干旱脅迫下外源硅對蒙古黃芪幼苗生理生化特性的影響

王惠珍　陸國弟　胡茹英　孫強　陳紅剛　王引權

摘要：目的??研究不同處理條件下蒙古黃芪幼苗的生理特性變化，探討干旱脅迫下外源硅對蒙古黃芪幼苗影響的生理機制。方法??采用沙培試驗，設置3個聚乙二醇模擬濃度和3個硅濃度，測定不同條件下蒙古黃芪幼苗葉綠素、丙二醛、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶指標，研究干旱脅迫下外源硅對蒙古黃芪幼苗生理生化特性的影響。結(jié)果??隨干旱脅迫增加，葉綠素總量和葉綠素a呈先增加后降低趨勢，葉綠素b呈降低趨勢;加入外源硅使葉綠素含量呈顯著增加趨勢。隨干旱脅迫增加，丙二醛含量呈增加趨勢，重度、中度脅迫分別較對照增加53.7%、40.6%;加入外源硅可減少丙二醛含量。隨干旱脅迫增加，游離脯氨酸（Pro）呈增加趨勢，中度脅迫為對照的1.7倍，重度脅迫分別為對照、中度脅迫的3.5、2.1倍;加入外源硅可使重度脅迫下Pro含量顯著升高。隨干旱脅迫增加，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性整體呈增加趨勢;加入外源硅使SOD活性降低但不顯著，POD在中度脅迫下顯著降低，CAT在重度脅迫下顯著降低。且以硅濃度為6?mmol/L時作用最明顯。結(jié)論??在干旱脅迫下，外源硅可使Pro處于更高水平，降低丙二醛含量，提高抗氧化酶活性，促進葉綠素合成，有利于蒙古黃芪幼苗生長。

關鍵詞：蒙古黃芪;干旱脅迫;硅;滲透調(diào)節(jié)物質(zhì);丙二醛;抗氧化酶

中圖分類號：R282.2????文獻標識碼：A????文章編號：1005-5304（2020）03-0067-04

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.201903322

Effects?of?Silicon?on?Physiological?and?Biochemical?Characteristics?of?Astragalus?membranaceus?Seedlings?under?Drought?Stress

WANG?Huizhen，?LU?Guodi，?HU?Ruying，?SUN?Qiang，?CHEN?Honggang，?WANG?Yinquan

Gansu?University?of?Chinese?Medicine，?Lanzhou?730000，?China

Abstract：?Objective?To?study?changes?of?physiological?characteristics?of?Astragalus?membranaceus?seedlings?under?drought?stress;?To?explore?the?physiological?mechanism?of?silicon?on?seedlings?of?Astragalus?membranaceus?under?drought?stress.?Methods?Sand?culture?test?was?adopted.?The?effects?of?silicon?on?physiological?and?biochemical?characteristics?of?Astragalus?membranaceus?seedlings?under?drought?stress?were?studied?by?measuring?chlorophyll，?MDA，?osmotic?regulators?and?antioxidant?enzymes?in?three?PEG-6000?simulated?concentrations?and?three?silicon?concentrations.?Results?With?the?increase?of?drought?stress，?the?total?contents?of?chlorophyll?and?chlorophyll?a?of?seedlings?increased?at?first?and?then?decreased，?and?chlorophyll?b?decreased，?and?the?chlorophyll?content?increased?significantly?with?the?addition?of?silicon.?MDA?increased?by?53.7%?and?40.6%?under?severe?and?moderate?stress?compared?with?CK，?respectively;?Silicon?could?reduce?MDA?production.?Proline?showed?an?increasing?trend?with?the?increase?of?drought?stress.?Moderate?stress?was?1.7?times?as?much?as?CK，?and?severe?stress?was?3.5?times?and?2.1?times?as?much?as?CK?and?moderate?stress;?Silicon?addition?could?significantly?increase?Proline?content?under?severe?stress.?The?activities?of?three?antioxidant?enzymes?（SOD，?POD?and?CAT）?in?seedlings?increased?as?a?whole?with?the?increase?of?drought?stress.?With?the?addition?of?silicon，?the?activities?of?SOD?decreased.?POD?decreased?significantly?under?moderate?stress，?and?CAT?decreased?significantly?under?severe?stress.?The?most?significant?effect?appeared?when?the?concentration?of?silicon?was?6?mmol/L.?Conclusion?Under?drought?stress，?the?application?of?silicon?can?make?Proline?at?a?higher?level，?reduce?the?content?of?MDA，?increase?the?activity?of?antioxidant?enzymes，?and?promote?chlorophyll?synthesis，?which?is?beneficial?to?the?growth?of?Astragalus?membranaceus?seedlings?under?drought?stress.

