干旱脅迫對箭葉淫羊藿生理生化的影響

許彩麗， 周易秈森， 謝喬穎， 徐慶國， 王旭軍

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 湖南 長沙 410128； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 3.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004)

箭葉淫羊藿Epimediumsagittatum(Sieb.et Zucc.) Maxim.為小檗科Berberidaceae淫羊藿屬EpimediumL.多年生草本植物，俗名三枝九葉草、仙靈脾等，廣泛分布于湖南、湖北、江西等地，生長在海拔200～1 750 m的山坡草叢、林下、灌叢、水溝邊或巖邊石縫中，與淫羊藿、朝鮮淫羊藿和柔毛淫羊藿等的干燥葉均為《中國藥典》中藥材淫羊藿的基源植物，具補(bǔ)腎陽、強(qiáng)筋骨、祛風(fēng)濕等功效，臨床上主要用于治療骨質(zhì)疏松、更年期綜合征、高血壓、冠心病等[1-4]?，F(xiàn)代藥理研究還表明，箭葉淫羊藿中的黃酮類化合物對肺癌、肝癌和白血病等病癥具有積極療效，從而進(jìn)一步增加了淫羊藿藥材的社會需求量，由于其種植技術(shù)尚未發(fā)展成熟，導(dǎo)致箭葉淫羊藿的野生資源不斷減少[5-7]。目前關(guān)于箭葉淫羊藿的研究主要集中于化學(xué)成分、藥理作用和新藥開發(fā)等方面[8]，而關(guān)于其規(guī)范化的栽培技術(shù)研究和生理生態(tài)方面的研究報(bào)道少見。作者前期研究結(jié)果表明，中度干旱脅迫處理( 60%～65% )下的箭葉淫羊藿生長較好[9]。本文進(jìn)一步測定了不同干旱脅迫處理下箭葉淫羊藿葉片葉綠素、抗逆性酶和丙二醛等生理生化指標(biāo)的變化規(guī)律，以期為箭葉淫羊藿規(guī)范化栽培提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在湖南省長沙市雨花區(qū)國家林下經(jīng)濟(jì)示范基地(113°01′30″E， 28°06′40″N)，海拔60～80 m。該地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫17.2 ℃，年均日照1 496～1 550 h、無霜期264 d，年降水量1 400～1 900 mm。土壤為地帶性第四紀(jì)紅壤，土壤的成土母巖為第四紀(jì)網(wǎng)紋層母質(zhì)， pH值為4.5～5.5。

1.2 試驗(yàn)材料

2019年1月，在下口直徑為10 cm、上口直徑為15 cm、高度為14 cm的塑料盆中種植生長良好且生長趨勢基本相同的箭葉淫羊藿植株，并將其置于避雨棚。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年8月，盆栽中的箭葉淫羊藿植株恢復(fù)生長后進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)。干旱脅迫試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，參照趙麗萍等[10]研究設(shè)置3個不同處理：對照組CK、輕度干旱脅迫T1和重度干脅迫T2，其土壤含水量分別為田間最大持水量的70%～75%、60%～65%和50%～55%。

根據(jù)箭葉淫羊藿一年三出復(fù)葉的特點(diǎn)，以當(dāng)年成熟復(fù)葉的中間葉為試驗(yàn)葉進(jìn)行測定。2019年8月1日至9月4日，每7天取樣1次。共取樣5次。

1.4 測定指標(biāo)與方法

葉綠素含量和丙二醛(malondialdehyde， MDA)含量測定參照李合生[11]的方法，采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的過氧化物酶(peroxidase， POD)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase， SOD)試劑盒分別測定POD和SOD活性。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析方法

采用Microsoft Excel 2016、SPSS 19.0和Prism 6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對箭葉淫羊藿葉綠素含量的影響

葉綠素含量的高低直接影響到植物的光合能力，是反映植物葉片生理活性變化的主要指標(biāo)之一，干旱脅迫則會影響植物葉綠素含量的變化，進(jìn)而影響植物的光合作用[12-13]。

由圖1可知，處理前期，箭葉淫羊藿干旱脅迫T1和T2處理的葉綠素含量低于CK處理，但并無顯著差異；隨著處理時間的增加，處理中期T1和T2處理的葉綠素整體顯著高于CK處理(P<0.05)；在處理后期，處理T1顯著低于CK處理且顯著高于T2處理，處理T2顯著低于CK和T1(P<0.05)。在干旱脅迫處理過程中，箭葉淫羊藿葉片中的葉綠素含量變化從整體上看，走勢為先升后降，說明干旱脅迫會使箭葉淫羊藿葉綠素含量發(fā)生變化，影響其生成。

