藥用型紅花苗期抗旱性評(píng)價(jià)△

王沛琦，胡尊紅，楊謹(jǐn)，李學(xué)芬，胡學(xué)禮*，劉旭云*

1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所，云南 昆明 650205；2.云南鴻翔中藥科技有限公司，云南 昆明 650033

紅花CarthamustinctoriusL.為菊科紅花屬1年生草本植物[1]，別名刺紅花、菊紅花、草紅花，花瓣及紅花籽油皆可入藥。其栽培歷史悠久，全球均有分布，在我國(guó)主要分布于新疆、云南、河南、山東、四川等地[2]。

紅花在我國(guó)主要種植于干旱及半干旱山區(qū)。降雨量稀少和季節(jié)性干旱是限制紅花產(chǎn)量及品質(zhì)的最重要因素。近幾年，國(guó)內(nèi)紅花研究主要集中在資源多樣性分析[3-5]、組織培養(yǎng)[6-7]、色素提取[8-9]、遺傳多樣性分析[10-11]、藥用物質(zhì)提取及測(cè)試分析[12]、臨床醫(yī)學(xué)作用[13-14]等方面，對(duì)其抗旱性的研究報(bào)道較少。本研究以羥基紅花黃色素A質(zhì)量分?jǐn)?shù)>2.0%、山柰素質(zhì)量分?jǐn)?shù)>0.085%的10個(gè)藥用型紅花為材料，采用盆栽控水法研究不同干旱處理下紅花的生理生化指標(biāo)變化，為培育高產(chǎn)耐旱的藥用型紅花品種和紅花的抗旱栽培提供依據(jù)。

1 材料

供試材料10份，由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所特色作物研究中心提供，供試材料信息見表1。

表1 紅花供試材料信息

Li-6400型便攜式光合測(cè)定儀(北京力高泰科技有限公司)。過氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)測(cè)定試劑盒均購(gòu)于南京建成生物工程研究所；水為純凈水。

2 方法

試驗(yàn)于2017年9月在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所大棚內(nèi)進(jìn)行。供試材料種植在高23 cm、直徑35 cm的圓形塑料盆內(nèi)，每盆裝混合基質(zhì)[營(yíng)養(yǎng)土-酸性紅土(1∶1)]8 kg。當(dāng)苗期植株長(zhǎng)至4片真葉時(shí)進(jìn)行干旱處理，每天8：00和18：00采用稱質(zhì)量法補(bǔ)水控水并記錄，維持土層的平均土壤相對(duì)含水量75%(對(duì)照)、60%(輕度干旱)、45%(中度干旱)、30%(重度干旱)4個(gè)梯度。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。處理后每重復(fù)選取3株，在第十天選擇從下往上的第二葉位葉片，測(cè)定光合參數(shù)及各相關(guān)生理生化指標(biāo)。

在紅花幼苗期，對(duì)不同處理植株的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、SOD活性、POD活性、MDA 含量指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。SOD、POD活性及MDA含量按照試劑盒提供的操作步驟進(jìn)行測(cè)定。光合指標(biāo)使用便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為9：00—11：00，設(shè)定光強(qiáng)為1200 μmol·m-2·s-1，溫度為25 ℃，大氣二氧化碳濃度為400 μmol·mol-1，取紅花植株的倒數(shù)第二葉位葉進(jìn)行測(cè)定，每株均3次讀數(shù)，求其平均值。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理、SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析、主成分分析等相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

參照侯建華等[15]模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，計(jì)算各種質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。

指標(biāo)與抗旱性呈正相關(guān)：U(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

指標(biāo)與抗旱性呈負(fù)相關(guān)：U(Xj)=1-(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

式中，X代表種質(zhì)，j代表用于隸屬函數(shù)分析的第j項(xiàng)指標(biāo)；Xj代表某紅花種質(zhì)第j項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)值，Xjmin為全部紅花種質(zhì)第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值，Xjmax為全部紅花種質(zhì)第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值。最后，求出各紅花種質(zhì)隸屬函數(shù)值的平均值。

3 結(jié)果

3.1 干旱脅迫對(duì)紅花植株形態(tài)的影響

在輕度干旱脅迫下，紅花地上部分植株形態(tài)變化不明顯，部分紅花品種(系)根系較對(duì)照增長(zhǎng)0.8～1.7 cm；在中度干旱脅迫下，紅花地上部分植株形態(tài)變化同樣不明顯，其根系長(zhǎng)度與對(duì)照差異不大；在重度干旱脅迫下，剛開始紅花地上部分植株形態(tài)變化不明顯，在干旱處理6 d后部分紅花品種(系)的葉子基部出現(xiàn)少量發(fā)黃及萎蔫，根系長(zhǎng)度較對(duì)照稍短(圖1)。

