干旱脅迫對紫蘇生長及品質(zhì)的影響

易家寧 王康才 張琪綺 董雨青 毛曉敏 鄧艷婷

(南京農(nóng)業(yè)大學中藥材研究所，江蘇 南京 210095)

隨著全球變暖，水資源逐漸匱乏，干旱地區(qū)范圍不斷擴大，植物也因此受到不同程度的干旱脅迫。 植物在受到環(huán)境脅迫時，會通過調(diào)節(jié)自身狀態(tài)以及合成一些代謝物質(zhì)，減輕脅迫傷害，增強環(huán)境適應(yīng)能力。 研究發(fā)現(xiàn)，茶菊中丙二醛(malondialdehyde，MDA)、脯氨酸(proline，Pro)、可溶性蛋白含量均隨著干旱脅迫程度增加而增加[1]；水分脅迫抑制蒙古黃芪地上部分的生長，且脅迫程度越大，抑制越明顯，但在輕度水分脅迫下，其根長及根生物量均有明顯增加[2]。 植物的次生代謝是植物在長期進化過程中對生態(tài)環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果，適度的環(huán)境脅迫會促進植物合成次生代謝產(chǎn)物，如Azhar 等[3]和Wang 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，印度藏茴香中總酚的分泌量會增加；玄參中環(huán)烯醚萜類的合成量也會增加。

紫蘇[Perilla frutescens(L.) Britt]為唇形科紫蘇屬一年生草本植物，藥用部位為種子、葉片以及干燥莖。 紫蘇子主要的功效為降氣化痰，止咳平喘，潤腸通便；其葉片具有解表散寒、行氣和胃的功效；蘇梗具有理氣寬中，止痛，安胎的功效[5]。 同時，紫蘇葉片還可食用，可解魚蟹毒。 研究表明，紫蘇葉的活性成分為揮發(fā)油，藥理學作用主要有抗炎、抑菌、抗氧化等[6]。 近年來，隨著紫蘇藥材需求量的逐漸增加，其栽培面積不斷擴大。 然而在栽培過程中發(fā)現(xiàn)，紫蘇的生長易受干旱天氣的影響。 目前對紫蘇的研究主要集中在紫蘇的藥理和化學方面，關(guān)于干旱脅迫對紫蘇生長及活性成分影響的研究卻少有報道。 因此，本試驗以紫蘇實生苗為材料，研究干旱脅迫對紫蘇生長及品質(zhì)的影響，以期在干旱條件下，為紫蘇規(guī)范化栽培與管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試種子材料采自河北安國，經(jīng)南京農(nóng)業(yè)大學王康才教授鑒定為唇形科紫蘇[Perilla frutescens(L.)Britt]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在南京農(nóng)業(yè)大學日光溫室內(nèi)進行。 2018 年4月27 日進行紫蘇種子育苗，育苗基質(zhì)是蛭石和營養(yǎng)土體積比為1 ∶1的混合基質(zhì)。 待紫蘇幼苗長至四葉一心后，于2018 年5 月8 日移栽至直徑25 cm、高22 cm 的塑膠盆中，每盆3 株，栽種深度5 cm。 栽培基質(zhì)是蛭石、營養(yǎng)土和珍珠巖體積比為4 ∶2 ∶1的混合基質(zhì)。 待紫蘇長至25 cm 后，采用盆栽控水方法[7]，對紫蘇進行干旱脅迫處理。 本試驗設(shè)置3 個干旱脅迫處理:輕度脅迫，土壤相對含水量(soil relative water content，RWC)為田間持水量的65%～70%；中度脅迫，RWC 為45%～50%；重度脅迫，RWC 為25%～30%，每個處理10 個重復(fù)。 以正常供水為對照(CK)，RWC 為85%～90%。

干旱脅迫于6 月27 日開始進行，每天17:30 采用TDR100 土壤水分速測儀(美國SPectrum)測定土壤含水量，補充當天消耗的水分，使RWC 維持在設(shè)定范圍內(nèi)，共處理35 d，生理指標于處理21、28、35 d 時測定，生物量及品質(zhì)指標于處理35 d 后統(tǒng)一測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 紫蘇葉片相關(guān)生理指標測定 超氧物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氮藍四唑法測定，MDA 含量采用硫代巴比妥酸法測定，過氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，過氧化氫酶(catalase，CAT)活性采用高錳酸鉀滴定法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定，可溶性糖含量采用3，5-二硝基水楊酸測定還原糖法測定，相對電導(dǎo)率采用CT303 電導(dǎo)儀(深圳市柯迪達電子有限公司)測定[8]。

