外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草生理特性的影響△

安鈺，劉華，李明，李生兵，張清云

1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750002；2.寧夏鹽池縣科學(xué)技術(shù)局，寧夏 鹽池 751500

甘草作為一種常用大宗中藥材，具有補(bǔ)脾益氣、清熱解毒、祛痰止咳、緩急止痛及調(diào)和諸藥等功效[1]。甘草除具有藥用價(jià)值外，還具有耐寒、耐熱、耐鹽堿、耐沙埋等優(yōu)良特性，可起到防風(fēng)固沙的作用，是我國(guó)西部干旱、半干旱荒漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要植物之一[2]。此外，甘草及其提取物可作為添加劑使用，可廣泛用于煙草、食品和日用化工等行業(yè)[3]。

水資源短缺是西北地區(qū)典型的氣候特征之一，甘草是干旱、半干旱地區(qū)重要的藥用植物資源，在生產(chǎn)過程中容易受到干旱災(zāi)害的制約。提高干旱脅迫下甘草的產(chǎn)量和質(zhì)量對(duì)我國(guó)甘草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。Ca2+除作為細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)物質(zhì)外，也可以作為第二信使參與植物體內(nèi)的許多生理活動(dòng)，減輕環(huán)境脅迫對(duì)植物細(xì)胞膜造成的傷害，進(jìn)而提高植物的抗逆性[4-6]。關(guān)于甘草抗旱生理的研究較多[7-9]，但關(guān)于外源鈣提高甘草抗旱能力的研究相對(duì)較少。本研究以1年生甘草種苗為材料，通過分析氯化鈣(CaCl2)對(duì)干旱脅迫下甘草生理特性的影響，探討了外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草生長(zhǎng)的緩解作用，為緩解干旱脅迫對(duì)甘草生長(zhǎng)的影響提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為1年生甘草種苗，由寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所李明研究員鑒定為烏拉爾甘草GlycyrrhizauralensisFisch.的種苗。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年4月下旬，在寧夏鹽池縣沙邊子試驗(yàn)基地開展盆栽試驗(yàn)，選取大小、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的甘草種苗移栽花盆內(nèi)(盆口直徑30 cm，盆底直徑25 cm，高30 cm)，每盆移栽10株，土壤為沙壤土，定期澆水保持土壤濕潤(rùn)，于7月甘草枝葉生長(zhǎng)盛期進(jìn)行試驗(yàn)處理。

本試驗(yàn)設(shè)置干旱脅迫3個(gè)水平，分別為輕度(60%～65%)、中度(45%～50%)、重度(30%～35%)，采用稱重法控制土壤相對(duì)含水量；鈣處理兩個(gè)水平，分別為0 mmol·L-1(對(duì)照)、10 mmol·L-1CaCl2溶液，共6個(gè)處理，每組處理重復(fù)6次。進(jìn)行干旱脅迫處理的同時(shí)，用不同濃度CaCl2溶液噴施甘草葉片2 d，每天早晚各噴施1次，時(shí)間為上午9：00和下午6：00，以葉片濕潤(rùn)而不滴水為標(biāo)準(zhǔn)。噴施CaCl2溶液7 d后，采集生長(zhǎng)健康、無(wú)病蟲害葉片，液氮冷凍，-80 ℃保存，用于抗氧化酶活性及丙二醛含量的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1 抗氧化酶活性及丙二醛測(cè)定 采用氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用紫外吸收法測(cè)定過氧化氫酶(CAT)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過氧化物酶(POD)活性，采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛(MDA)含量[10]。

1.3.2 光合生理指標(biāo)測(cè)定 噴施CaCl2溶液7 d后，在上午9：00—11：00采用美國(guó)PP System公司生產(chǎn)的TPS-2便攜式光合儀測(cè)定葉片中凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度，采用SPAD-502型葉綠素計(jì)測(cè)定葉綠素相對(duì)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)組間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，采用Duncan法進(jìn)行差異統(tǒng)計(jì)學(xué)意義分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用中光能吸收和傳遞的重要物質(zhì)。由圖1可以看出，甘草葉片葉綠素含量隨著干旱脅迫程度的增加持續(xù)下降；施用外源鈣后，各干旱脅迫下甘草葉片葉綠素含量均有不同程度的提高，在輕度、中度干旱脅迫下，施用外源鈣的甘草葉片葉綠素含量較對(duì)照增加4%和5%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。表明適宜濃度的外源鈣能提高干旱脅迫下甘草葉片葉綠素含量。