注：A.對(duì)照；B.輕度干旱；C.中度干旱；D.重度干旱(第二天)；E.重度干旱(第六天)。圖1 干旱脅迫試驗(yàn)照片

3.2 干旱脅迫對(duì)紅花光合指標(biāo)的影響

10個(gè)紅花品種(系)無論在正常條件還是在干旱脅迫下，其Pn差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。隨著干旱脅迫程度的加劇，10個(gè)紅花品種(系)的Pn與對(duì)照相比都有較大幅度的下降。其中，BXY1728、BXY2110、BXY2057、BXY750、BXY1466下降較快，特別是在中度及重度干旱脅迫時(shí)；BXY1465、BXY512、BXY1466下降較平緩(圖2)。

注：不同小寫字母表示P<0.05；下同。圖2 干旱脅迫對(duì)不同紅花品種(系)幼苗Pn的影響

干旱脅迫下，10個(gè)紅花品種(系)的Tr，不同程度上低于對(duì)照，意味著干旱對(duì)不同紅花品種(系)的Tr抑制程度不同。隨著干旱脅迫程度的加劇，10種紅花品種(系)葉片的Tr都有較大幅度的下降，但不同處理間下降的趨勢(shì)不同，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。與對(duì)照相比輕度干旱與中度干旱時(shí)Tr下降幅度較大，重度干旱脅迫時(shí)5個(gè)材料下降緩慢，其余5個(gè)材料較中度干旱脅迫時(shí)略有上升(圖3)。

圖3 干旱脅迫對(duì)不同紅花品種(系)幼苗Tr的影響

干旱脅迫下，10 個(gè)紅花品種(系)的Gs均低于對(duì)照，且各品種(系)間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。隨干旱脅迫程度的加重，10種紅花品種(系)葉片的Gs都有較大幅度的下降，在重度干旱下BXY1465、BXY512、BXY426的下降幅度較小，BXY750、BXY1728、BXY2110與對(duì)照相比下降幅度最大，分別為93.24%、93.19%、91.44%，說明干旱條件下，不同品種(系)的紅花植株葉片調(diào)節(jié)氣孔開度程度不同(圖4)。

圖4 干旱脅迫對(duì)不同紅花品種(系)幼苗Gs的影響

隨著干旱脅迫程度的加重，10種紅花品種(系)葉片的胞間Ci在輕度干旱脅迫時(shí)與對(duì)照相比呈下降趨勢(shì)，BXY426的降幅最低，BXY512次之，BXY2110與BXY750的降幅最大，說明在輕度干旱時(shí)，BXY426的葉肉細(xì)胞中含有充足的二氧化碳，能夠維持較高的光合速率。當(dāng)在中度及重度干旱脅迫時(shí)與輕度干旱相比呈緩慢升高趨勢(shì)，且與對(duì)照相比變化不大(圖5)。

圖5 干旱脅迫對(duì)不同紅花品種(系)幼苗Ci的影響

3.3 干旱脅迫對(duì)紅花生理指標(biāo)的影響

MDA含量是植物膜脂質(zhì)過氧化程度的一個(gè)指標(biāo)，其高低可以直接反映植物遭受逆境傷害程度的大小。干旱脅迫對(duì)10個(gè)紅花品種(系)MDA含量的影響見圖6。由圖6可知，隨著干旱脅迫程度的加重，10個(gè)紅花品種(系)與對(duì)照相比MDA含量逐漸增大，其中BXY1805、BXY1728、BXY750、BXY2110、BXY1859增幅較大，BXY1465增幅最小。

圖6 干旱脅迫對(duì)不同紅花品種(系)MDA含量的影響

植物在逆境條件下保持較高的抗氧化酶活性，能有效地清除活性氧或降低活性氧產(chǎn)生，從而緩解活性氧積累對(duì)植物造成傷害，提高抗逆性。SOD和POD的活性大小可以反映植物本身對(duì)O2-和 H2O2等活性氧的清除能力。干旱脅迫對(duì)紅花材料幼苗期葉片抗氧化酶活性的影響見圖7～8。從圖中可以看出，10個(gè)紅花材料的SOD、POD 活性在不同干旱脅迫下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。隨著干旱脅迫程度的加重，10種紅花品種(系)葉片的SOD值總體呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。其中，BXY1805及BXY2110在輕度干旱脅迫時(shí)SOD值達(dá)到最大，在中度干旱時(shí)開始下降，其余品系均在重度干旱時(shí)SOD值才呈下降趨勢(shì)。POD總體呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，在輕度干旱時(shí)增幅不大。

圖7 干旱脅迫對(duì)不同紅花品種(系)SOD活性的影響

圖8 干旱脅迫對(duì)不同紅花品種(系)POD活性的影響

3.4 紅花品種(系)耐旱性綜合評(píng)價(jià)

在中度干旱脅迫時(shí)，紅花品種(系)的各項(xiàng)指標(biāo)變化較為明顯，能較好地反映其耐干旱的能力。7個(gè)測(cè)量指標(biāo)的主成分分析結(jié)果見表2。原先的7個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成了2個(gè)主成分，這2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為87.530%，包含了測(cè)量指標(biāo)的絕大部分信息，2個(gè)主成分CI1、CI2的貢獻(xiàn)率分別為70.570%、16.960%。在第一主成分CI1中，載荷較高且符號(hào)為正的是Gs與Tr，在第二主成分CI2中，載荷較高且符號(hào)為正的是POD。綜合分析后得出Gs、Tr及POD對(duì)紅花品種(系)的耐旱性評(píng)價(jià)提供了重要的參考作用，可以作為紅花品種(系)抗旱評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)。

