严重干旱胁迫对大豆营养生长期生理及形态解剖性状的显著影响

《Acta Physiologiae Plantarum》：Severe drought stress strongly impacts physiological and morphoanatomical traits of soybean cultivars during vegetative stage

　　

多项研究已探讨大豆（Glycine max）对干旱的响应，揭示了不同生理及解剖性状的显著变化。探究植物对调控性水分亏缺的响应有助于优化水分利用效率，并阐明其在不同物候期对水分胁迫的耐受性与敏感性。zingo因此，本研究旨在评估营养生长期水分胁迫对大豆品种形态生理及水分状况特征的影响。试验于马拉尼昂州立大学温室中进行，采用完全随机设计，设置四种灌溉水平：100%田间持水量（FC，对照）、75% FC、50% FC和25% FC，重复20次。评估指标包括生长变量、生理参数、水分相关参数以及根、茎、叶的解剖结构。水分水平与测定时间对株高和茎粗生长速率存在交互作用。气体交换随时间呈显著降低趋势，最大降幅出现在播种后81天（DAP）。80 DAP时，25% FC处理对光合CO₂同化速率（A）、气孔导度（g_s）、蒸腾速率（E）和羧化效率（CE）的影响最为显著，与对照相比分别降低55%、72%、53%和60%。解剖分析显示，25% FC处理表现出适应性特征，包括茎厚壁组织厚度增加及根木质部导管直径减小。75% FC处理与对照表现出相似的响应，表明该水分条件未影响BRS Tracajá大豆植株的生长发育。

## 一、研究背景与问题提出

气候变化是决定农业生产效益的关键因素，理解不同气候情景对植物生长发育及生理物候性状的影响对保障粮食安全至关重要。大豆（Glycine max (L.) Merr.）作为全球重要的经济作物，近几十年来育种计划已培育出适应多种环境条件的高产品种。然而，日益严峻的气候不稳定性正对大豆产量的可持续性构成威胁，预测显示降雨模式和温度的改变将显著影响大豆生产体系。

已有研究表明，干旱胁迫可引起大豆叶片面积、气体交换动态、叶绿素荧光及光合色素水平等生理性状发生显著变化；在解剖层面，厚壁组织层的连续性及厚度差异、木质部导管直径减小等现象亦有报道。木质部水力效率与导管直径及构型密切相关的解剖性状紧密关联。为实现旺盛的地上部生长，植物需要高效的根系系统以吸收水分和必需矿质营养，根系吸水及其向地上部的运输构成连续的土壤-植物-大气连续体（soil-plant-atmosphere continuum）。在此背景下，高根系水力传导度（root hydraulic conductivity, RHC）对供应地上部水分具有关键作用。

探究植物对调控性亏缺灌溉（regulated deficit irrigation）的响应，有助于优化水分生产力并阐明其在不同物候期对水分胁迫的耐受性与敏感性。基于此，该研究以巴西北部及东北部地区推荐栽培的常规大豆品种BRS Tracajá为材料，评估营养生长期干旱胁迫对其生长、生理、解剖及水分状况特征的影响。

## 二、主要技术方法

试验于2018年5月至11月在巴西马拉尼昂州立大学温室进行，采用完全随机设计，设置100% FC（对照）、75% FC、50% FC和25% FC四个灌溉处理，每处理20次重复。主要技术手段包括：（1）生长指标动态监测：每3天测定株高和茎粗，试验结束时测定比叶质量（specific leaf mass, SLM）、总叶面积（leaf area, LA）、根体积（root volume, RV）及根瘤数量；（2）气体交换与叶绿素荧光测定：于38、44和82 DAP使用LI-6400红外气体分析仪（IRGA）测定光合CO₂同化速率（A）、蒸腾速率（E）、气孔导度（g_s）、胞间CO₂浓度（C_i），并计算水分利用效率（water use efficiency, WUE）和羧化效率（CE），同时使用SPAD-502叶绿素仪和Pocket-PEA荧光仪分别测定叶绿素指数、PSII最大光化学效率（F_v/F_m）和光合指数（PI）；（3）水分状况参数测定：44 DAP使用Scholander压力室测定黎明前及正午叶水势（leaf water potential, LWP），60 DAP采用压力室法测定根系水力传导度；（4）解剖结构分析：采集根、茎、叶样品经FAA固定、石蜡切片、次氯酸钠澄清及碱性品红染色后，利用光学显微镜及Image J软件分析皮层、厚壁组织、韧皮部及木质部等组织的厚度及面积，并统计根木质部导管直径分布；（5）统计分析：采用裂区设计方差分析（ANOVA）及主成分分析（PCA）解析处理效应。

## 三、研究结果

### 3.1 水分亏缺对大豆地上部生长的影响

株高和茎粗生长速率在各处理间存在显著差异（p<0.001），且与胁迫后天数呈显著正相关。25% FC处理对干物质积累影响最为严重，叶片干质量和茎干质量较对照分别降低73%和80%（p<0.05）。75% FC与对照的叶面积无差异，而25% FC处理使叶面积降低84%。25% FC处理的比叶质量较对照增加13%（p<0.05）。黎明前及正午叶水势在75% FC与对照间无差异；25% FC和50% FC处理的黎明前叶水势较对照分别降低81%和93%，50% FC处理的正午叶水势最低，较对照降低96%（p<0.001）。

叶片中脉解剖显示，水分限制处理表现出最大的皮层厚度及比例；韧皮部厚壁组织总面积在各处理间相当。在输导组织中，25%、75%和100% FC处理的木质部厚度和面积最大，25% FC最小；韧皮部厚度和比例在各处理间无差异。茎部皮层、韧皮部等组织厚度及面积未发生改变（p<0.05），韧皮部厚壁组织面积各处理相当，木质部比例厚度在各处理间一致，但75% FC处理的木质部面积大于25% FC处理。各处理茎及叶片的皮层、厚壁组织、韧皮部和木质部导管均表现出相同的组织排列模式，且75% FC处理具有更大的木质部导管。