1.3.2 紫蘇地上部生物量測定 于7 月31 日測量紫蘇株高、莖粗，采收后，每個處理隨機選取6 株，清洗干凈，稱量單株地上部鮮重，然后于105℃殺青15 min，60℃烘干至恒重后，稱其干重。

1.3.3 紫蘇揮發(fā)油含量及化學成分測定 揮發(fā)油的測定參照《中國藥典》[5]。 將陰干后的紫蘇粉碎過20目篩，稱取粉末50 g，置于1 000 mL 圓底燒瓶中，提取揮發(fā)油5 h，讀取揮發(fā)油體積，加適量無水硫酸鈉對揮發(fā)油進行干燥，求其得油率。

氣相質(zhì)譜聯(lián)用 ( gas chromatography mass spectrometer， GC-MS)色譜條件[9]:色譜柱為HP-5 石英毛細柱(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)，進樣溫度280℃，初始溫度60℃，以5℃·min-1升至260℃，載氣為高純氦氣，進樣量1 μL，分流比100 ∶1。 質(zhì)譜條件:電離方式為EI，離子源溫度200℃，電子能量70 eV，檢測電壓0.8 kV，掃描范圍40～450 amu。 定性分析根據(jù)各色譜峰對應(yīng)的質(zhì)譜圖經(jīng)GC-MS Solution 色譜工作站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)檢索進行定性，質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫為NIST11 譜庫。 各組分的相對含量根據(jù)總離子流圖由計算機采用峰面積歸一化進行計算。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2013 和SPSS 20.0 軟件對數(shù)據(jù)進行分析，LSD 法檢驗差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對紫蘇抗氧化酶活性的影響

干旱脅迫對紫蘇抗氧化酶活性有顯著的影響。 由圖1-A 可知，隨著脅迫程度的加重，SOD 活性呈先升高后降低的趨勢，在中度脅迫達到最大值，為118.006 U·g-1·min-1。 隨著脅迫時間的延長，各脅迫SOD 活性開始減弱；重度脅迫處理35 d 后，SOD 活性顯著低于CK。 由圖1-B 可知，CAT 活性在輕度和中度脅迫下保持著較高水平，在中度干旱脅迫下達到最大值，此外，CAT 活性隨著脅迫時間的延長而降低。 重度脅迫處理35 d 后的CAT 活性顯著低于CK。 由圖1-C 可知，與CK 相比，輕度和中度脅迫前期POD 活性有一定程度的增加，并隨著脅迫時間的延長而降低，但在重度脅迫下，POD 活性顯著低于CK。

2.2 干旱脅迫對紫蘇MDA 含量和相對電導(dǎo)率的影響

由圖2 和圖3 可知，干旱脅迫對紫蘇MDA 含量及相對電導(dǎo)率有顯著影響。 MDA 含量和相對電導(dǎo)率均隨著干旱脅迫程度的加重而逐漸升高，并隨著脅迫時間的延長逐漸升高。 二者都在重度脅迫處理35 d 后達到最大值，MDA 含量最高為2.589 μmol·g-1，相對電導(dǎo)率最大值為62.59%。

2.3 干旱脅迫對紫蘇葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

在干旱脅迫下，紫蘇葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量發(fā)生了明顯變化。 在圖4-A 中，Pro 含量在輕度和中度脅迫下顯著高于CK，中度脅迫處理21 d 時達到最大值，為13.662 mg·g-1；之后隨著脅迫時間的延長，Pro含量開始下降。 重度脅迫處理21 d 時Pro 含量較CK有一定程度的升高，處理35 d 后，其含量顯著低于CK。 由圖4-B、C 可知，隨著脅迫程度的加重，可溶性糖和可溶性蛋白含量均表現(xiàn)為先增加后減少；此外，在輕度和中度脅迫下，隨著脅迫時間的延長，可溶性糖含量出現(xiàn)明顯的下降趨勢；在重度脅迫下，隨著脅迫時間的延長，可溶性蛋白含量顯著下降，并在處理35 d 后顯著低于CK。

2.4 干旱脅迫對紫蘇地上部生長的影響

圖1 干旱脅迫對紫蘇抗氧化酶活性的影響Fig.1 Effect of drought stress on antioxidant enzyme activity of P. frutescens