注：LS.輕度脅迫，MS.中度脅迫，HS.重度脅迫；不同大寫字母表示未施鈣處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；不同小寫字母表示施鈣處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；ns表示同一干旱處理下未施鈣與施鈣間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；下同。圖1 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草葉綠素含量的影響

2.2 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草光合特性的影響

光合作用與植物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成以及次生代謝產(chǎn)物的合成積累關(guān)系密切[11]。從圖2可以看出，隨著干旱脅迫程度的加重，甘草葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度均呈先上升后下降趨勢(shì)，中度和重度脅迫下凈光合速率顯著高于輕度脅迫(P<0.05)。施用外源鈣后，不同干旱脅迫處理甘草葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度均明顯升高，輕度脅迫下葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度顯著高于對(duì)照(P<0.05)。蒸騰速率隨著干旱脅迫程度的加重呈下降趨勢(shì)。施用外源鈣后，不同干旱脅迫處理甘草葉片蒸騰速率均有不同程度升高，輕度脅迫下蒸騰速率顯著高于對(duì)照(P<0.05)。說(shuō)明外源鈣在不同干旱脅迫下可使甘草葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率升高，從而提高甘草光合氣體交換能力，減輕干旱脅迫對(duì)甘草生長(zhǎng)造成的傷害。

注：A.凈光合速率；B.氣孔導(dǎo)度；C.胞間CO2濃度；D.蒸騰速率；*表示同一干旱處理下未施鈣與施鈣間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；下同。圖2 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草光合特性的影響

2.3 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草抗氧化酶活性的影響

SOD、POD、CAT是清除植物體內(nèi)活性氧的3種重要的抗氧化保護(hù)酶，能及時(shí)有效地清除代謝過程產(chǎn)生的活性氧，保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)免受活性氧的傷害[12]。干旱脅迫下，外源鈣對(duì)甘草抗氧化酶活性均產(chǎn)生影響(見圖3)。甘草葉片SOD、POD活性隨著干旱脅迫程度的增加呈先增加后下降的趨勢(shì)；施用外源鈣后，甘草葉片SOD、POD活性有不同程度的提高，表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，在輕度脅迫時(shí)施用外源鈣的POD活性顯著高于對(duì)照(P<0.05)。與SOD和POD活性的變化規(guī)律不同，甘草葉片CAT活性隨著干旱脅迫的增加呈上升趨勢(shì)，且處理間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；施用外源鈣后，甘草葉片CAT活性在中度脅迫和重度脅迫明顯上升，在重度脅迫下CAT活性顯著高于輕度和中度脅迫(P<0.05)；與對(duì)照組相比分別上升了28%和49%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)?？梢?，外源鈣能明顯增加SOD、POD、CAT這3種酶活性，避免活性氧大量積累，減輕細(xì)胞膜受到傷害。表明外源鈣可通過提高保護(hù)酶系統(tǒng)活性而緩解干旱脅迫對(duì)甘草生長(zhǎng)造成的傷害。

注：A.SOD活性；B.POD活性；C.CAT活性。圖3 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草抗氧化酶活性的影響

2.4 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草MDA含量的影響

MDA是植物細(xì)胞膜脂過氧化反應(yīng)最主要的產(chǎn)物之一，能引起細(xì)胞膜代謝紊亂，其含量高低反映了植物受損傷的程度[13]。由圖4可以看出，甘草葉片MDA含量隨著干旱脅迫程度的增加升高，說(shuō)明干旱脅迫下甘草葉片的細(xì)胞膜受到了不同程度的損壞。施用外源鈣后，甘草MDA含量與對(duì)照相比有所下降，不同干旱脅迫下分別下降了17.6%、13.5%及11.9%。表明外源鈣可以減少甘草葉片細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的積累，緩解了干旱脅迫對(duì)甘草葉片細(xì)胞膜造成的傷害。

