西洋參對(duì)干旱脅迫的生理生化反應(yīng)

張淋淋，于紅霞，孟洪濤，孫海，呂林，左湘西，于海先，張亞玉※

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，長(zhǎng)春 130112；2.威海金頤陽(yáng)藥業(yè)有限公司，山東 威海 264400）

西洋參（Panax quinquefolius L.）為五加科人參屬多年生草本植物，別稱花旗參、西洋人參、洋參、美國(guó)人參、廣東人參等[1]，味苦、性涼、歸心、肺、腎經(jīng)，功能以補(bǔ)益為主，主要以干燥的根入藥，具有補(bǔ)氣養(yǎng)陰、清熱生津之功效[2]。原產(chǎn)于加拿大和美國(guó)，自20世紀(jì)80年代以來(lái)我國(guó)開始大面積引種，目前，中國(guó)已成為繼美國(guó)、加拿大之后世界第三大西洋參生產(chǎn)國(guó)及第一大消費(fèi)國(guó)[3]。

植物的生長(zhǎng)和發(fā)育往往受到各種生物和非生物脅迫的影響，其中，水分的影響尤為顯著[4]。干旱脅迫嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除系統(tǒng)之間失衡。生物自由基的累積會(huì)導(dǎo)致膜損傷和膜脂過(guò)氧化等，而植物體內(nèi)一系列的抗氧化酶類和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)組成的抗氧化防御系統(tǒng)則起到清除這些活性氧自由基[5～6]，保護(hù)細(xì)胞內(nèi)生物大分子結(jié)構(gòu)的作用[7]。研究表明，當(dāng)遭遇干旱時(shí)，洋甘菊株高、干重等減少[8]；隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，百里香葉綠素a、b及類胡蘿卜素含量下降[9]；黑果枸杞在干旱脅迫下超氧化物歧化酶（SOD）活性逐漸升高，過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性呈先上升后下降的趨勢(shì)[10]；鴨茅根系及葉片電導(dǎo)率、丙二醛含量逐漸增加，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和游離脯氨酸不斷積累，而超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶活性呈先升后降的趨勢(shì)[11]。

目前，關(guān)于干旱脅迫對(duì)西洋參生理特性影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，本試驗(yàn)以西洋參幼苗為試驗(yàn)對(duì)象，研究了干旱脅迫下西洋參的相關(guān)生理生化變化，旨在揭示其抗旱機(jī)制，為西洋參干旱條件下栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 植株、土壤及主要試劑 以2018年3月采收的2年生西洋參幼苗為試驗(yàn)材料，土壤取自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所左家所區(qū)自然保護(hù)區(qū)山皮土。三氯乙酸（分析純，生工生物工程上海股份有限公司）；石英砂，碳酸鈣（分析純，索萊寶生物科技有限公司）；95%無(wú)水乙醇（優(yōu)級(jí)純）、乙酸乙酯（分析純）、茚三酮（優(yōu)級(jí)純）、冰醋酸（分析純）（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；SOD酶活性、POD酶活性、CAT酶活性測(cè)定試劑盒（江蘇科銘生物技術(shù)有限公司）。

1.1.2 主要儀器 土壤水分溫度測(cè)定儀（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司）；紫外分光光度計(jì)、DDS-11A型電導(dǎo)儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；水浴鍋（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；550型酶標(biāo)儀、高速冷凍離心機(jī)（湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司）；制冰機(jī)、-80℃超低溫冰箱（三洋電機(jī)有限公司）

1.2 方法

試驗(yàn)于2018年5～6月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所進(jìn)行。采用盆栽方式，每盆（18cm 17cm）裝2.5kg基質(zhì)，選擇生長(zhǎng)勢(shì)一致的西洋參幼苗48株，每盆種4株。試驗(yàn)在25℃（晝）/20℃（夜）下進(jìn)行，日光溫室常規(guī)育苗，試驗(yàn)觀測(cè)前統(tǒng)一澆水至飽和并稱重，以后不再澆水，使其自然干旱。分別獲得4個(gè)土壤水分梯度：對(duì)照組，土壤含水量為田間持水量的75%～85%；輕度干旱組，土壤含水量為田間持水量的65%～75%；中度干旱組，土壤含水量為田間持水量的55%～65%；重度干旱組，土壤含水量為田間持水量的45%～55%。每處理3個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