### 3.2 水分限制下大豆的生理响应

气体交换随时间呈显著降低趋势（p<0.001），81 DAP降幅最大。25% FC处理对A、g_s、E和CE的影响最为显著，80 DAP时较对照分别降低55%、72%、53%和60%。25% FC处理在44 DAP时表现出最高的WUE，较对照增加33%。SPAD指数和F_v/F_m在处理与测定时间间无交互作用（p>0.05）。81 DAP时PI在处理间存在差异，50% FC处理降幅最大，较对照降低32%。

### 3.3 水分亏缺下大豆的根系响应

75% FC与对照处理的根瘤数量（nodule number, NN）和根体积（RV）无差异（p<0.05）。25% FC处理使NN和RV分别降低85%和81%。根系干质量（RDM）在25% FC处理受影响最为严重，较对照降低81%。根系水力传导度（RHC）在处理间存在差异（p<0.05），100% FC处理平均值最高（5.53 m3 H₂O cm3 root^?1 MPa^?1 s^?1），75% FC处理与对照相似（5.09 m3 H₂O cm3 root^?1 MPa^?1 s^?1），50%和25% FC处理较100% FC平均降低50.5%。

根解剖显示，25% FC处理的平均导管直径减小（p<0.05），直径≤20 μm的导管百分比最高，>40 μm的导管百分比降低。直径20-40 μm的导管在各处理间无统计差异，而>50 μm的导管在50%、75%和100% FC处理中百分比更高。各处理根木质部染色程度一致，含有球形至卵圆形的导管分子，处理间无差异。

主成分分析中，第一主成分（PC1）解释47.5%的变异，第二主成分（PC2）解释21.4%，累计解释68.9%的总变异。PC1和PC2足以支持所获结果。气体交换及地上部和根系响应变量对数据变异贡献最大，仅C_i与其他变量呈负相关。75%和100% FC处理的地上部与根系变量具有相似性，表明水分条件对这些变量的影响存在关联；50% FC处理的气体交换表现出类似响应；25% FC处理与其他处理及变量呈负相关。

## 四、讨论与结论

该研究表明，严重水分胁迫（25% FC）对大豆营养生长期的生物量、生理、解剖及水分状况特征产生显著负面影响。土壤水分胁迫是制约大豆营养生长期生长和建立的关键限制因子，影响细胞伸长、叶片扩展和发育。在不同生长发育性状中，节数、株高、节间长度和叶面积扩展可作为大豆土壤水分亏缺耐受性的指标。

作物生长和产量受水分供应不足的严重影响，碳同化物含量降低。干旱胁迫可改变基因表达和细胞代谢，减少叶肉组织及其他器官的有丝分裂，降低气孔导度。在水分胁迫下，植物可能部分或完全关闭气孔以减少水分损失；由此导致的光合电子传递链下降迫使激发能通过非光化学猝灭耗散，产生活性氧损伤光合机构。A的下降主要归因于气孔关闭，气孔限制可能是水分胁迫下大豆净光合速率降低的主要原因。

土壤水分胁迫降低叶水势，减少膨压，进而导致气孔关闭。正午叶水势是评估植物水分状况的可靠指标，与其叶片气体交换及其他生长发育参数密切相关。水分利用效率是植物的重要性状，是连接水循环和碳循环的关键因素。高WUE值是耐低水可用性植物的特征，可作为指示植物对非生物因素生理可塑性的参数。

在持续水分亏缺下，植物发生形态学变化以应对胁迫的不利影响。复杂的解剖适应网络，如减小导管尺寸并增加壁厚、减少皮层和叶肉薄壁组织形成、增加气孔密度等，是维持水分状况和能量储存所必需的。该研究发现叶片中脉皮层厚度和面积减少，根木质部直径<20 μm的导管增加而>50 μm的导管减少。根维管系统在水分亏缺下表现出更小的木质部导管直径，这是防止木质部栓塞（embolism）的机制。

根系水力传导度在稳定水势梯度下可通过两种途径改变：增加根表面积或增强内在特性（输运体积）。严重胁迫（25% FC）降低了根体积和木质部导管直径，导致RHC下降。木质部中水流阻力部分由负责水分运输的导管的直径和长度决定。根系高效的水分和养分吸收显著影响地上部发育，受光合碳同化与呼吸碳损失之间平衡调控。因此，降低水力传导度的改变，特别是在途径早期阶段如根系，会增加胁迫压力，可能减少叶片气体交换，对生长和产量产生潜在不利影响。

值得关注的是，田间持水量减少25%（75% FC处理）并未对地上部和根系响应产生不利影响，这表明了该品种在水资源保育和更高效水分管理方面的潜力。

研究结论指出，所研究的水分条件降低了株高和茎粗的生长速率， especially from 30 to 60 DAP。严重干旱胁迫（25% FC）大幅降低了大豆植株的生物量。气体交换亦受水分亏缺影响，光合CO₂同化速率、气孔导度、蒸腾速率和羧化效率均显著下降。叶绿素荧光和SPAD指数未受处理影响。解剖分析揭示了25% FC处理的适应性特征，表现为茎厚壁组织厚度增加和根木质部导管平均直径减小。75% FC处理与对照（100% FC）表现出相似的响应，表明该水分条件未损害BRS Tracajá大豆植株的生长发育。该研究成果发表于《Acta Physiologiae Plantarum》，为理解大豆营养生长期干旱响应机制及指导水分管理实践提供了重要理论依据。