圖4 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甘草MDA含量的影響

3 結(jié)論與討論

干旱作為制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要逆境因素之一[4]，對(duì)植物的影響主要體現(xiàn)在生長(zhǎng)、生理、光合等指標(biāo)的改變。鈣不僅是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)于植物穩(wěn)定細(xì)胞壁和細(xì)胞膜、產(chǎn)生體內(nèi)酶與調(diào)控活性具有非常重要的作用[13]，也是植物的第二信使，參與植物體內(nèi)的多種生理活動(dòng)[5]。研究表明，植物可以通過提高體內(nèi)的保護(hù)酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等來(lái)減輕干旱脅迫帶來(lái)的傷害；施加適宜濃度的外源鈣可以進(jìn)一步升高植物體內(nèi)保護(hù)酶活性，降低蒸騰速率，維持植物生長(zhǎng)、生理和光合能力，增強(qiáng)植物對(duì)干旱的適應(yīng)能力[14]。干旱脅迫條件下(土壤含水量50%和35%)，用10 mmol·L-1CaCl2浸種處理，提高了苜蓿葉片相對(duì)含水量、葉綠素含量及POD活性，降低了細(xì)胞膜透性[15]。陳瑩等[16]研究表明，施加外源鈣能緩解干旱脅迫對(duì)木豆種子造成的傷害，提高木豆苗期抗旱能力。

光合色素是葉片進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物葉片中葉綠素含量的多少?zèng)Q定了其光合作用的強(qiáng)弱和光合速率的高低[17]。本研究中，甘草葉片葉綠素含量隨著干旱脅迫程度的增加呈下降趨勢(shì)，這與在干旱脅迫時(shí)水稻葉綠素含量持續(xù)下降的研究結(jié)果一致[18]，可能是甘草通過降低葉片中葉綠素含量從而使其免受干旱脅迫傷害的一種生理反應(yīng)。植物依靠光合作用來(lái)積累同化物和能量，光合作用的強(qiáng)弱通過凈光合速率來(lái)表示。本研究中，甘草葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度均隨著干旱脅迫程度的加劇呈先上升后下降趨勢(shì)，蒸騰速率呈下降趨勢(shì)，表明重度干旱脅迫導(dǎo)致甘草葉片氣孔關(guān)閉，減少植物水分的蒸騰，進(jìn)而導(dǎo)致通過氣孔進(jìn)入葉片的CO2減少，降低光合效率。施用外源鈣后，甘草葉片葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率在各干旱脅迫下均有不同程度提高，表明Ca2+維持了葉片葉綠素的合成，參與了調(diào)節(jié)和控制氣孔運(yùn)動(dòng)，增加了葉片的氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率，改善了CO2的供應(yīng)，進(jìn)而提高了葉片的光合速率。

植物受到逆境脅迫時(shí)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，若不能及時(shí)清除活性氧，就會(huì)對(duì)植物的生物膜系統(tǒng)造成破壞，進(jìn)而嚴(yán)重傷害植株。MDA含量的高低反映了干旱脅迫對(duì)生物膜的破壞程度[19]。本研究中，甘草葉片MDA含量隨著干旱脅迫程度的加劇持續(xù)升高，而施用外源鈣后，各干旱脅迫下甘草MDA含量與對(duì)照相比均有所下降，表明外源鈣能在一定程度上減緩干旱脅迫對(duì)細(xì)胞膜造成的傷害。此外，甘草抗氧化酶活性隨著干旱脅迫的增加表現(xiàn)為：SOD、POD活性呈先增加后下降的趨勢(shì)，CAT活性呈上升趨勢(shì)。而施用外源鈣后，干旱脅迫下甘草葉片SOD、POD、CAT活性有所提高，在輕度脅迫時(shí)施鈣的POD活性顯著高于對(duì)照(P<0.05)，表明外源鈣可有效調(diào)節(jié)活性氧代謝的平衡，抵御來(lái)自環(huán)境的氧化脅迫，這也是甘草適應(yīng)干旱逆境的一個(gè)重要生理機(jī)制。

因此，外源鈣可使干旱脅迫下甘草葉片的葉綠素含量增加，凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度提高，MDA含量下降及抗氧化酶活性升高，以緩解干旱脅迫對(duì)甘草造成的傷害，增強(qiáng)甘草對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力。但甘草對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)是一個(gè)十分復(fù)雜的生理生化過程，其生理指標(biāo)的變化與形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化是密不可分的，其抗旱機(jī)理還有待于進(jìn)一步深入研究。