外源鈣對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.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750002；2.寧夏鹽池縣科學技術局，寧夏 鹽池 751500

甘草作為一種常用大宗中藥材，具有補脾益氣、清熱解毒、祛痰止咳、緩急止痛及調和諸藥等功效[1]。甘草除具有藥用價值外，還具有耐寒、耐熱、耐鹽堿、耐沙埋等優良特性，可起到防風固沙的作用，是我國西部干旱、半干旱荒漠地區生態環境保護的重要植物之一[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[3]。

水資源短缺是西北地區典型的氣候特征之一，甘草是干旱、半干旱地區重要的藥用植物資源，在生產過程中容易受到干旱災害的制約。提高干旱脅迫下甘草的產量和質量對我國甘草產業的發展具有非常重要的意義。Ca2+除作為細胞壁的結構物質外，也可以作為第二信使參與植物體內的許多生理活動，減輕環境脅迫對植物細胞膜造成的傷害，進而提高植物的抗逆性[4-6]。關于甘草抗旱生理的研究較多[7-9]，但關于外源鈣提高甘草抗旱能力的研究相對較少。本研究以1年生甘草種苗為材料，通過分析氯化鈣(CaCl2)對干旱脅迫下甘草生理特性的影響，探討了外源鈣對干旱脅迫下甘草生長的緩解作用，為緩解干旱脅迫對甘草生長的影響提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為1年生甘草種苗，由寧夏農林科學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 試驗設計

2017年4月下旬，在寧夏鹽池縣沙邊子試驗基地開展盆栽試驗，選取大小、長勢基本一致的甘草種苗移栽花盆內(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，于7月甘草枝葉生長盛期進行試驗處理。

本試驗設置干旱脅迫3個水平，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含水量；鈣處理兩個水平，分別為0 mmol·L-1(對照)、10 mmol·L-1CaCl2溶液，共6個處理，每組處理重復6次。進行干旱脅迫處理的同時，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，時間為上午9：00和下午6：00，以葉片濕潤而不滴水為標準。噴施CaCl2溶液7 d后，采集生長健康、無病蟲害葉片，液氮冷凍，-80 ℃保存，用于抗氧化酶活性及丙二醛含量的測定。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 抗氧化酶活性及丙二醛測定 采用氮藍四唑(NBT)法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性，采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量[10]。

1.3.2 光合生理指標測定 噴施CaCl2溶液7 d后，在上午9：00—11：00采用美國PP System公司生產的TPS-2便攜式光合儀測定葉片中凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度，采用SPAD-502型葉綠素計測定葉綠素相對含量。

1.4 數據處理

采用SPSS 20.0軟件對試驗數據進行統計分析，對組間數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，采用Duncan法進行差異統計學意義分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 外源鈣對干旱脅迫下甘草葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進行光合作用中光能吸收和傳遞的重要物質。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照增加4%和5%，差異無統計學意義(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計學意義(P<0.05)；不同小寫字母表示施鈣處理間差異具有統計學意義(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計學意義(P>0.05)；下同。圖1 外源鈣對干旱脅迫下甘草葉綠素含量的影響

2.2 外源鈣對干旱脅迫下甘草光合特性的影響

光合作用與植物的生長發育、產量形成以及次生代謝產物的合成積累關系密切[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、氣孔導度和胞間CO2濃度均呈先上升后下降趨勢，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、氣孔導度和胞間CO2濃度顯著高于對照(P<0.05)。蒸騰速率隨著干旱脅迫程度的加重呈下降趨勢。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照(P<0.05)。說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，減輕干旱脅迫對甘草生長造成的傷害。

注：A.凈光合速率；B.氣孔導度；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計學意義(P<0.05)；下同。圖2 外源鈣對干旱脅迫下甘草光合特性的影響

