干旱是农业生产中影响作物产量和种植范围的重要环境因素之一。我国水资源分布不均匀,表现为南方多北方少,北方水资源仅占全国的30%。随着全球气候变暖,农业生态环境进一步恶化,旱情发生频率和强度不断增强。每年因旱灾而受损的土地约为133.3万hm^2[1]。山西尤其是晋北地区,常年多风少雨,干旱、半干旱的环境因素成为限制作物产量的主要生态因子之一。全国节水农业发展规划明确提出,“建立节水型社会,发展节水型农业,是解决我国水资源短缺和利用率低等农业发展面临问题的主要措施”。因此,传统的灌溉农业已不能适应水资源短缺的形势,提高作物自身的抗旱性才有可能取得抗旱上的新突破。筛选、培育作物抗旱优良品种是提高作物自身对旱胁迫的忍耐力,减轻土壤干旱对其造成伤害的简单、有效、可行的方法之一。

大豆（Glycine max）起源于中国,在全国各地均有种植,是重要粮食、油料作物之一,在食品、药品及饲料加工、生物能源生产等方面均具有重要作用。然而大豆根系不发达,生长发育期需水量较多,对干旱等逆境胁迫较敏感,每年因干旱导致大豆减产40%左右,因此,发掘、创新并筛选抗旱大豆种质资源是应对自然干旱的有效途径之一^[2]。

国内外对大豆种质资源做了较多的抗旱性鉴定及耐旱品种筛选研究,结果表明,干旱胁迫会导致大豆生理、生化指标及植株表型指标产生显著变异^[3,4,5]。大豆处于营养生长期时,干旱导致植株叶片叶绿素含量发生变化。臧紫薇等^[6]对Conrad、东农47等11份材料进行室内盆栽干旱胁迫试验,抗旱性分析表明,干旱胁迫导致叶绿素含量显著下降;王春艳等^[7]、李贵全等^[8]研究也表明干旱胁迫对大豆叶片叶绿素含量有影响。抗氧化酶被认为是干旱胁迫的指示灯,在干旱胁迫下抗氧化酶活性会有所提高。赵立琴^[9]以不同浓度聚乙二醇（PEG-6000）处理大豆垦丰16、合丰47,表明超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）在抗氧化系统中响应最强,过氧化氢酶（catalase,CAT）次之,过氧化物酶（peroxidase,POD）响应相对较弱。郭数进等^[10]在山西以大豆杂交组合亲本及其后代为材料,利用大田试验进行抗旱性鉴定,结果表明干旱胁迫下POD、SOD和CAT活性均发生了变化,整体呈现上升的趋势。干旱对大豆农艺性状的影响较大,主要表现在株高、主茎节数、分枝数、百粒重等性状上。乔亚科等^[11]在河北地区以栽培品种、半野生及野生大豆为材料,测定不同时期大豆主要农艺性状及其生理指标,并进行比较分析,结果表明干旱胁迫下单株荚数、单株粒数和单株粒重这3个产量性状变异较大。崔杰印等^[12]利用黑龙江中上游地区生育期相近的30份野生大豆种质资源进行干旱胁迫处理,结果表明,干旱胁迫导致野生大豆株高降低、主茎节数和分枝数减少、单株产量和百粒重下降。张彦军等^[13]在甘肃对246份来自不同省份的大豆种质资源进行了田间自然抗旱性鉴定及成熟期农艺性状调查,发现抗旱指数与株高、主茎节数、单株荚数、单株粒数、单株粒重、单株生物量呈极显著正相关。

前人^[14,15,16]研究表明,晋豆21具有较强的抗旱性,但是该材料种子细长、较小,外观上并不受农民青睐。本试验以晋豆21为对照,引进其他地区10份较优异大豆品种为试验材料,通过分析自然干旱胁迫和正常灌水条件下植株叶片的叶绿素含量、SOD活性和POD活性这3个生理生化指标和成熟期植株产量相关农艺性状表现,筛选出适宜晋北干旱地区种植的抗旱大豆品种,也为大豆高产、抗旱品种改良提供理论依据。

供试大豆材料共11份,分别为：晋豆21（对照）、早熟1号、中品661、黑农57、黑农69、绥农4、绥农14、垦农21、合丰56、Jack、Williams 82,均来自于中国农业科学院国家种质资源中心,由中国农业科学院作物科学研究所邱丽娟研究员提供。其中晋豆21是高抗旱大豆材料,在晋北地区多有种植,其他材料未见在晋北地区种植。