由表1 可知，經(jīng)過35 d 的脅迫處理后，在不同程度干旱脅迫下，紫蘇地上部生物量有顯著差異。 株高和莖粗均隨著脅迫程度的加重而減小，株高在重度脅迫下達到最小值，為70.817 cm，與CK 相差達28.583 cm，降低29%。 莖粗和株高變化趨勢相似，在CK 達到最大值，為5.873 cm，重度脅迫下其莖粗最小，為3.672 cm。 干鮮比的趨勢則與株高和莖粗相反，隨著脅迫程度的加重而增大，并在重度脅迫下達到最大值，為0.526，CK 的干鮮比最小。

圖2 干旱脅迫對紫蘇MDA 含量的影響Fig.2 Effect of drought stress on MDA content of P. frutescens

圖3 干旱脅迫對紫蘇電導(dǎo)率的影響Fig.3 Effect of drought stress on conductivity of P. frutescens

表1 干旱脅迫對紫蘇地上部分生物量的影響Table 1 Effect of drought stress on P. frutescens biomass

2.5 干旱脅迫對紫蘇葉片揮發(fā)油主要成分含量的影響

圖4 干旱脅迫對紫蘇脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量的影響Fig.4 Effect of drought stress on Pro， soluble protein，soluble sugar content of P. frutescens

由表2 可知，紫蘇葉片揮發(fā)油主要成分律草烯和石竹烯相對含量以CK 最高，分別為1.051% 和12.764%，二者均隨著干旱脅迫程度的加重逐漸減小；芳樟醇的相對含量在重度脅迫下最高，CK 最低；紫蘇酮相對含量在輕度脅迫下最高，達到69.491%。 揮發(fā)油總含量隨著脅迫程度的加重呈先升高后降低的趨勢，在輕度脅迫下達到最大值。

3 討論

3.1 干旱脅迫對紫蘇抗氧化酶活性的影響

SOD、POD 和CAT 共同組成了植物的保護酶系統(tǒng)。 SOD 是清除自由基的關(guān)鍵酶，通過與活性氧發(fā)生歧化作用，減少活性氧與植物生物大分子物質(zhì)發(fā)生氧化作用，緩解植物的脅迫傷害[10]。 POD 和CAT 能夠協(xié)助SOD 清除活性氧自由基，也是植物抗性指標之一[11]。 細莖石斛在短時間干旱脅迫下，其CAT 活性明顯降低，但POD 活性明顯增加[12]。 劉金龍等[13]研究發(fā)現(xiàn)，短期脅迫下，SOD、POD、CAT 均能夠有效清除蒙古冰草、蒙農(nóng)雜種冰草、沙生冰草、新麥草以及無芒雀麥葉片中的過氧化物，維持其正常的生理活動，但隨著脅迫時間的延長，葉片SOD、POD、CAT 活性開始降低，牧草對干旱脅迫的抵抗能力也開始下降。 牛素貞等[14]對喀斯特地區(qū)野生茶樹幼苗進行干旱脅迫研究，發(fā)現(xiàn)SOD 活性隨著脅迫程度的加重呈先增加后逐漸減弱的趨勢，POD 活性則呈持續(xù)增加的趨勢。 本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的加重，紫蘇葉片中SOD、POD 和CAT 活性都呈先升后降的趨勢，且POD 活性隨著脅迫時間的延長差異不明顯，而SOD、CAT 活性則隨著脅迫時間的延長逐漸降低。 表明在短時間干旱環(huán)境下，紫蘇可通過增強自身抗氧化酶活性有效地清除體內(nèi)自由基，維持其正常生長。 但長時間干旱脅迫會導(dǎo)致紫蘇體內(nèi)活性氧的形成和清除系統(tǒng)的平衡被打破，致使抗氧化酶的結(jié)構(gòu)與功能遭到破壞，活性顯著下降。 這與郭鵬輝等[15]的研究結(jié)論一致。

表2 干旱脅迫對紫蘇葉片揮發(fā)油主要成分含量的影響Table 2 Effect of drought stress on the relative content of chemical component in P. frutescens leaves oil /%

3.2 干旱脅迫對紫蘇MDA 含量和相對電導(dǎo)率的影響

作為細胞膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一，MDA 可以衡量植物受逆境傷害的程度。 相對電導(dǎo)率是衡量細胞膜穩(wěn)定性的一個重要指標。 鄧輝茗等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下，綿毛水蘇葉、根的相對電導(dǎo)率和MDA 含量均較CK 顯著升高。 裴斌等[17]對沙棘進行研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤干旱脅迫逐漸加重，沙棘葉片的MDA 含量表現(xiàn)出逐級遞增趨勢；季楊等[10]研究發(fā)現(xiàn)，干旱條件下2 種基因型鴨茅根系及葉片的MDA 含量和電導(dǎo)率均顯著升高。 賈文杰等[18]對東方百合研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫前期，MDA 含量無顯著變化，但在干旱處理12 d 后，MDA 含量開始迅速增加。 本研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫程度的加重，紫蘇葉片的MDA 含量和電導(dǎo)率較CK 顯著上升，說明干旱對紫蘇造成了脅迫傷害。 在中度和重度脅迫條件下，隨著脅迫時間的延長，其MDA 含量及電導(dǎo)率進一步顯著上升，這可能是隨著脅迫處理時間的延長，紫蘇抗氧化酶活性下降導(dǎo)致的。

