干旱脅迫下厚樸幼苗的生理指標(biāo)及次生代謝產(chǎn)物對保水劑的響應(yīng)

曾　智, 陳根洪, 滕樹銳, 劉曉鵬, 江　念, 鄭小江

(1.湖北省民族生物資源保護與利用重點實驗室，湖北 恩施 445000；2.中國科學(xué)院西北高原生物研究所藏藥研究重點實驗室，青海 西寧 810001；3.湖北民族學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 恩施 445000；4.湖北民族學(xué)院林學(xué)院園藝學(xué)院，湖北 恩施 445000)

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干旱脅迫下厚樸幼苗的生理指標(biāo)及次生代謝產(chǎn)物對保水劑的響應(yīng)

曾智1,2, 陳根洪1,3, 滕樹銳1,4, 劉曉鵬1,3, 江念1,3, 鄭小江1,3

(1.湖北省民族生物資源保護與利用重點實驗室，湖北 恩施 445000；2.中國科學(xué)院西北高原生物研究所藏藥研究重點實驗室，青海 西寧 810001；3.湖北民族學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 恩施 445000；4.湖北民族學(xué)院林學(xué)院園藝學(xué)院，湖北 恩施 445000)

干旱脅迫; 保水劑; 紫油厚樸; 抗氧化酶系; 生理指標(biāo); 次生代謝產(chǎn)物

保水劑又稱為超強吸水劑，是一種強親水性基團適度交聯(lián)形成的具有松散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型功能高分子材料.其既不溶于水也難溶于有機溶劑，能在短時間內(nèi)吸收自身質(zhì)量幾百倍的水，并具有良好的保水性能[1-4].隨著保水劑應(yīng)用的拓展，種類已越來越多，主要包括淀粉系列[1]、纖維素系列[2-4]及合成聚合物系列.前兩類是以淀粉或纖維素為底物，接枝共聚親水性或水解后有親水性的單體，具有低成本、廢物資源化、易被降解的潛力[5].尤其纖維素類來源廣泛，是具有廣闊開發(fā)前景的環(huán)境友好型保水材料.合成聚合物類多直接由丙烯酸鹽交聯(lián)制得，雖然其反應(yīng)簡單易得且吸水率高，但試劑殘留、危害健康、不宜被降解等缺點，限制了這類保水劑的應(yīng)用及研發(fā)[6-7].在干旱半干旱地區(qū)，種子萌發(fā)或育苗[8-9]時施用適量的保水劑，不僅提高了種苗的萌發(fā)率和成活率，提高農(nóng)作物如棉花[10]、馬鈴薯[11]、西瓜[12]、花生[13]的產(chǎn)量和品質(zhì)，對土壤沙化的治理和防護也具有顯著效果[10]，但對喬木的應(yīng)用還比較有限.

厚樸(MagnoliaofficinalisRehd. et Wils.)為木蘭科木蘭屬喬木，是我國特有的珍稀保護植物和珍貴中藥材，被列為國家二級保護植物和二級保護中藥材[14-15].厚樸以樹皮為藥材，主要藥效成分為和厚樸酚與厚樸酚，具有抗過敏、抗抑郁、抑制酶活性、抗凝血、降膽固醇、降血壓，抗菌消炎、抗腫瘤、抗焦慮[16-23]等作用.傳統(tǒng)厚樸中藥以野生資源為主，由于市場供不應(yīng)求，許多產(chǎn)區(qū)無皮可產(chǎn)、無花可收[15].若能在干旱半干旱地區(qū)推廣種植提高產(chǎn)量，將有效緩解供求緊張.但厚樸主要生長于較濕潤地區(qū)，如何在保證品質(zhì)的情況下適應(yīng)干旱半干旱地區(qū)的生長條件亟待解決.為此，保水劑作為土壤微環(huán)境的改良劑，為資源開發(fā)研究者提供了方向.

