稀土微肥對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗生理特性的影響

韓多紅，王恩軍，張 勇

(1. 河西學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000； 2. 甘肅省河西走廊特色資源利用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 張掖 734000)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，干旱脅迫成為限制農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要危害之一，特別是近幾年氣候變化使現(xiàn)在的干旱強(qiáng)度增強(qiáng)和頻率升高，嚴(yán)重影響了正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。黃芪是一種藥食同源植物，藥典中規(guī)定蒙古黃芪(Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge.var.mongholicus(Bge.)Hsiao)或膜莢黃芪(Astraglusmembranaceus(Fisch.)Bge.)的干燥根入藥，為中藥材黃芪[2]。目前，我國(guó)的黃芪種植區(qū)域主要在東北、華北及西北等地區(qū)。但大部分北方地區(qū)干旱頻發(fā)，嚴(yán)重影響和制約了我國(guó)大宗中藥材黃芪的生長(zhǎng)和生產(chǎn)，因此研究提高黃芪對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)性，增強(qiáng)其抗旱性對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

稀土微肥(Rare earth elements，REE)是稀土元素(原子序數(shù)從57到71的鑭系元素，以及與鑭系元素性質(zhì)極為相似的釔、鈧等共17種元素)肥料的簡(jiǎn)稱[3]。近年來(lái)，REE已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，實(shí)踐表明REE可促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高種子萌發(fā)能力，增加產(chǎn)量，增強(qiáng)抗逆性。研究表明，適量的REE可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[4]，緩解重金屬脅迫[5]，提高耐鹽性[6-7]，抗旱性[8]，減輕酸雨的脅迫毒害作用[3]等。目前，關(guān)于REE調(diào)控植物生長(zhǎng)的研究主要集中在農(nóng)作物上，但在中藥材方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以蒙古黃芪和膜莢黃芪為材料，研究根施REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗生理指標(biāo)的影響，探討REE緩解干旱脅迫的調(diào)節(jié)機(jī)制，以期為干旱半干旱地區(qū)黃芪的種植提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

蒙古黃芪和膜莢黃芪種子于2019年10月采自甘肅省張掖市誠(chéng)泰藥業(yè)有限公司黃芪種植基地大田中，自然陰干備用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)置處理

供試REE為水溶肥，由包頭市華農(nóng)士稀土肥業(yè)有限公司提供(稀土含量≥38%)。利用10%的PEG-6000模擬干旱脅迫，試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理：CK(蒸餾水)、P(PEG 10%)、Tl(PEG 10%+REE0.05%)、T2(PEG 10%+REE0.15%)、T3(PEG 10%+REE0.30%)、T4(PEG 10%+REE0.50%)。

1.2.2 種子預(yù)處理及幼苗脅迫處理

由于黃芪種子是硬實(shí)種子，種皮堅(jiān)硬且不透水，發(fā)芽較為困難，因此要進(jìn)行種子預(yù)處理。選取籽粒飽滿、大小一致的種子用98%的H2SO4處理2.5 min破除硬實(shí)，清水沖洗30 min后，用2% NaClO消毒5 min，蒸餾水沖洗干凈。選取預(yù)處理后的黃芪種子，放入恒溫培養(yǎng)箱中浸種催芽，待種子露白后播種于口徑高為8 cm×8 cm裝有蛭石的育苗缽內(nèi)，在人工光照氣候室內(nèi)培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度(22±1)℃，濕度70%，光照3000 Lx，用1/4 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液等量澆灌。幼苗二葉期時(shí)定苗，每缽定苗15株，在幼苗生長(zhǎng)51 d，10 cm高時(shí)進(jìn)行1.2.1處理。早8:00和晚18:00分別根施處理液5 ml，每組處理3重復(fù)，處理7 d后，剪取所有葉片測(cè)定生理指標(biāo)。

1.2.3 生理指標(biāo)的測(cè)定

相對(duì)葉綠素含量采用TYS-A型葉綠素測(cè)定儀測(cè)定[9]；脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮顯色法測(cè)定[9]；丙二醛(MDA)含量采用TBA法測(cè)定[9]；相對(duì)質(zhì)膜透性采用電導(dǎo)儀法測(cè)定[9]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)顯色法測(cè)定，過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測(cè)定[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，Duncn's新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較(P<0.05)，Origin 8.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗葉綠素含量的影響