2.3 外源鈣對干旱脅迫下甘草抗氧化酶活性的影響

SOD、POD、CAT是清除植物體內活性氧的3種重要的抗氧化保護酶，能及時有效地清除代謝過程產生的活性氧，保護細胞膜系統免受活性氧的傷害[12]。干旱脅迫下，外源鈣對甘草抗氧化酶活性均產生影響(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；施用外源鈣后，甘草葉片SOD、POD活性有不同程度的提高，表現出相似的變化趨勢，在輕度脅迫時施用外源鈣的POD活性顯著高于對照(P<0.05)。與SOD和POD活性的變化規律不同，甘草葉片CAT活性隨著干旱脅迫的增加呈上升趨勢，且處理間差異不具有統計學意義(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)；與對照組相比分別上升了28%和49%，差異無統計學意義(P>0.05)。可見，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，減輕細胞膜受到傷害。表明外源鈣可通過提高保護酶系統活性而緩解干旱脅迫對甘草生長造成的傷害。

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

2.4 外源鈣對干旱脅迫下甘草MDA含量的影響

MDA是植物細胞膜脂過氧化反應最主要的產物之一，能引起細胞膜代謝紊亂，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，說明干旱脅迫下甘草葉片的細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胞膜脂過氧化產物MDA的積累，緩解了干旱脅迫對甘草葉片細胞膜造成的傷害。

圖4 外源鈣對干旱脅迫下甘草MDA含量的影響

3 結論與討論

干旱作為制約植物生長發育的主要逆境因素之一[4]，對植物的影響主要體現在生長、生理、光合等指標的改變。鈣不僅是植物生長發育所必需的營養元素，對于植物穩定細胞壁和細胞膜、產生體內酶與調控活性具有非常重要的作用[13]，也是植物的第二信使，參與植物體內的多種生理活動[5]。研究表明，植物可以通過提高體內的保護酶活性、滲透調節物質等來減輕干旱脅迫帶來的傷害；施加適宜濃度的外源鈣可以進一步升高植物體內保護酶活性，降低蒸騰速率，維持植物生長、生理和光合能力，增強植物對干旱的適應能力[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含水量、葉綠素含量及POD活性，降低了細胞膜透性[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。

光合色素是葉片進行光合作用的物質基礎，植物葉片中葉綠素含量的多少決定了其光合作用的強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，這與在干旱脅迫時水稻葉綠素含量持續下降的研究結果一致[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。植物依靠光合作用來積累同化物和能量，光合作用的強弱通過凈光合速率來表示。本研究中，甘草葉片凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度均隨著干旱脅迫程度的加劇呈先上升后下降趨勢，蒸騰速率呈下降趨勢，表明重度干旱脅迫導致甘草葉片氣孔關閉，減少植物水分的蒸騰，進而導致通過氣孔進入葉片的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，參與了調節和控制氣孔運動，增加了葉片的氣孔導度及蒸騰速率，改善了CO2的供應，進而提高了葉片的光合速率。

植物受到逆境脅迫時體內會產生大量的活性氧，若不能及時清除活性氧，就會對植物的生物膜系統造成破壞，進而嚴重傷害植株。MDA含量的高低反映了干旱脅迫對生物膜的破壞程度[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升高，而施用外源鈣后，各干旱脅迫下甘草MDA含量與對照相比均有所下降，表明外源鈣能在一定程度上減緩干旱脅迫對細胞膜造成的傷害。此外，甘草抗氧化酶活性隨著干旱脅迫的增加表現為：SOD、POD活性呈先增加后下降的趨勢，CAT活性呈上升趨勢。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，在輕度脅迫時施鈣的POD活性顯著高于對照(P<0.05)，表明外源鈣可有效調節活性氧代謝的平衡，抵御來自環境的氧化脅迫，這也是甘草適應干旱逆境的一個重要生理機制。

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，以緩解干旱脅迫對甘草造成的傷害，增強甘草對干旱脅迫的適應能力。但甘草對干旱脅迫的適應是一個十分復雜的生理生化過程，其生理指標的變化與形態結構的變化是密不可分的，其抗旱機理還有待于進一步深入研究。