试验于2017-2018年在山西省大同市大同大学北校区试验基地进行,在播种前施有机底肥,充分灌溉。设自然干旱胁迫和正常灌水2个处理,3次重复。自然干旱胁迫处理自出苗至成熟期不进行浇水,使其充分受旱。正常灌水处理按花期、鼓粒期、结荚期进行正常浇水。随机区组排列种植11份大豆材料,行距0.33m,株距0.3m,行长3m,3粒点播,待出苗后间苗留1株。大豆出苗后50d对叶绿素含量、SOD活性、POD活性这3个生理生化指标进行测定和分析。在大豆结荚后55d（即成熟期）时对株高、主茎节数、单株荚数、单株粒数等产量相关农艺性状进行鉴定。每个处理选择5个单株进行生理生化指标测定及成熟期植株农艺性状考察。

1.3.1 生理生化指标测定 参考张志良等^[17]的《植物生理学实验指导》,采用95%乙醇浸提法浸提叶片叶绿素,于可见分光光度计分别测定波长470、649、665nm处的吸光度。计算公式为：C_A=13.95×A665-6.88×A649,C_B=24.96×A649-7.32×A665,叶绿素a含量=C_A×0.005/0.01,叶绿素b含量=C_B×0.005/0.01（式中叶绿素a、b的含量单位为mg/g,C_A、C_B单位为mg/L）,A665、A649分别为波长665和649nm处测定叶绿素溶液的吸光度,叶片叶绿素损失率（%）=（正常灌水处理叶片叶绿素含量-自然干旱胁迫处理叶片叶绿素含量）/正常灌水处理叶片叶绿素含量×100。采用氮蓝四唑（nitro-blue tetrazolium,NBT）光化还原法^[21]测定SOD活性,以抑制NBT光化还原50%所需酶量为1个酶活单位（U/g FW）,计算公式为：SOD活性=（A₀-A_S）×V_T/（0.5×A₀×W_F×V₁）,式中,A₀：对照管的吸光度;A_S：样品管的吸光度;V_T：样液总体积（10mL）;V₁：测定时样品用量（0.1mL）;W_F：叶片鲜重（0.5g）,SOD活性增长率=（自然干旱胁迫处理SOD活性-正常灌水处理SOD活性）/正常灌水处理SOD活性。采用愈创木酚法^[21]测定POD活性,以每个处理单位时间内吸光度变化值表示酶活性大小,计算公式为：POD活性（U/g FW·min）=ΔA₄₇₀×V_t/（FW×V_S×t）,式中,ΔA₄₇₀：反应时间内吸光度的变化;V_t：酶提取液总体积（5mL）;V_S：测定时所用酶液的体积（1.0mL）;t：反应时间（3min）;FW：样品鲜重（1.0g）,POD活性增长率=（自然干旱胁迫处理POD活性-正常灌水处理POD活性）/正常灌水处理POD活性。

1.3.2 形态指标测定 参照邱丽娟等^[18]指标规范,结荚成熟后,每个处理每个品种取5株进行室内考种,包括株高、主茎节数、单株荚数、单株粒数等性状。

利用Microsoft Excel 2010及SPSS 20.0软件进行相关试验数据统计及分析。

对自然干旱胁迫和正常灌水处理的大豆苗期叶片的叶绿素a（chlorophyll-a,Chl a）含量和叶绿素b（chlorophyll-b,Chl b）含量进行测定及比较分析。结果（图1）表明,早熟1号、中品661、黑农57、黑农69、Jack、Willams 82自然干旱胁迫处理和正常灌水处理的Chl a含量存在显著差异,晋豆21、绥农4、绥农14、垦农21、合丰56自然干旱胁迫处理和正常灌水处理的Chl a含量差异不显著。

由图2可知,晋豆21、早熟1号、绥农4、绥农14、垦农21、合丰56自然干旱胁迫处理和正常灌水处理的Chl b含量差异不显著,中品661、黑农57、黑农69、Jack、Williams 82自然干旱胁迫处理和正常灌水处理的Chl b含量均有显著差异。综上,垦农21、绥农14、绥农4、合丰56、晋豆21自然干旱胁迫处理和正常灌水处理的Chl a、Chl b含量均差异不显著,说明干旱胁迫对这5份材料的影响较小。