Keywords：?Astragalus?membranaceus;?drought?stress;?silicon;?osmotic?regulators;?malondialdehyde;?antioxidant?enzymes

蒙古黃芪Astragalus?membranaceus（Fish）Bge.?var.?Mongholicus（Bunge）Hsiao為十大隴藥之一，具有補氣升陽、固表止汗、利水消腫、斂疫生肌等功效[1]，目前主要分布在中國西北部干旱和半干旱地區(qū)，90%來源于人工栽培。干旱為西北地區(qū)影響植物體生長發(fā)育的主要因素，對植物造成的損失在所有非生物因素中居首位。甘肅省是蒙古黃芪的重要產(chǎn)區(qū)，干旱缺水嚴重影響蒙古黃芪產(chǎn)量和質(zhì)量，是制約其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一。硅是植物生長的有益元素，研究表明，硅可在一定程度上緩解干旱脅迫對植物生長發(fā)育造成的影響，施用硅肥有望成為提高干旱或半干旱地區(qū)作物產(chǎn)量的重要手段[2]。已有在甘草[3]、番茄[4]、水稻[5]、早熟禾[6]、紫花苜蓿[7]、草莓[8]、野生大豆[9]及小麥[10]等植物上進行硅對植物抗旱性影響的研究報道，而硅參與蒙古黃芪抗旱性的研究鮮見。因此，本試驗以2年生蒙古黃芪種子為材料，探討干旱脅迫下介外源硅的加入對蒙古黃芪幼苗生理特性的影響，為干旱及半干旱區(qū)蒙古黃芪的規(guī)范化種植及硅肥的施用提供參考。

1??儀器與試藥

UV759型紫外可見分光光度計，青島智匯谷信息技術有限公司;RXZ-1000智能型人工氣候箱，寧波江南儀器廠。

于甘肅省隴西縣蒙古黃芪田間采收種子，種子千粒重約5.35?g，長3.19～3.33?mm，寬2.47～2.58?mm，厚0.96～1.08?mm，經(jīng)甘肅中醫(yī)藥大學李成義教授鑒定為蒙古黃芪Astragalus?membranaceus（Fish）Bge.?var.?Mongholicus（Bunge）Hsiao種子。丙酮、硫代巴比妥酸、蒽酮、酸性茚三酮、愈創(chuàng)木酚、氮藍四唑、過氧化氫等試劑均為分析純，天津市大茂化學試劑廠。

2??方法

2.1??試驗設計

采用二因素完全隨機設計：一因素為聚乙二醇（PEG-6000）濃度，設3個水平，分別為0%（對照）、10%（中度脅迫）和20%（重度脅迫）;另一因素為硅濃度（K2SiO3作為硅源，SiO2換算），設3個水平，分別為0、3、6?mmol/L。共9個處理組合，各3次重復。種子以濃硫酸浸蝕20?min打破硬實現(xiàn)象，并用次氯酸鈉消毒2?min，蒸餾水沖洗3?min，用濾紙吸干多余水分，置于墊有高溫滅菌消毒細沙、直徑11?cm培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿精選大小均勻一致種子80粒，擺放間距為種子大小的2倍，置于25?℃恒溫、12?h光暗交替、相對濕度70%的RXZ智能型人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)。釆用稱重法每日定時補充蒸散的水分以維持溶液滲透勢恒定，將培養(yǎng)皿每日按一定的空間順序上下交換位置，第10日取樣測定幼苗生理特性指標。