2.2 干旱脅迫對箭葉淫羊藿過氧化物酶(POD)活性的影響

POD是細(xì)胞活性氧保護(hù)酶系統(tǒng)的成員之一，其作用是清除H2O2，保護(hù)植物體免受傷害[14]。從圖2可以看出，在8月21日之前，各處理的POD活性無顯著差異；隨著處理時間的延長，在處理中期，處理T1的POD活性與處理CK無顯著差異，但高于處理CK，而處理T2的POD活性顯著高于處理CK和T1，說明隨著干旱脅迫時間的延長和程度的增加，箭葉淫羊藿細(xì)胞膜系統(tǒng)遭受到的傷害程度也逐漸加大，植物通過增加POD 活性來降低自由基大量產(chǎn)生造成的過氧化傷害；在8月21日之后，處理T1和T2的POD活性迅速下降，8月28日與8月21日相比POD活性分別下降86.38%和93.48%，9月4日與8月21日相比POD活性分別下降96.05%和99.41%，8月21日之后的POD基本無活性，且均顯著低于處理CK，處理T2與T1無顯著差異，但T1的POD活性較高于T2，脅迫處理的POD變化趨勢與夏鵬云等[15]在大葉冬青葉片的研究中S3處理相似，但箭葉淫羊藿的下降要更加劇烈。表明在長時間的干旱脅迫條件下，植物細(xì)胞忍受活性氧的程度很有可能存在閾值，一旦超過了這個閾值，將會使植物遭受到極大的傷害[15]。

2.3 干旱脅迫對箭葉淫羊藿超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

細(xì)胞在維持正常生長和發(fā)育的過程中，離不開起著著非常重要作用的自由基清除劑SOD[16]。從圖3可以看出，隨著處理時間的延長，3個處理水平 SOD 活性表現(xiàn)趨勢不同。CK處理與T2處理SOD 活性走勢一致，均為先迅速上升后急劇下降，8月21日達(dá)到峰值，處理CK與T2在各個處理時期均無顯著差異；T1處理中的SOD 酶活性不斷增強(qiáng)，在處理前期和CK處理無顯著差異，在處理后期卻顯著高于處理CK和T2。說明，在8月21日之前，植物激活并不斷產(chǎn)生SOD清除大量的自由基；在8月21日之后，隨著脅迫時間的增加，T2處理的箭葉淫羊藿植株受到傷害，SOD的產(chǎn)生受到抑制，T2處理SOD 活性開始并持續(xù)降低；T1處理的箭葉淫羊藿能夠繼續(xù)產(chǎn)生SOD來清除干旱脅迫產(chǎn)生的自由基，降低傷害。

2.4 干旱脅迫對箭葉淫羊藿丙二醛(MDA)含量的影響

MDA作為膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物，可以和酶結(jié)合、交聯(lián)使酶失活，從而破壞生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，膜脂過氧化強(qiáng)弱一般用于表示評價逆境下自由基對細(xì)胞膜的傷害度，細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應(yīng)的高低，也是膜系統(tǒng)受傷害的重要標(biāo)志之一[17-18]，MDA含量越高，膜被傷害程度越重。

由圖4可知，3個處理水平丙二醛含量的變化趨勢整體上是一致的，呈雙峰型，均為有規(guī)律地上下波動。隨著處理時間的增加，MDA含量開始不斷增加，8月21日MDA含量下降，此時保護(hù)酶POD和SOD活性增加，說明POD和SOD同時作用，在受到干旱脅迫后箭葉淫羊藿植株進(jìn)行自我調(diào)整；隨脅迫時間的增加，各脅迫處理的MDA含量繼續(xù)增多，說明干旱脅迫對箭葉淫羊藿植株的影響增大，使得箭葉淫羊藿葉片中的保護(hù)酶活性降低，進(jìn)而活性氧大量積累，膜脂過氧化嚴(yán)重，MDA含量增多；最后通過再次調(diào)節(jié)使得MDA含量在9月4日下降，處理T1的MDA含量顯著低于處理CK、T2，說明干旱脅迫對細(xì)胞膜產(chǎn)生了一定的傷害，但箭葉淫羊藿植株仍能通過自我調(diào)整降低傷害，且處理T1的受傷害程度低于對照處理CK和處理T2。

3 討論

3.1 干旱脅迫對箭葉淫羊藿葉綠素含量的影響

光合色素不僅作為植物將無機(jī)物變成有機(jī)物的關(guān)鍵介質(zhì)，而且也是反映植物光合能力和營養(yǎng)作用的重要指標(biāo)之一，光合色素含量與各組分之間的比例對植物光合作用影響很大，并在一定程度上影響植株的正常生長及抗逆性[19]。

有研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致植物葉片上的氣孔關(guān)閉或植物葉肉細(xì)胞損傷、光合酶的活性降低，活性氧大量積累，抑制葉綠素的合成，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，加速其分解，引起葉綠素含量降低，光合速率降低，影響對光能的吸收和利用[20-22]。