本試驗以恩施道地藥材紫油厚樸為材料，通過盆栽試驗對1年生幼苗進行干旱脅迫處理，測定其各項生理指標(biāo)及次生代謝產(chǎn)物積累量，研究在干旱脅迫下保水劑對其生理及品質(zhì)的影響，為推廣厚樸種植及提高品質(zhì)提供理論指導(dǎo).

1　材料與方法

1.1材料

本試驗所用的1年生紫油厚樸幼苗均由湖北省農(nóng)科院中藥材研究所華中藥用植物園(湖北恩施市新塘鄉(xiāng)長嶺崗)提供.栽培基質(zhì)為湖北民族學(xué)院后山的黃沙土, 除去大塊雜質(zhì)后過20目篩，通風(fēng)晾干.鈉鹽型和鉀鹽型保水劑購自廣東省中山市恒廣源吸水材料有限公司，為白色顆粒；復(fù)合多功能型保水劑購于山東省東營市華業(yè)新材料有限公司，粉末狀.其他試劑為國藥標(biāo)準(zhǔn).

1.2材料栽培與處理

1.2.1處理設(shè)置試驗共設(shè)置8個處理：(1)不添加保水劑且供水處理，記為處理N；(2)不添加保水劑但干旱處理，記為處理(N+D)；(3)鈉鹽型保水劑和供水處理，記為處理Na；(4)鈉鹽型保水劑但干旱處理，記為處理(Na+D)；(5)鉀鹽型保水劑和供水處理，記為處理K；(6)鉀鹽型保水劑但干旱處理，記為處理(K+D)；(7)多功能型保水劑和供水處理，記為處理X；(8)多功能型保水劑但干旱處理，記為處理(X+D).每處理3個重復(fù)，即3株幼苗，共72株幼苗.

1.2.2材料栽培按0.4∶1 000(保水劑與黃沙土的干物質(zhì)質(zhì)量比)加入保水劑，即每盆裝入約2 kg干燥的黃沙土基質(zhì)和0.8 g的保水劑，處理N和N+D除外.選取高矮、莖桿粗細(xì)一致的幼苗直立于盆中，保水劑置于幼苗根部，覆上黃沙土.每盆1株幼苗.移栽后用Hoagland完全營養(yǎng)液[24]澆透基質(zhì)，每隔3～5 d澆一次營養(yǎng)液，保證幼苗的正常生長.

1.2.3干旱脅迫處理待幼苗生長狀態(tài)穩(wěn)定，約20 d后對干旱處理組進行干旱脅迫.用塑料袋套住幼苗，花盆基部密封，防止土壤水分受自然蒸發(fā)及降雨的影響.干旱脅迫處理組在干旱脅迫期間停止?fàn)I養(yǎng)液補給.葉片出現(xiàn)萎蔫時即取樣測定各項生理指標(biāo).

1.3生理指標(biāo)及次生代謝產(chǎn)物測定

1.3.1抗氧化酶系活性及生理指標(biāo)測定取樣：當(dāng)干旱脅迫處理組出現(xiàn)萎蔫的葉片時，選取頂端往下第3～4片葉片，置于冰上帶回實驗室.用純水洗去塵土并用濾紙擦凈，用清潔的剪刀迅速剪碎，稱取適量置于冰浴預(yù)冷的研缽中，再加入適量石英砂和pH 7.8的磷酸緩沖液.研碎后轉(zhuǎn)移到離心管中，在4 ℃ 5 000 r·min-1離心15 min，取上層清液測定各項生理指標(biāo).

1.3.2厚樸酚與和厚樸酚含量的測定取樣：待上述各項生理指標(biāo)測量完畢，取各處理組的幼苗3棵，剝離莖皮，置于60 ℃烘箱中烘干，粉碎，裝入自封袋，室溫保存于干燥皿中，待測.

制樣：稱取0.20 g莖皮干粉末置于具塞試管中，加入甲醇25 mL，搖勻密塞，浸漬24 h；濾過，量取濾液5 mL，定容至25 mL，搖勻，吸取上述溶液20 μL，過0.45 μm膜，取10 μL進行高效液相色譜(杭州賽析科技有限公司)分析.