西洋參幼苗葉綠素含量測(cè)定采用乙醇提取―紫外分光光度計(jì)法；電導(dǎo)率（EL）測(cè)定采用電導(dǎo)儀；根系活力測(cè)定采用TTC法[12]；丙二醛（MDA）含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法[13]；SOD活性、POD活性、CAT活性測(cè)定則分別采用相應(yīng)的試劑盒；脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測(cè)定[14]。所有生理指標(biāo)均3次重復(fù)測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2010和SAS9.4統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)葉綠素含量的影響

如圖1A、圖1B、圖1C所示，西洋參幼苗中葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量均隨土壤水分含量的降低呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中葉綠素a在輕度脅迫時(shí)達(dá)到最高值1.73mg/g，隨后下降，中度脅迫與重度脅迫處理組葉綠素a含量分別為1.58mg/g、1.48mg/g，均低于對(duì)照組的1.59mg/g；葉綠素b、類胡蘿卜素含量開始逐漸升高，均在中度脅迫時(shí)達(dá)到最高值，分別為0.61mg/g、0.43mg/g，在重度脅迫時(shí)下降為0.56mg/g、0.40mg/g，但仍分別高于對(duì)照組的0.48mg/g、0.36mg/g。其中葉綠素b在輕度、中度、重度脅迫時(shí)含量均顯著高于對(duì)照組，各脅迫組間差異不顯著，葉綠素a與類胡蘿卜素各組間的差異顯著性不明顯。

圖1 干旱脅迫對(duì)西洋參的影響Fig.1 Effect of drought stress on photosynthetic pigments of American ginseng

2.2 干旱脅迫對(duì)根系活力的影響

隨著土壤水分含量的降低，西洋參幼苗根系活力由對(duì)照組的0.52mg/（g·h）不斷降低，在重度脅迫時(shí)達(dá)到最低值0.29mg/（g·h），對(duì)照組與輕度脅迫組間差異不顯著，其余各處理組間差異顯著（P＜0.05）（圖 2）。

圖2 干旱脅迫對(duì)西洋參幼苗根系活力的影響Fig.2 Effect of drought stress on root activity of American ginseng

2.3 干旱脅迫對(duì)細(xì)胞膜穩(wěn)定性的影響

在干旱脅迫過(guò)程中，西洋參幼苗中MDA含量隨水分含量的降低而逐漸升高，由對(duì)照組的84.85nmol/g，到輕度脅迫條件下迅速增加至108.68nmol/g，中度脅迫條件下達(dá)到126.99nmol/g，在整個(gè)干旱脅迫過(guò)程中MDA含量持續(xù)增加，并在重度脅迫條件下達(dá)到最高值130.68nmol/g（圖3A）。其中，中度脅迫與重度脅迫兩處理間差異不顯著，其余各處理間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

電導(dǎo)率是評(píng)價(jià)植物細(xì)胞膜穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。由圖3B可知，西洋參幼苗在不同脅迫程度條件下，其電導(dǎo)率與MDA變化趨勢(shì)類似，都隨干旱脅迫程度的加重逐漸增加。電導(dǎo)率由最初的20.33%增加到26.56%，并在干旱脅迫過(guò)程中持續(xù)增加，在重度脅迫條件下達(dá)到最高值35.79%，其中，中度脅迫與重度脅迫兩處理間差異不顯著，其余各處理間差異達(dá)到顯著水平（P＜ 0.05）。

圖3 干旱脅迫對(duì)西洋參幼苗細(xì)胞膜穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of drought stress on cell membrane stability of American ginseng

2.4 干旱脅迫對(duì)抗氧化酶活性與抗氧化物含量的影響

由圖4A、圖4B、圖4C可以看出，干旱脅迫條件下SOD、POD、CAT活性隨土壤水分含量的降低呈先增加后降低的趨勢(shì)，在水分含量為55%～65%時(shí)均達(dá)到最大值，分別為 285.97U/g、18.03U/mg、289.6nmol/（min g），在重度脅迫時(shí)SOD、POD、CAT酶活性均有所下降，但仍顯著高于對(duì)照值。其中SOD的活性在中度脅迫與重度脅迫兩處理間差異不顯著，其余各處理間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。POD活性在干旱脅迫幾個(gè)處理組間差異不顯著，但均顯著高于對(duì)照組（P＜0.05）。CAT活性在輕度脅迫與中度脅迫兩處理間差異不顯著，其余各處理間差異達(dá)到顯著水平（P＜ 0.05）。