由圖1可以看出，在P(干旱脅迫)處理下，蒙古黃芪和膜莢黃芪幼苗的葉綠素含量顯著降低，較CK下降了28.86%、25.02%。干旱脅迫下根施REE后，2種黃芪幼苗的葉綠素含量均出現(xiàn)升高，在T1處理時(shí)升至CK水平，在T3處理時(shí)達(dá)到最大值，蒙古黃芪和膜莢黃芪分別較P處理升高了103.27%、99.53%；在T4處理時(shí)，2種黃芪幼苗葉綠素含量較干旱脅迫處理的升幅較小，且均低于CK。

圖1 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗葉綠素含量的影響Fig. 1 Effects of REE on chlorophyll contents of A. membranaceus seedlings under drought stress

2.2 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

干旱脅迫會(huì)引起黃芪幼苗中可溶性糖和Pro等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化。由圖2可以看出，在P～T4處理下，2種黃芪幼苗的Pro含量呈現(xiàn)“先上升，后下降”的趨勢(shì)，在T3處理時(shí)達(dá)到最大值，然后開(kāi)始下降。在P處理下，2種黃芪幼苗的Pro含量均高于CK，與CK間均存在顯著性差異(P<0.05)。T3處理時(shí)，蒙古黃芪中的Pro含量與P處理相比，增加了122.38%，膜莢黃芪增加了107.27%。T1、T4處理時(shí)，2種黃芪幼苗的Pro含量差異不大(P>0.05)。

圖2 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗Pro含量的影響Fig. 2 Effects of REE on proline contents of A. membranaceus seedlings under drought stress

2.3 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗葉片活性氧相關(guān)物質(zhì)代謝的影響

干旱脅迫對(duì)黃芪幼苗葉片中的MDA含量和相對(duì)質(zhì)膜透性均有一定的影響。由圖3可以看出，P處理導(dǎo)致蒙古黃芪和膜莢黃芪幼苗的MDA含量大幅升高，分別比CK增加171.38%、206.71%。干旱脅迫下根施REE后，蒙古黃芪和膜莢黃芪幼苗的MDA含量開(kāi)始下降，在T3處理時(shí)降幅最大，分別較P處理下降了62.11%、58.69%，降至CK值附近，且T3處理與CK間不存在顯著性差異(P>0.05)。

圖3 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗MDA含量的影響Fig. 3 Effects of REE on MDA contents of A. membranaceus seedlings under drought stress

由圖4可以看出，在P處理時(shí)，蒙古黃芪和膜莢黃芪幼苗相對(duì)質(zhì)膜透性達(dá)到最大值，分別為CK的184.38%、180.24%。干旱脅迫下根施REE后，2種黃芪幼苗相對(duì)質(zhì)膜透性均出現(xiàn)了“先降后升”的現(xiàn)象，在T1～T3處理時(shí)逐漸下降，但在T4處理后升高。T4處理時(shí)，膜莢黃芪幼苗相對(duì)質(zhì)膜透性升至P處理的91.31%，兩者間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

2.5 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

干旱脅迫及增施REE對(duì)黃芪幼苗葉片中的SOD、POD和CAT活性均有一定程度的影響。由圖5可以看出，P～T4處理下的蒙古黃芪和膜莢黃芪幼苗中SOD活性均呈“先上升后下降”的趨勢(shì)，其中T3處理時(shí)SOD活性最大，與P處理相比升高了38.13%、43.47%。在T4處理時(shí)，蒙古黃芪幼苗SOD活性較P處理升高了5.92%，膜莢黃芪幼苗升高了2.26%，2種黃芪幼苗中的SOD活性均與P處理間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

圖4 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗相對(duì)質(zhì)膜透性的影響Fig. 4 Effects of REE on relative plasmas membrane permeability of A. membranaceus seedlings under drought stress

圖5 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗SOD活性的影響Fig. 5 Effects of REE on SOD activities of A. membranaceus seedlings under drought stress

圖6 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗POD活性的影響Fig. 6 Effects of REE on POD activities of A. membranaceus seedlings under drought stress