標(biāo)準(zhǔn)曲線：分別稱取10 mg厚樸酚與和厚樸酚標(biāo)準(zhǔn)品，用甲醇溶解并定容至10 mL，即1 mg·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，再用甲醇依次稀釋至20、40、60、80和100 μg·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，進樣10 μL，得厚樸酚標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：y=3872x-1649,R2=0.9998；和厚樸酚的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：y=6897x-1162,R2=0.9998.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出莖皮的厚樸酚與和厚樸酚的含量.

HPLC的條件[30-31]：色譜柱Lichrospher C18 (250 mm×4.6 mm，5 μm) 購自江蘇漢邦科技有限公司，流動相為甲醇—水(78∶22)，流速設(shè)為1 mL·min-1，檢測波長294 nm，柱溫設(shè)為23 ℃.

1.4數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用SPSS 17.0進行單因素方差分析.

2　結(jié)果與分析

2.1保水劑對干旱脅迫下膜脂過氧化作用的影響

2.2干旱脅迫下3種保水劑對4種抗氧化酶活性的影響

由圖2可見，干旱處理各組CAT、POD、SOD和APX 4種酶的活性均顯著高于對照組，K和K+D組的SOD含量除外.其中CAT、POD和SOD活性較高，N+D和Na+D組顯著高于K+D和X+D組(P<0.05)，干旱脅迫下4種抗氧化酶活性在N+D和Na+D組較高，且POD的活性尤其高，在N+D和Na+D組中分別高達(dá)1 428.5和1 744.2 U·g-1，在K+D和X+D組也高達(dá)1 000 U·g-1.抗氧化酶在植物中起清除膜脂過氧化作用產(chǎn)生的自由基的作用.在干旱脅迫下，抗氧化酶活性均有不同程度的提高，說明紫油厚樸在干旱脅迫下啟動了自身的應(yīng)急反應(yīng)體系，來抵抗干旱引起的自由基的積累，減少對自身的傷害.試驗結(jié)果表明，干旱脅迫下，各組中酶活性均有不同程度的提高，起到了調(diào)節(jié)作用.

2.3干旱脅迫下保水劑對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖3可見，可溶性蛋白和脯氨酸含量在對照及鈉鹽型保水劑組中較高，且N和Na組分別與K和X組、N+D和Na+D組分別與K+D和X+D組達(dá)到顯著差異水平(P<0.05).無論厚樸幼苗是否受到干旱脅迫，可溶性糖的含量在鉀鹽型保水劑組中的含量始終最高，且K和K+D組分別與其它對應(yīng)的各組之間具有顯著差異(P<0.05)，這可能是由于鉀離子有利于葉綠素的合成，增強了鉀鹽型保水劑組中厚樸幼苗的光合作用效率，使其可溶性糖的含量高.但干旱脅迫組中可溶性糖含量整體高于對照組.由此說明，適度的干旱脅迫有利于厚樸中可溶性蛋白、脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)類物質(zhì)的積累，降低植物體內(nèi)外的滲透壓差，從而減少水分從植物體內(nèi)散失，增強其抗旱性.

圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05).

圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05).

2.4干旱脅迫下保水劑對厚樸酚與和厚樸酚含量的影響

由圖4可見，幼苗樹皮中厚樸酚與和厚樸酚的含量在干旱脅迫時明顯上升.厚樸酚在N與N+D組、K與K+D組中分別出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)；而和厚樸酚在除了鈉鹽型保水劑組外的其他3組中分別達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)，且在未干旱脅迫條件下，各組中和厚樸酚的含量也有明顯的差別，K組中和厚樸酚的含量最高.在干旱脅迫下，K+D組中和厚樸酚的含量比K組增加了0.75倍，是N+D組的1.41倍；N+D比N組增加了0.4倍，X+D比X組增加了0.31倍，而Na組只增加了0.04倍.通過比較發(fā)現(xiàn)，鉀鹽型保水劑處理中二者的積累量均較高，說明適度的K+和干旱更利于厚樸酚與和厚樸酚的積累.

