PEG模擬干旱脅迫對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模擬干旱脅迫環境下聚合草葉片的生理變化，設置不同濃度的PEG溶液（0%、5%、10%、15%、20%、25%）進行處理，對其可溶性糖含量、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行測定。結果表明，隨著PEG濃度（0%～25%）的增加，可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量、POD活性、SOD活性均呈現先上升后下降的趨勢。當PEG濃度上升到10%時，POD和SOD活性達到最高值，分別為270.3 U/（g·min）、1167.7 U/g；可溶性糖和可溶性蛋白質含量達到最高值，分別為1.9μg/g、236.2μg/g。游離脯氨酸含量隨著PEG濃度的升高表現為先下降后上升的趨勢，當濃度為10%時，脯氨酸含量到達最低值20.3μg/g。研究結果表明聚合草具有一定的抗旱性，在輕度干旱環境下通過調節能力可以緩解自身受到的傷害。

關鍵詞：聚合草；PEG；干旱脅迫；生理特性；抗旱性

中圖分類號：S728.2文獻標志碼：A論文編號：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

干旱對植物生長有著極其嚴重的影響，其對植物造成的損失已經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都不同程度加重了干旱所帶來的災害[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[2]。干旱已經成為中國農林業發展的主要限制因子，給農林業帶來的損失也越來越嚴重。植物為了適應干旱環境，就必須發展出能夠適應干旱的機制，形態特征和生理生化特征都會發生較大的變化。趙永平等[3]研究發現干旱脅迫誘導甜葉菊幼苗保護酶的活性發生了較大變化，滲透調節物質含量急劇升高。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、表面積等各項形態指標顯著增加，生理特性也發生了顯著變化。易家寧等[5]研究了干旱脅迫下紫蘇的生長及品質情況，發現干旱脅迫減少了紫蘇的地上部生物量，適當干旱可以促進葉片揮發油的合成。因此，充分認識植物在干旱脅迫下的響應顯得尤為重要，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、耐旱等優良特性，蛋白質、維生素含量較高，而且具有抗炎、止痛、調節免疫力等藥理作用，既可作為優質高產的飼料牧草，還可作為優良的中藥藥材[8]，具有較高的生態和經濟價值。但是，由于干旱的限制使得聚合草在干旱半干旱地區的引種栽培受到了制約。目前，關于聚合草的研究主要集中在栽培方式[9]、蛋白質的提取[10-12]、多糖理化性質[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道。因此，本研究采取盆栽試驗，對不同干旱程度下聚合草的生理特性變化進行研究，為干旱半干旱地區高質量進行聚合草的人工栽培，加速其產業化生產提供可靠的科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

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

1.2試驗方法

試驗于2019年在陜西省榆林學院生命科學學院進行。采用營養液沙培法對聚合草進行培養。取沙土過篩，去掉過細和過粗的沙土，經過高溫消毒（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，放入光照培養箱，每天光照13 h，[白天溫度（25±1）℃，夜間溫度（20±1）℃]，相對濕度設置為65%～75%。待出苗后，每隔2天澆灌200 mL Hoagland營養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，挑選長勢均勻的聚合草進行干旱處理（含0%、5%、10%、 15%、20%、25%濃度PEG-6000的Hoagland溶液），處理2天后測定聚合草葉片的生理指標。

1.3試驗測定指標與測定方法

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G-250染色法和磺基水楊酸提取茚三酮比色法測定，過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性分別采用愈創木酚顯色法和氮藍四唑光還原法測定[14-15]。

1.4試驗數據統計與分析

利用Microsoft office Excel 2010軟件整理數據，采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析。