由圖6可以看出，P～T3處理下的蒙古黃芪和膜莢黃芪幼苗中POD活性均不斷升高，T3處理時(shí)POD活性達(dá)到最大值，與P處理相比升高了57.77%、71.28%。T4處理時(shí)，2種黃芪幼苗POD活性低于T3處理，兩者間存在顯著性差異(P<0.05)。

由圖7可以看出，在P～T4處理下，蒙古黃芪和膜莢黃芪幼苗中CAT活性均呈“先上升后下降”的趨勢(shì)，在T3處理時(shí)達(dá)到最大值，分別較P處理升高了47.99%、44.86%。在T4處理時(shí)CAT活性下降，蒙古黃芪和膜莢黃芪幼苗中CAT活性較P處理增加了2.11%、-1.02%，T4處理與P處理間均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

圖7 REE對(duì)干旱脅迫下黃芪幼苗CAT活性的影響Fig. 7 Effects of REE on CAT activities of A. membranaceus seedlings under drought stress

3 討論與結(jié)論

葉綠素是植物光合作用中最重要的物質(zhì)之一，也是反映葉片損傷程度最直接的指標(biāo)[10]。本研究表明，經(jīng)過(guò)干旱脅迫后，2種黃芪幼苗葉綠素含量與對(duì)照相比均大幅下降，說(shuō)明干旱脅迫破壞了光合色素的合成，這與吳嘉雯等的研究結(jié)論相似[11]。施加0.05%～0.50%REE后，2種黃芪幼苗的葉綠素含量均出現(xiàn)升高，以0.30%REE處理下升幅較大，說(shuō)明適量REE可以保護(hù)黃芪葉綠體結(jié)構(gòu)的完整性，有利于植物的正常生長(zhǎng)；Pro是植物內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，干旱條件下，Pro的含量增加能提高植物抗?jié)B透脅迫的能力[12]。本研究表明，干旱脅迫下2種黃芪幼苗Pro含量迅速增加，施加0.05%～0.50%REE后，Pro含量進(jìn)一步大量累積，在0.30%REE處理下達(dá)到最大值，說(shuō)明適量的REE能夠調(diào)控黃芪幼苗中Pro的合成，增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)能力，提高抗旱性。

質(zhì)膜相對(duì)透性和MDA含量是反映細(xì)胞膜系統(tǒng)受到傷害程度和膜脂過(guò)氧化程度的重要指標(biāo)[13]。本研究表明，干旱脅迫下2種黃芪幼苗的質(zhì)膜相對(duì)透性和MDA含量均大幅升高；施加0.05%～0.50%REE后，2種黃芪幼苗的質(zhì)膜相對(duì)透性和MDA含量均出現(xiàn)下降，說(shuō)明適量的REE能夠緩解膜脂過(guò)氧化反應(yīng)，減輕膜損傷，保護(hù)膜系統(tǒng)功能。

干旱脅迫會(huì)造成植物細(xì)胞膜損傷，呼吸速率降低，同時(shí)產(chǎn)生大量活性氧(ROS)[14]。SOD、POD和CAT是與植物抗逆相關(guān)的抗氧化關(guān)鍵酶，植物通過(guò)調(diào)節(jié)這些酶活性，保持活性氧代謝平衡，以減緩細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基積累和膜脂過(guò)氧化傷害[15]。本研究表明，干旱脅迫下2種黃芪幼苗的SOD、CAT、POD活性均出現(xiàn)升高，說(shuō)明黃芪幼苗可通過(guò)調(diào)節(jié)自身抗氧化酶的活性來(lái)緩解一定程度的干旱脅迫傷害；在施加0.05%～0.50%REE后，2種黃芪幼苗的SOD、CAT、POD 活性均呈“先上升，后下降”的趨勢(shì)，說(shuō)明REE能夠協(xié)同調(diào)控抗氧化酶系統(tǒng)，減少氧化傷害，但調(diào)控作用具有一定的閾值，過(guò)量REE的調(diào)控作用會(huì)減弱。

綜上所述，干旱脅迫會(huì)對(duì)2種黃芪幼苗的正常生長(zhǎng)造成抑制，適量的REE能有效緩解抑制作用，提高幼苗的抗旱性。其中，以根施0.30%稀土微肥處理的緩解效果較好。