3　結(jié)論與討論

圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05).

圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05).

在干旱脅迫下，4種抗氧化酶的活性、脯氨酸、可溶性糖和游離脯氨酸的含量均呈上升趨勢，與前人[33-35]的研究結(jié)果一致.且4種酶中POD的活性高，尤其在鈉鹽型保水劑組中高達(dá)1 744.2 U·g-1.植物性酶因較高的生物活性且對環(huán)境友好，是傳統(tǒng)化學(xué)物理方法為主的農(nóng)殘檢測的良好替代物[36-37].因此厚樸的葉片也可以作為植物酶的來源之一，但其結(jié)構(gòu)及理化特性還未見報道，若要開發(fā)利用需對其結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)進行深入研究.

通過HPLC對厚樸酚與和厚樸酚的分析可知二者在鉀鹽型保水劑組中積累量較高，尤其是和厚樸酚，且二者的結(jié)果比較一致，二者可能存在類似的生物合成途徑，但合成機理需進一步地深入研究. Aninbon et al[38]的研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下酚類成分在植物葉片和莖中的含量會增加，這與本研究中厚樸酚與和厚樸酚在干旱脅迫組中含量高的結(jié)果一致.Nichols et al[39]的研究結(jié)果顯示酚類物質(zhì)的積累有助于提高種間雜交白車軸草的抗旱性.但本試驗厚樸幼苗的抗旱性可能是保水劑或酚類物質(zhì)共同作用的結(jié)果，具體原因需進一步試驗證明.

干旱是阻礙農(nóng)林發(fā)展的重要環(huán)境影響因子之一.現(xiàn)已證實植物抗旱性是多個基因共同控制的綜合性狀，難以確定主效基因，且不同種類植物的抗性基因存在著差異，因此通過分子技術(shù)改善植物抗旱性仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)[40-41].保水劑通過改善土壤理化性質(zhì)為植物提供利于生長的微環(huán)境，同時適度干旱有利于次生代謝產(chǎn)物的積累，如紫油厚樸中厚樸酚與和厚樸酚的積累.基于本試驗結(jié)果，可考慮推廣紫油厚樸種植，防風(fēng)固沙的同時收獲厚樸中藥材，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的經(jīng)濟開發(fā)價值.

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(責(zé)任編輯:蘇靖涵 林國棟)

Responses of physiology and secondary metabolites inMagnoliaofficinalisseedlings to super absorbent polymers under drought stress

ZENG Zhi1,2, CHEN Genhong1,3, TENG Shurui1,4, LIU Xiaopeng1,3, JIANG Nian1,3, ZHENG Xiaojiang1,3

(1.Key Laboratory of Biological Resources Protection and Utilization of Hubei Province, Enshi, Hubei 445000, China;2.Key Laboratory of Tibetan Medicine Research, Chinese Academy of Sciences, Xining, Qinghai 810001, China;3.College of Biological Science and Technology, Hubei University for Nationalities, Enshi, Hubei 445000, China;4.School of Forestry and Horticulture, Hubei University for Nationalities, Enshi, Hubei 445000, China)

drought stress; super absorbent polymer;Magnoliaofficinalis; antioxidant enzyme; physiological index; secondary metabolites

2015-12-31

2016-03-29

國家自然科學(xué)基金項目(81460573)；生物資源保護與利用湖北省重點實驗室開放基金項目(PKLHB1525).

曾智(1986-)，女，博士研究生.研究方向：天然藥物化學(xué).Email：zengzhi11@outlook.com.通訊作者鄭小江(1958-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師.研究方向：植物生理及資源開發(fā)研究.Email：hbzxj123@126.com.

Q945.78

A

1671-5470(2016)05-0544-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.05.011