PEG模擬干旱脅迫對(duì)聚合草葉片生理特性的影響

劉永華 李鮮花 崔凡 劉翠英

摘要：為研究PEG模擬干旱脅迫環(huán)境下聚合草葉片的生理變化，設(shè)置不同濃度的PEG溶液（0%、5%、10%、15%、20%、25%）進(jìn)行處理，對(duì)其可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，隨著PEG濃度（0%～25%）的增加，可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、POD活性、SOD活性均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)PEG濃度上升到10%時(shí)，POD和SOD活性達(dá)到最高值，分別為270.3 U/（g·min）、1167.7 U/g；可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量達(dá)到最高值，分別為1.9μg/g、236.2μg/g。游離脯氨酸含量隨著PEG濃度的升高表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)，當(dāng)濃度為10%時(shí)，脯氨酸含量到達(dá)最低值20.3μg/g。研究結(jié)果表明聚合草具有一定的抗旱性，在輕度干旱環(huán)境下通過調(diào)節(jié)能力可以緩解自身受到的傷害。

關(guān)鍵詞：聚合草；PEG；干旱脅迫；生理特性；抗旱性

中圖分類號(hào)：S728.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas20200300045

PEG Simulating Drought Stress： Effect on Physiological Characteristics of Symphytum officinale Leaves

Liu Yonghua， Li Xianhua， Cui Fan， Liu Cuiying

（Life and Science College， Yulin University， Yulin 719000， Shaanxi， China）

Abstract： To study the physiological changes of Symphytum officinale leaves under PEG simulating drought stress， different concentrations of PEG （0%， 5%， 10%， 15% 20%， 25%） were set up. The soluble sugar content， soluble protein content， free proline content， peroxidase activity and superoxide dismutase activity were measured. The results showed that with the increase of PEG concentrations （0% ～25% ）， the soluble sugar content， the soluble protein content， POD activity and SOD activity increased first and then decreased. When the PEG concentration increased to 10%， POD activity and SOD activity reached the highest value， 270.3 U/（g·min） and 1167.7 U/g， respectively； the soluble sugar content and the soluble protein content was up to the maximum， 1.9μg/g， 236.2μg/g， respectively. The free proline content decreased first and then increased with the increase of PEG concentrations. When the concentration was 10%， the proline content reached the lowest value of 20.3μg/g. It indicates that Symphytum officinale has a certain drought resistance， and it could alleviate the damage suffered through own adjustment ability in mild drought environment.

Keywords： Symphytum officinale； PEG； Drought Stress； Physiological Characteristics； Drought Resistance

0引言

干旱對(duì)植物生長有著極其嚴(yán)重的影響，其對(duì)植物造成的損失已經(jīng)超過其他逆境造成損失的總和。特別是近幾十年來，全球周期性降水分布失衡和用水不當(dāng)都不同程度加重了干旱所帶來的災(zāi)害[1]。中國屬于世界上最干旱的國家之一，國土面積二分之一以上都處于干旱和半干旱地區(qū)[2]。干旱已經(jīng)成為中國農(nóng)林業(yè)發(fā)展的主要限制因子，給農(nóng)林業(yè)帶來的損失也越來越嚴(yán)重。植物為了適應(yīng)干旱環(huán)境，就必須發(fā)展出能夠適應(yīng)干旱的機(jī)制，形態(tài)特征和生理生化特征都會(huì)發(fā)生較大的變化。趙永平等[3]研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫誘導(dǎo)甜葉菊幼苗保護(hù)酶的活性發(fā)生了較大變化，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量急劇升高。馬艷紅等[4]的研究表明，干旱脅迫使得蒙古冰草根系的長度、表面積等各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)顯著增加，生理特性也發(fā)生了顯著變化。易家寧等[5]研究了干旱脅迫下紫蘇的生長及品質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫減少了紫蘇的地上部生物量，適當(dāng)干旱可以促進(jìn)葉片揮發(fā)油的合成。因此，充分認(rèn)識(shí)植物在干旱脅迫下的響應(yīng)顯得尤為重要，在抗旱植物篩選、培育和大面積推廣方面具有重大意義[6-7]。