圖4 干旱脅迫對(duì)西洋參幼苗保護(hù)酶系SOD、POD、CAT活性變化的影響Fig.4 Effect of drought stress on antioxidant enzyme SOD，POD，CAT activities of American ginseng

2.5 干旱脅迫對(duì)游離脯氨酸含量的影響

逆境下植物細(xì)胞為了提高細(xì)胞液濃度，維持細(xì)胞膨壓和防止原生質(zhì)過(guò)度脫水，會(huì)產(chǎn)生并積累小分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸（Pro），以增強(qiáng)植物抗逆性[10]。如圖5所示，隨著干旱脅迫程度的加重，游離脯氨酸的含量持續(xù)增加，對(duì)照處理組的脯氨酸含量為512.76g/g，輕度脅迫組含量為734.63g/g，中度脅迫組含量為1 099.15g/g，重度脅迫組達(dá)到最大值1 220.32g/g，各處理間均達(dá)到了差異顯著水平（P＜0.05）。

圖5 干旱脅迫對(duì)西洋參幼苗脯氨酸含量的影響Fig.5 Effect of drought stress on proline content of American ginseng

3 討論

植物葉綠素含量是反映植物光合能力的重要指標(biāo)之一，因此，可在一定程度上反映植物在干旱脅迫下光合作用的變化。大多數(shù)研究表明，干旱脅迫條件下葉綠素含量會(huì)降低[15，16]，但也有研究表明，葉綠素含量隨土壤含水量降低呈先升高后降低的變化趨勢(shì)[17，18]。本研究表明，葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素均隨土壤水分含量的降低呈先升高后降低的趨勢(shì)。鄒春靜等[19]報(bào)道，葉綠素含量增加的原因可能與植物對(duì)環(huán)境因子的補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)有關(guān)，隨著脅迫強(qiáng)度的增加，超過(guò)了其補(bǔ)償能力，葉綠素含量下降。此外，葉綠素含量的增加也可能與葉片含水量下降有關(guān)。

干旱脅迫下，植物體內(nèi)活性氧自由基產(chǎn)生和清除的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，導(dǎo)致自由基的積累和膜脂質(zhì)過(guò)氧化，從而破壞膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。MDA含量和細(xì)胞質(zhì)膜透性的變化是反映干旱脅迫下細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化和質(zhì)膜損傷程度的重要指標(biāo)[11]。本研究結(jié)果表明，隨著干旱程度的增加，西洋參幼苗葉片MDA含量和電導(dǎo)率均高于適宜水分處理，并隨著干旱程度的增加呈不斷增加趨勢(shì)，表明干旱脅迫下膜系統(tǒng)均受到一定損傷，并隨著干旱程度的增加而加劇，這與季楊等[11]對(duì)鴨茅的相關(guān)研究結(jié)果一致。李永潔等[10]研究表明，隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，丙二醛含量先增后減再逐漸增加。這可能與材料本身特性或取樣時(shí)間有關(guān)。

在脅迫條件下，植株體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生對(duì)植物有毒害作用的物質(zhì)，如O2、H2O2等。為了防御、減少氧化損害，植物需要合理調(diào)節(jié)體內(nèi)抗氧化酶防御系統(tǒng)，SOD、POD、CAT就屬于這一系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶[20]，其中SOD能將氧自由基清除形成H2O2，而POD與CAT可把H2O2變?yōu)镠2O，它們協(xié)調(diào)一致的作用可使活性氧維持在一個(gè)較低水平[21]。在干旱條件下，抗氧化酶可清除活性氧自由基，但當(dāng)脅迫強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)，抗氧化酶活性降低，清除效率也隨之下降[22]。本研究表明，干旱脅迫下，西洋參葉片SOD、POD、CAT活性先升高后降低，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致。說(shuō)明西洋參幼苗體內(nèi)具有防御活性氧的抗氧化系統(tǒng)，它們?cè)谇宄杂苫确矫嫫鹬匾饔谩?/p>

綜上所述，西洋參幼苗可通過(guò)提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來(lái)維持細(xì)胞穩(wěn)定性，抵御干旱[23]，通過(guò)增強(qiáng)體內(nèi)的抗氧化酶活性及抗氧化物含量使之相互協(xié)調(diào)來(lái)提高其抗旱能力，減輕膜脂過(guò)氧化作用的傷害，從而減輕干旱脅迫造成的傷害。但它們是如何協(xié)同調(diào)節(jié)西洋參的抗旱性，還有待于進(jìn)一步深入研究。