3.3 干旱脅迫對紫蘇葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)不良環(huán)境的重要調(diào)節(jié)機制，當受到外界環(huán)境脅迫時，植物通過主動積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來改變滲透勢，從而降低水勢，維持細胞膨壓[19]。植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括Pro、可溶性糖、可溶性蛋白等。 有研究表明，隨著干旱脅迫時間的延長，2 種基因型鴨茅根系及葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和游離Pro 不斷積累，而可溶性蛋白含量則呈先上升后下降趨勢[10]。 苗期芝麻的Pro 含量則隨著土壤水分含量的增加呈先下降后上升的變化趨勢，并且隨著處理時間的延長，各水分處理下其Pro 含量逐漸增加[20]。 靳軍英等[21]對牛鞭草、高丹草、拉巴豆3種牧草進行研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫大幅度增加了3 種牧草的Pro、可溶性蛋白及可溶性糖含量。 本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫處理21 d 時，隨著脅迫程度的增加，紫蘇葉片的Pro、可溶性糖、可溶性蛋白含量呈先升后降的趨勢，之后隨著脅迫時間的延長，各滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量均下降。 表明紫蘇在短時間干旱條件下，可通過調(diào)節(jié)滲透物質(zhì)來維持細胞內(nèi)外的滲透壓，保持植物的正常生長。

3.4 干旱脅迫對紫蘇地上部生長的影響

逆境脅迫下，植物會通過改變形態(tài)適應(yīng)環(huán)境的變化。 植株的生物量可作為衡量植物抗旱性的一個指標。 研究發(fā)現(xiàn)，黃茅在輕度干旱脅迫下快速生長，而重度脅迫則會對黃茅產(chǎn)生負面影響。 黃茅地上部生物量隨著脅迫程度的增加而減小[22]。 一年生文冠果幼苗在干旱脅迫下，其地上部生物量、根生物量以及總生物量均顯著下降[23]。 劉長利等[24]發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的加重，甘草地上地下各器官生長均受到抑制，但對地上器官的生長抑制更加明顯。 謝瑞娟等[7]研究發(fā)現(xiàn)，藎草在輕度干旱脅迫下葉生物量顯著下降，在重度干旱脅迫下降為對照組的40%。 本研究中，紫蘇地上部分株高和莖粗隨著脅迫程度的加重而減小，干鮮比逐漸上升，說明干旱脅迫會抑制紫蘇生長。

3.5 干旱脅迫對紫蘇葉片揮發(fā)油主要成分含量的影響

干旱脅迫在一定程度上會促進植物分泌次生代謝產(chǎn)物[25]。 研究表明，柴胡在中度水分脅迫會增加下柴胡皂苷a 和b 的含量[26]；隨著干旱脅迫的加劇，百里香的干物質(zhì)產(chǎn)量大幅下降，但其精油含量卻增加，且在輕度干旱脅迫下植物獲得的精油產(chǎn)量最高[27]；在不同水分灌溉條件下，蒔蘿的揮發(fā)油含量有明顯差異，且在中度干旱脅迫中獲得的揮發(fā)油比例最高[28]。 本試驗發(fā)現(xiàn)，脅迫處理35 d 后，不同干旱程度對不同活性成分的影響不一，紫蘇酮含量輕度脅迫下較高；而芳樟醇含量在重度脅迫下最高。 但紫蘇葉片揮發(fā)油總含量在輕度脅迫下達到最大值。 結(jié)果表明適度的干旱脅迫能夠刺激紫蘇次生代謝產(chǎn)物的合成及積累，有利于紫蘇藥材品質(zhì)的提高，這與Cheng 等[29]關(guān)于黃芩的研究結(jié)果類似。

4 結(jié)論

研究表明，紫蘇在輕度和中度干旱脅迫下，其生物量有一定減少，生長受到抑制，但其揮發(fā)油含量顯著升高。 綜上所述，在紫蘇生產(chǎn)中，采收前進行適當?shù)母珊得{迫，可以提高揮發(fā)油總含量，進而提高其藥用品質(zhì)。