫酶(CAT)活性變化

3 討論與結論

活性氧在植物體內的清除由保護酶和抗氧化物質來完成。保護酶主要是超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)等。植物在缺鐵脅迫時，植物通過一系列生理過程變化和植株形態變化來躲避或減輕脅迫對自身的傷害。本研究結果表明，石灰性土壤中，大豆植株遭受低鐵脅迫，也受到高pH的協同作用，石灰性土壤中鐵低效大豆株高、生物量、單株莢重和百粒重顯著低于鐵高效品種。Iturbe等[23]研究發現，豌豆品種在低鐵脅迫下，導致體內活性氧增加，葉片的葉綠素含量下降。本研究發現，在V2與V3時期，鐵高效與鐵低效大豆品種葉片葉綠素含量差異顯著，鐵低效品種呈上升趨勢；鐵高效品種在V1～R2時期葉片葉綠素含量顯著高于鐵低效品種，說明在石灰性土壤中，鐵高效大豆品種耐受低鐵脅迫的能力強于鐵低效品種。

在本研究中，鐵高效大豆品種葉片的氧化酶活性和葉綠素含量顯著高于鐵低效品種，由此推測在石灰性土壤中，鐵低效大豆由于不能激活鐵吸收機制，將遭受更嚴重的氧化損傷；而鐵高效大豆品種由于可產生一系列抗氧化生理反應，使Fe3+轉化為Fe2+可被吸收利用，能適當激活ROS清除酶，導致氧化應激反應降低。袁慶華等[23]研究結果表明，缺鐵脅迫下，紫花苜蓿葉片SOD先升高再降低；Yadavalli等[25]研究結果表明，在缺鐵脅迫下，水稻葉片SOD活性顯著增加。石灰性土壤中由于缺鐵脅迫，不同鐵效率大豆品種葉片的SOD酶活性均先降低后上升，隨著生育時期的延長，鐵高效大豆植株中SOD酶活性增加，原因可能是由于不同作物對缺鐵反應的不同。徐根娣等[26]研究發現，鐵脅迫條件下大豆POD酶活性增加，與本試驗研究結果一致。在石灰性土壤中，缺鐵脅迫使大豆植株的抗氧化酶活性增強，使細胞免受外界損傷；不同鐵效率大豆品種間，變化趨勢不一致，說明在缺鐵的石灰性土壤中鐵高效品種耐受性強于鐵低效品種，在缺鐵的石灰性土壤中高鐵的高效利用率也就意味著高產。