2.2??指標測定

采用丙酮提取法測定葉綠素含量，硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量[11-12]，蒽酮比色法測定可溶性糖（SS）含量[12-13]，酸性茚三酮比色法測定游離脯氨酸（Pro）含量[12，14]，愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性[12，15]，氮藍四唑（NBT）法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性[12，16]，過氧化氫分解法測定過氧化氫酶（CAT）活性[17]。

2.3??統(tǒng)計學方法

采用SPSS22.0統(tǒng)計軟件進行分析。計量資料用?x（—）±s表示，組間比較采用新復極差法（SSR法）做顯著性測驗。P<0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

3??結(jié)果

3.1??干旱脅迫下外源硅對葉綠素含量的影響

隨干旱脅迫程度增加，葉綠素含量整體呈降低趨勢，其中葉綠素b在3個處理間差異無統(tǒng)計學意義，葉綠素a、葉綠素a/葉綠素b在重度脅迫下較對照分別降低13.6%、28.0%（P<0.05），中度脅迫與對照比較差異無統(tǒng)計學意義，見表1。在干旱脅迫基礎上，外源硅的加入使葉綠素含量均呈不同程度增加趨勢：在重度脅迫下，葉綠素總量和葉綠素a在6?mmol/L硅濃度下較0?mmol/L分別增加28.7%和18.8%（P<0.05），葉綠素a/葉綠素b在6、3?mmol/L硅濃度下較0?mmol/L分別增加23.0%、40.9%（P<0.05），葉綠素b在不同硅濃度處理間變化不顯著，見表2。

3.2??干旱脅迫下外源硅對丙二醛含量的影響

對照、中度脅迫、重度脅迫下蒙古黃芪幼苗丙二醛含量分別為（0.19±0.01）、（0.32±0.03）、（0.41±0.00）μmol/g，隨干旱脅迫程度增加，丙二醛含量呈增加趨勢，重度、中度脅迫較對照分別升高40.6%、53.7%（P<0.05）。在干旱脅迫基礎上加入外源硅可降低丙二醛含量：在中度脅迫下，3、6?mmol/L硅濃度較0?mmol/L分別降低25.0%、21.9%（P<0.05）;在重度脅迫下，3、6?mmol/L硅濃度較0?mmol/L分別降低22.0%、51.2%（P<0.05）。見表3。

3.3??外源硅對干旱脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

隨干旱脅迫程度增加，Pro含量呈增加趨勢。中度脅迫下Pro含量為對照的1.7倍，重度脅迫下Pro含量分別為對照、中度脅迫的3.5、2.1倍。在干旱脅迫基礎上加入外源硅使Pro含量呈增加趨勢，重度脅迫下變化最為顯著，硅濃度為6?mmol/L時分別較0、3?mmol/L增加30.9%、12.9%（P<0.05），3?mmol/L較0?mmol/L增加15.9%（P<0.05）。見表4。隨干旱脅迫程度增加，SS與Pro變化基本一致，呈曲折增加趨勢。外源硅對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)總量的影響見表5?？梢钥闯觯卸让{迫下硅濃度的作用效果不顯著，而在重度脅迫下，6?mmol/L硅濃度可顯著增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)總量。