王銘涵等[23]和沈思言等[24]對茶樹研究結(jié)果表明干旱脅迫下葉綠素含量增高，而郭春芳[25]和劉玉英等[13]對茶樹的研究結(jié)果表明干旱脅迫下葉綠素含量減少。本研究中，干旱脅迫處理下的箭葉淫羊藿葉綠素整體呈先升高后降低的趨勢，分析可能是土壤體積含水量和箭葉淫羊藿葉片的相對含水量在干旱脅迫處理前期時均下降到較低水平，葉片中的葉綠素表現(xiàn)為濃縮狀態(tài)，使得單位葉鮮重中葉綠素含量增加，隨著干旱脅迫時間的延長和程度的增加，箭葉淫羊藿細(xì)胞內(nèi)生理生化發(fā)生改變，葉綠體小部分降解，并且進(jìn)一步抑制了部分葉綠素合成酶的活性，使葉綠素合成受阻，導(dǎo)致葉綠素合成量明顯降低。這與曲東等[26]人進(jìn)行的干旱脅迫下硫?qū)τ衩兹~綠素含量的影響研究結(jié)果一致。在處理后期重度干旱脅迫下葉綠素合成量顯著低于中度和對照組，重度干旱脅迫下箭葉淫羊藿植株葉綠素合成受脅迫影響最大，中度干旱脅迫影響較小。

3.2 干旱脅迫對箭葉淫羊藿SOD、POD 活性和MDA 含量的影響

當(dāng)植物在無脅迫環(huán)境中生長，細(xì)胞中自由基的產(chǎn)生和清除表現(xiàn)為動態(tài)平衡；在干旱脅迫下，植物體內(nèi)積累過量的活性氧自由基，引發(fā)細(xì)胞膜脂過氧化，終產(chǎn)物 MDA 含量增加，細(xì)胞膜的完整性被破壞，細(xì)胞代謝紊亂，植物組織造成損傷，為了緩解干旱脅迫下引起的傷害，體內(nèi)會迅速啟動抗氧化的消除系統(tǒng)，激發(fā)SOD、POD等保護(hù)酶[17，27]。本研究中，箭葉淫羊藿POD、SOD保護(hù)酶活性和MDA含量在干旱脅迫處理期間均有變化，POD活性總體趨勢為先升高后下降，這與賈鑫等[27]人對蒙古黃芪的研究結(jié)果與張翠梅等[28]人對苜蓿的研究結(jié)果基本一致；SOD活性除處理T1為持續(xù)上升外，處理CK與處理T2均先增加后降低，MDA含量的三個處理均呈雙峰曲線。

當(dāng)干旱脅迫發(fā)生時，箭葉淫羊藿為了避免細(xì)胞膜遭受氧化傷害，激發(fā)保護(hù)酶，在一定程度上能提高保護(hù)酶 SOD和POD的活性，積極應(yīng)對干旱脅迫形成的威脅，緩解自由基大量產(chǎn)生而造成植物細(xì)胞過氧化損傷，但是箭葉淫羊藿植株的POD、SOD僅在一定范圍上保持有清除自由基的能力，在長時間和重度干旱脅迫下，箭葉淫羊藿植株的保護(hù)酶 SOD和POD活性最后均逐漸降低，其抗氧化能力將逐漸衰退；而中度干旱脅迫下的箭葉淫羊藿植株仍然能夠激發(fā)保護(hù)酶，繼續(xù)積極應(yīng)對干旱脅迫。

MDA含量對SOD活性有抑制作用，抑制效應(yīng)與MDA含量成正比，隨著MDA含量的增大抑制效應(yīng)而增強(qiáng)[29]。在干旱脅迫處理時，MDA整體上不斷積累且不可逆地抑制 SOD活性，中度干旱脅迫處理T1在處理中后期MDA含量較重度干旱脅迫處理T2小，對處理T1的SOD活性抑制度不夠強(qiáng)，處理T1的SOD曲線持續(xù)增加；重度干旱脅迫處理T2中高濃度MDA抑制SOD活性，SOD曲線降低，這可能是SOD活性與POD活性變化趨勢在干旱脅迫處理過程中不一致的原因。而對照組CK的MDA含量始終高于干旱脅迫處理，暗示了除了膜脂過氧化作用以外，在植物生長過程中還有別的生理過程參與質(zhì)膜透性的改變。

4 結(jié)論

箭葉淫羊藿干旱脅迫處理下葉綠素含量均受到影響，且重度干旱脅迫處理的箭葉淫羊藿植株葉綠體降解較為嚴(yán)重，抑制了部分葉綠素合成酶的活性，葉綠素明顯降低。POD、SOD保護(hù)酶和MDA有協(xié)同作用，能夠通過自我調(diào)節(jié)來應(yīng)對不利環(huán)境，減少損傷，中度干旱脅迫下的箭葉淫羊藿植株仍然能夠激發(fā)保護(hù)酶、繼續(xù)積極應(yīng)對干旱脅迫，而重度干旱脅迫處理較中度干旱脅迫處理膜脂過氧化作用強(qiáng)，重度干旱脅迫處理受到的傷害最大。