2結果與分析

2.1干旱脅迫對聚合草可溶性糖含量的影響

圖1為干旱脅迫對聚合草可溶性糖含量的影響。在干旱處理范圍（0%～25%）內，聚合草葉片內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PEG濃度為10%時，可溶性糖含量達到最大，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EG濃度超過10%繼續上升時，可溶性糖含量開始持續下降，當PEG濃度升至25%時，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濃度的關系如圖2所示。在本試驗PEG濃度范圍（0%～25%）內，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PEG濃度分別為5%和10%時，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%時可溶性蛋白含量達到最高值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PEG濃度為25%時，含量降至最低值179.4μg/g。

2.3干旱脅迫對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先降后升的趨勢。當試驗PEG濃度設置為5%和10%時，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）。當試驗PEG濃度繼續逐漸升至25%時，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先升后降的趨勢（圖4）。隨著試驗設置的PEG濃度從0%增加到10%，POD活性急速上升。當PEG濃度為5%時，POD活性比CK升高了84.5 U/g·min，當PEG濃度為10%時，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PEG濃度大于10%時，POD活性逐漸下降，當PEG濃度為25%時，降至最低值156.7 U/（g·min），仍高于CK。

2.5干旱脅迫對聚合草SOD活性的影響

SOD活性隨PEG濃度的變化規律如圖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。PEG濃度從0上升到10%時，SOD活性大幅度上升，在10%濃度處理時，SOD活性達到最大，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PEG濃度超過10%以后，SOD活性逐漸降低，且在25%時，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，植物細胞中的可溶性糖和可溶性蛋白對維持植物細胞滲透調節的平衡起著重要的作用[16-19]。本研究發現，在試驗設置PEG濃度范圍（0%～25%）內，聚合草中可溶性糖和可溶性蛋白含量呈現先增高后降低的趨勢。說明當PEG濃度剛開始上升時，聚合草體內的應激反應加強了細胞內滲透調節物質的合成，制造出了更多的可溶性糖和可溶性蛋白，從而使得細胞內溶液濃度增加，最終降低了滲透勢，減少細胞水分以滲透的形式向外散失，維持細胞內正常的生長所需水分。當PEG濃度超過10%時，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，這與王磊等研究結果相符[6]。

植物的抗旱性越強，脯氨酸的累積能力越強[19]。在本試驗設置PEG濃度范圍（0%～25%）內，游離脯氨酸含量變化趨勢表現為先下降后上升，原因可能是干旱脅迫程度比較輕時，聚合草為了適應輕度脅迫，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的代謝平衡，所以游離脯氨酸含量出現下降的趨勢。當PEG濃度大于10%后，蛋白質合成逐漸減少，脯氨酸合成加強、降解受抑、消耗減少，因此開始大量累積。區智等[17]的研究也有類似的結果。當PEG濃度再向上升時，由于嚴重脅迫對細胞造成傷害，脯氨酸含量可能也出現下降的趨勢，進一步的結果還有待研究。

植物組織在干旱脅迫條件下，活性氧會大量增加損傷細胞，而過氧化物酶和超氧化物歧化酶可以高效地清除活性氧，保護細胞不被傷害[20-21]。本研究結果表明，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先上升后下降的趨勢，干旱脅迫程度較輕時，植物通過自身保護系統對干旱做出應對，通過POD活性和SOD活性增強來分解活性氧。當PEG濃度大于10%后，此時干旱脅迫程度較重，植物體內POD和SOD不足以應對過量的活性氧，清除能力開始下降，植物細胞受損更加嚴重。本研究中聚合草的各項指標在不同程度干旱脅迫下變化規律不同，但其變化趨勢有一個共同點，當PEG濃度為10%時，所有指標會出現最大或最小值，說明聚合草自身調節能力可以適應10%PEG以下的脅迫，大于10%時，調節能力受到限制。

4結論

本研究通過室內盆栽試驗測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，發現隨著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為先降低后上升。當PEG濃度低于10%時，聚合草通過自身調節可維持正常生長，當PEG濃度高于10%時，聚合草生長受到抑制。因此，聚合草具有一定的抗旱性，可以在輕度干旱環境下進行大面積推廣。

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