3.4??干旱脅迫下外源硅對抗氧化酶活性的影響

隨干旱脅迫程度增加，3種抗氧化酶活性整體呈增加趨勢。重度、中度脅迫下SOD活性分別較對照增加25.5%、15.1%（P<0.05）;重度脅迫下POD活性分別較對照、中度脅迫增加42.8%、89.7%（P<0.05）;重度脅迫下CAT活性分別較對照、中度脅迫增加113.9%、250.3%（P<0.05）。見表6。在干旱脅迫基礎上，外源硅的加入對不同抗氧化酶的影響不一致：SOD活性呈降低趨勢但不同處理間差異無統(tǒng)計學意義，POD活性在中度脅迫下有顯著減低趨勢，CAT活性在中度脅迫下脅迫下顯著增加而在重度脅迫下顯著降低。見表7。

4??討論

葉綠素是參與光合作用的重要色素，其含量反映光合作用強弱。本試驗結(jié)果表明，隨干旱脅迫加劇，葉綠素總量、葉綠素a含量呈先升高后降低的趨勢，說明中度干旱脅迫有利于葉綠素的積累，而重度干旱脅迫使葉綠素合成受阻或降解;外源硅可使葉綠素含量顯著升高，尤其在重度脅迫下效果顯著?？赡苡捎谕庠垂杼岣吡酥参锟鼓嫘?，從而降低葉綠素的降解。

體內(nèi)活性氧增高能啟動膜質(zhì)過氧化作用，丙二醛是膜系統(tǒng)受傷害的重要指標之一，其含量可反映膜脂過氧化程度[18]。本試驗結(jié)果表明，丙二醛含量在干旱脅迫下顯著增加，說明細胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生與清除不平衡，導致細胞膜系統(tǒng)損傷;外源硅有保護細胞膜脂過氧化的作用，且6?mmol/L較3?mmol/L作用顯著。這與王惠珍等[12]對黨參的研究結(jié)果不一致，推測其原因，蒙古黃芪在重度干旱脅迫下仍對高濃度硅有一定吸收，表明蒙古黃芪抗旱性優(yōu)于黨參。

滲透調(diào)節(jié)是植物適應干旱脅迫的重要生理機制，在干旱脅迫下通過積累溶質(zhì)來降低滲透勢以維持膨壓，從而維持植株正常的生理過程。SS、Pro是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[19]。本試驗結(jié)果表明，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)隨干旱脅迫程度增加而成倍增加，說明蒙古黃芪遇到干旱脅迫可通過迅速增加體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)維持滲透勢，具有一定的抗旱性。外源硅可促進蒙古黃芪滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)總量增加，且對Pro的增加作用優(yōu)于SS，原因可能是硅直接參與植物生理生化過程而促進物質(zhì)合成。

干旱脅迫下，植物體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧，活性氧積累會導致細胞膜通透性增加，嚴重者致植物死亡。植物體內(nèi)抗氧化酶系協(xié)同作用以抵抗膜質(zhì)過氧化，其中SOD是清除氧自由基的關鍵酶，將氧自由基歧化為H2O2和H2O，CAT和POD協(xié)同清除體內(nèi)過多的H2O2[20]。本試驗結(jié)果表明，隨著干旱脅迫程度增加，抗氧化酶（SOD、POD、CAT）整體呈增加趨勢，與丙二醛測定結(jié)果一致，說明蒙古黃芪遇到干旱脅迫可迅速增加抗氧化酶活性來清除活性氧和過氧化物，避免細胞受到危害。外源硅的加入使抗氧化酶活性降低，原因可能是硅參與保護細胞免受過氧化作用，降低丙二醛含量，保護質(zhì)膜，降低O2-和H2O2產(chǎn)生速率。

綜上所述，在干旱脅迫下，外源硅的加入可使蒙古黃芪幼苗體內(nèi)Pro處于更高水平，降低丙二醛含量，提高抗氧化酶活性，促進機體葉綠素合成，且以硅濃度6?mmol/L作用最顯著。本研究可為指導生產(chǎn)實踐提供依據(jù)。

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（收稿日期：2019-03-25）

（修回日期：2019-04-17;編輯：陳靜）