聚合草（Symphytum officinale L.）為叢生型多年生牧草，具有耐寒、耐旱等優(yōu)良特性，蛋白質(zhì)、維生素含量較高，而且具有抗炎、止痛、調(diào)節(jié)免疫力等藥理作用，既可作為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的飼料牧草，還可作為優(yōu)良的中藥藥材[8]，具有較高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是，由于干旱的限制使得聚合草在干旱半干旱地區(qū)的引種栽培受到了制約。目前，關(guān)于聚合草的研究主要集中在栽培方式[9]、蛋白質(zhì)的提取[10-12]、多糖理化性質(zhì)[13]等方面，而在聚合草受干旱脅迫后的生理變化方面尚未見公開報(bào)道。因此，本研究采取盆栽試驗(yàn)，對(duì)不同干旱程度下聚合草的生理特性變化進(jìn)行研究，為干旱半干旱地區(qū)高質(zhì)量進(jìn)行聚合草的人工栽培，加速其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試材料為聚合草，挑選粗細(xì)均勻的種根進(jìn)行切段，用生根粉浸泡2 h，取出待用。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年在陜西省榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院進(jìn)行。采用營養(yǎng)液沙培法對(duì)聚合草進(jìn)行培養(yǎng)。取沙土過篩，去掉過細(xì)和過粗的沙土，經(jīng)過高溫消毒（121℃，30 min）后裝在入育苗盆（口徑18 cm×21 cm）中，將浸泡后的種根按每盆3株種在盆中，澆入適量的水，放入光照培養(yǎng)箱，每天光照13 h，[白天溫度（25±1）℃，夜間溫度（20±1）℃]，相對(duì)濕度設(shè)置為65%～75%。待出苗后，每隔2天澆灌200 mL Hoagland營養(yǎng)液以保證幼苗正常生長；幼苗長至第30天，長出4～5片葉子時(shí)，挑選長勢(shì)均勻的聚合草進(jìn)行干旱處理（含0%、5%、10%、 15%、20%、25%濃度PEG-6000的Hoagland溶液），處理2天后測(cè)定聚合草葉片的生理指標(biāo)。

1.3試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)與測(cè)定方法

可溶性糖（SS）、可溶性蛋白（SP）和游離脯氨酸（Pro）的含量分別采用蒽酮法、考馬斯特亮藍(lán)G-250染色法和磺基水楊酸提取茚三酮比色法測(cè)定，過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性分別采用愈創(chuàng)木酚顯色法和氮藍(lán)四唑光還原法測(cè)定[14-15]。

1.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Microsoft office Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1干旱脅迫對(duì)聚合草可溶性糖含量的影響

圖1為干旱脅迫對(duì)聚合草可溶性糖含量的影響。在干旱處理范圍（0%～25%）內(nèi)，聚合草葉片內(nèi)可溶性糖含量變化范圍在1.5～1.9μg/g。隨著PEG濃度不斷上升，可溶性糖含量隨之升高，當(dāng)PEG濃度為10%時(shí)，可溶性糖含量達(dá)到最大，為1.9μg/g，顯著高于其他各組（P<0.05），相比于CK升高了0.4μg/g。當(dāng)EG濃度超過10%繼續(xù)上升時(shí)，可溶性糖含量開始持續(xù)下降，當(dāng)PEG濃度升至25%時(shí)，可溶性糖含量降至最低值1.5μg/g，與CK無顯著性差異。

2.2干旱脅迫對(duì)聚合草可溶性蛋白含量的影響

聚合草葉片中可溶性蛋白含量與PEG濃度的關(guān)系如圖2所示。在本試驗(yàn)PEG濃度范圍（0%～25%）內(nèi)，聚合草葉片中可溶性蛋白含量先大幅上升，然后急劇下降。當(dāng)PEG濃度分別為5%和10%時(shí)，可溶性蛋白含量與CK相比分別提高了30.9μg/g和46.6μg/g，而且在PEG濃度為10%時(shí)可溶性蛋白含量達(dá)到最高值236.2μg/g。此后隨著PEG濃度增加，葉片中可溶性蛋白含量急劇下降，當(dāng)PEG濃度為25%時(shí)，含量降至最低值179.4μg/g。

2.3干旱脅迫對(duì)聚合草游離脯氨酸含量的影響

由圖3可看出，聚合草葉片中的游離脯氨酸含量隨著處理濃度的升高呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。當(dāng)試驗(yàn)PEG濃度設(shè)置為5%和10%時(shí)，脯氨酸含量分別為20.8μg/g、20.3μg/g，與CK相比分別下降了8.6μg/g、9.1μg/g，且兩者無顯著差異（P<0.05）。當(dāng)試驗(yàn)PEG濃度繼續(xù)逐漸升至25%時(shí)，葉片游離脯氨酸含量開始逐漸隨之升高，最高為44.4μg/g，顯著高于其他各組（P< 0.05）。

2.4干旱處理對(duì)聚合草POD活性的影響

聚合草葉片中POD活性隨著處理濃度的升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)（圖4）。隨著試驗(yàn)設(shè)置的PEG濃度從0%增加到10%，POD活性急速上升。當(dāng)PEG濃度為5%時(shí)，POD活性比CK升高了84.5 U/g·min，當(dāng)PEG濃度為10%時(shí)，POD活性升至最高值270.3 U/（g·min），相比CK升高了135.3 U/（g·min），當(dāng)PEG濃度大于10%時(shí)，POD活性逐漸下降，當(dāng)PEG濃度為25%時(shí)，降至最低值156.7 U/（g·min），仍高于CK。