自然干旱胁迫处理大豆叶片叶绿素含量较正常灌水处理低,表明大豆生长对干旱胁迫比较敏感,自然干旱胁迫处理相对于正常灌水处理叶片叶绿素损失率在9.70%~44.93%（表1）。晋豆21自然干旱胁迫处理相对于正常灌水处理叶片叶绿素损失率为10.52%,中品661、黑农57、黑农69、Jack这4个品种自然干旱胁迫处理相对于正常灌水处理叶片叶绿素损失率达到了30%以上,分别为36.72%、44.93%、44.18%、36.12%,说明这4个品种受干旱胁迫的影响较大,叶绿素的合成受到严重影响,抗旱性较弱;绥农4、绥农14、合丰56这3个品种自然干旱胁迫处理相对于正常灌水处理叶片叶绿素损失率最小,分别为11.12%、9.70%、12.49%,表明这3个品种在干旱胁迫时叶绿素含量较稳定,能够提供稳定的光合色素量以维持光合作用,表现出较强的抗旱性。

通过对大豆苗期叶片中SOD活性进行测定（表1）,结果表明自然干旱胁迫处理较正常灌水处理的SOD活性增长率变化幅度为0.98%~68.10%,晋豆21自然干旱胁迫处理较正常灌水处理SOD活性增长率为52.62%,合丰56、绥农14、绥农4这3个品种自然干旱胁迫处理较正常灌水处理SOD活性增长率较大,分别为68.10%、58.80%、56.29%;黑农57和Williams 82这2个品种自然干旱胁迫处理较正常灌水处理SOD活性增长率较小,分别为0.98%和18.11%。自然干旱胁迫处理较正常灌水处理POD活性增长率变化幅度为1.66%~58.72%,其中晋豆21自然干旱胁迫处理较正常灌水处理的POD活性增长率为54.23%。比较而言,合丰56、绥农4、绥农14这3个品种自然干旱胁迫处理较正常灌水处理POD活性增长率最大,分别为58.72%、57.76%、55.31%;中品661、黑农57、垦农21、黑农69这4个品种自然干旱胁迫处理较正常灌水处理POD活性增长率最小,分别为1.66%、2.00%、2.37%、8.86%。抗氧化酶活性的增加,可以有效地去除由干旱胁迫引起的活性氧和自由基对细胞膜脂质的过氧化作用,减小对植株细胞膜的伤害。在干旱胁迫下,与正常灌水处理相比,抗氧化酶活性增加越多,品种抗旱性能越强,反之越弱。本研究表明合丰56、绥农14、绥农4这3个品种有较强的抗旱性。

通过对成熟期大豆农艺性状进行测定,自然干旱胁迫和正常灌水处理,株高、主茎节数、单株荚数、单株粒数这4个指标的变异系数介于31.09%~46.19%,其中株高的变异系数最大,正常灌水处理为41.06%,自然干旱胁迫处理为46.19%。主茎节数变异系数较小,正常灌水处理为33.05%,自然干旱胁迫处理为32.91%（表2）。说明11份大豆种质间遗传差异较大,具有代表性。与正常灌水处理相比,干旱胁迫严重影响了大豆的农艺性状。

“自由基伤害学说”指出细胞内存在保护酶系SOD、POD等,在正常生长状态下可以清除细胞中多余的活性氧自由基如·OH、H₂O₂等而保持其动态平衡,使细胞免受外界胁迫的影响^[19]。本研究也表明,不同品种的大豆种质处于干旱胁迫下,抗氧化酶活性均有不同程度的升高,SOD比POD活性变化更加敏感。晋豆21是高抗旱的大豆品种类型^[20],从SOD、POD活性增幅角度,绥农4、绥农14、合丰56增幅较晋豆21更大,说明三者比晋豆21具有更强的抗旱性。

干旱胁迫使大豆植株产生一系列的生理生化变化,通过调节自身来适应缺水的环境。干旱胁迫会通过影响叶绿素含量影响大豆光合速率,抗旱性较强的大豆种质在干旱胁迫下叶绿素含量往往能维持在正常水平^[21]。本研究结果表明,晋豆21、绥农4、绥农14和合丰56这4个大豆品种可在干旱胁迫过程中保持相对稳定的叶绿素含量,具有较好的抗旱性。

由于大豆抗旱性由多基因控制,采用各指标相结合的方式对大豆品种进行抗旱性鉴定可以提高鉴定的准确性^[7]。综合分析大豆苗期的生理生化指标和成熟期的农艺性状,在干旱胁迫下,供试材料不同测定指标所表现出的抗旱趋势较为一致,说明供试材料在耐旱机制上基本相同。

由于大豆抗旱性是复杂的生物性状,生理生化指标的变化及农艺性状易受到外界环境的影响,因此今后需要通过多年多点试验进一步对其抗旱性进行验证。