2.5干旱脅迫對(duì)聚合草SOD活性的影響

SOD活性隨PEG濃度的變化規(guī)律如圖5所示，隨著PEG濃度的增加，聚合草葉片中SOD活性呈先上升后下降的趨勢(shì)。PEG濃度從0上升到10%時(shí)，SOD活性大幅度上升，在10%濃度處理時(shí)，SOD活性達(dá)到最大，為1167.7 U/g，相比CK升高了540.9 U/g，與5%處理相比升高了306.8 U/g。當(dāng)PEG濃度超過10%以后，SOD活性逐漸降低，且在25%時(shí)，SOD活性降至最低值605.6 U/g，低于CK。

3討論

植物在干旱脅迫的情況下，植物細(xì)胞中的可溶性糖和可溶性蛋白對(duì)維持植物細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的平衡起著重要的作用[16-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)設(shè)置PEG濃度范圍（0%～25%）內(nèi)，聚合草中可溶性糖和可溶性蛋白含量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)。說明當(dāng)PEG濃度剛開始上升時(shí)，聚合草體內(nèi)的應(yīng)激反應(yīng)加強(qiáng)了細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成，制造出了更多的可溶性糖和可溶性蛋白，從而使得細(xì)胞內(nèi)溶液濃度增加，最終降低了滲透勢(shì)，減少細(xì)胞水分以滲透的形式向外散失，維持細(xì)胞內(nèi)正常的生長所需水分。當(dāng)PEG濃度超過10%時(shí)，部分葉片生理功能被破壞開始枯萎，葉片含水量顯著下降，從而導(dǎo)致葉片中可溶性糖和可溶性蛋白也顯著下降，這與王磊等研究結(jié)果相符[6]。

植物的抗旱性越強(qiáng)，脯氨酸的累積能力越強(qiáng)[19]。在本試驗(yàn)設(shè)置PEG濃度范圍（0%～25%）內(nèi)，游離脯氨酸含量變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先下降后上升，原因可能是干旱脅迫程度比較輕時(shí)，聚合草為了適應(yīng)輕度脅迫，脯氨酸的消耗大于累積，消耗了葉片中一部分脯氨酸來維持植物體內(nèi)的代謝平衡，所以游離脯氨酸含量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)PEG濃度大于10%后，蛋白質(zhì)合成逐漸減少，脯氨酸合成加強(qiáng)、降解受抑、消耗減少，因此開始大量累積。區(qū)智等[17]的研究也有類似的結(jié)果。當(dāng)PEG濃度再向上升時(shí)，由于嚴(yán)重脅迫對(duì)細(xì)胞造成傷害，脯氨酸含量可能也出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，進(jìn)一步的結(jié)果還有待研究。

植物組織在干旱脅迫條件下，活性氧會(huì)大量增加損傷細(xì)胞，而過氧化物酶和超氧化物歧化酶可以高效地清除活性氧，保護(hù)細(xì)胞不被傷害[20-21]。本研究結(jié)果表明，聚合草在干旱脅迫下過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性隨著脅迫濃度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，干旱脅迫程度較輕時(shí)，植物通過自身保護(hù)系統(tǒng)對(duì)干旱做出應(yīng)對(duì)，通過POD活性和SOD活性增強(qiáng)來分解活性氧。當(dāng)PEG濃度大于10%后，此時(shí)干旱脅迫程度較重，植物體內(nèi)POD和SOD不足以應(yīng)對(duì)過量的活性氧，清除能力開始下降，植物細(xì)胞受損更加嚴(yán)重。本研究中聚合草的各項(xiàng)指標(biāo)在不同程度干旱脅迫下變化規(guī)律不同，但其變化趨勢(shì)有一個(gè)共同點(diǎn)，當(dāng)PEG濃度為10%時(shí)，所有指標(biāo)會(huì)出現(xiàn)最大或最小值，說明聚合草自身調(diào)節(jié)能力可以適應(yīng)10%PEG以下的脅迫，大于10%時(shí)，調(diào)節(jié)能力受到限制。

4結(jié)論

本研究通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)測(cè)定了干旱脅迫下聚合草葉片中可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量、POD和SOD活性，發(fā)現(xiàn)隨著PEG濃度的上升，聚合草葉片中可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、POD活性和SOD活性變化比較一致，均為先升高后下降，游離脯氨酸含量變化趨勢(shì)為先降低后上升。當(dāng)PEG濃度低于10%時(shí)，聚合草通過自身調(diào)節(jié)可維持正常生長，當(dāng)PEG濃度高于10%時(shí)，聚合草生長受到抑制。因此，聚合草具有一定的抗旱性，可以在輕度干旱環(huán)境下進(jìn)行大面積推廣。

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