表2 紅花7個(gè)測(cè)量指標(biāo)的主成分分析

抗旱性隸屬函數(shù)法通過計(jì)算各性狀的隸屬函數(shù)值，可以綜合多個(gè)指標(biāo)對(duì)植物的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究對(duì)干旱脅迫下測(cè)定的7個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并求出均值，對(duì)不同紅花品種(系)的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果如表3所示，紅花品種(系)的抗旱強(qiáng)弱順序?yàn)锽XY512、BXY426、BXY1465、BXY1466、BXY1805、BXY1859、BXY750、BXY2057、BXY1728、BXY2110。

表3 紅花供試材料的隸屬函數(shù)值

4 討論

4.1 干旱脅迫對(duì)紅花植株形態(tài)的影響

干旱是對(duì)農(nóng)作物影響最大的災(zāi)害之一。近些年，隨著全球變暖，旱災(zāi)在全球范圍內(nèi)頻發(fā)[16]。農(nóng)作物對(duì)干旱脅迫的形態(tài)適應(yīng)表現(xiàn)為以下幾方面：首先，植株的幼葉從老葉奪取水分導(dǎo)致老葉逐漸卷曲死亡，使光合面積減少；其次，干旱會(huì)影響植株生物量的分配，隨著水分的減少，地上部分生物量逐漸減少，地下部分生物量逐漸增大，以此適應(yīng)干旱脅迫[17]。本研究中紅花資源在干旱脅迫下的表現(xiàn)為幼苗矮小，葉子發(fā)黃及萎蔫，隨著干旱程度的增加根系長(zhǎng)度較對(duì)照由長(zhǎng)變短，在重度干旱脅迫下根部變軟。

4.2 干旱脅迫對(duì)紅花幼苗光合指標(biāo)的影響

光合作用是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，是反映植物耐旱強(qiáng)弱的生理特征之一[18]。許多研究表明，Pn降低有氣孔限制和非氣孔限制兩方面的原因[19]。本研究中在干旱脅迫下，紅花Pn、Gs、Tr隨著干旱程度增加而下降，Ci隨著干旱程度增加先下降后上升。在輕度干旱脅迫下紅花Pn下降的同時(shí)Gs、Tr、Ci明顯降低，表明輕度干旱脅迫下氣孔限制是紅花光合作用降低的主要因素；在中度及重度干旱下，Pn、Gs、Tr下降，但Gi呈上升趨勢(shì)，與對(duì)照相比變化不大，表明在中度和重度干旱脅迫下Pn的降低是非氣孔限制起著主要作用，這與韓瑞宏等[20]對(duì)紫花苜蓿在干旱脅迫下的光合生理響應(yīng)的研究結(jié)果一致。非氣孔限制的具體限制原因還需通過對(duì)葉片葉綠體的超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察后確定。

4.3 干旱脅迫對(duì)紅花幼苗生理指標(biāo)的影響

植株在干旱脅迫下，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜發(fā)生過氧化作用，破壞細(xì)胞膜，MAD的含量變化可以直觀的反映膜脂過氧化損傷的程度，MAD的含量越高，則膜脂過氧化越嚴(yán)重[21]。本研究中，隨著干旱脅迫的加劇，MAD含量較對(duì)照逐漸增加，在重度干旱脅迫時(shí)達(dá)到最大值，說明干旱脅迫的程度越嚴(yán)重，紅花幼苗葉片膜脂過氧化程度越高，酶保護(hù)系統(tǒng)受到破壞越嚴(yán)重。

相關(guān)研究表明，SOD及POD的活性與植物的抗逆性有關(guān)，植物干旱脅迫在耐受范圍時(shí)，酶活性升高以此清除活性氧適應(yīng)干旱脅迫，當(dāng)干旱脅迫超出耐受范圍時(shí)，保護(hù)酶活性下降，植物受到傷害。本研究結(jié)果表明，在干旱脅迫下紅花幼苗葉片的SOD、POD活性都發(fā)生了明顯變化，但變化趨勢(shì)存在一定差異。在輕度和中度干旱脅迫下SOD活性總體表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，而POD活性在輕度干旱脅迫下表現(xiàn)出升高趨勢(shì)，在中度干旱脅迫下總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)；在重度干旱脅迫下，SOD、POD的活性均降低，不同品系間下降幅度不同，但SOD的活性均高于對(duì)照，POD的活性均低于對(duì)照，且不同處理間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與干旱脅迫對(duì)菊芋的研究結(jié)果相類似[22]。

4.4 紅花品種(系)抗旱性綜合評(píng)價(jià)

干旱脅迫下，植物的很多方面會(huì)受到影響，靠單一指標(biāo)評(píng)價(jià)抗旱性較片面，所以采用多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)才能正確反映植物的抗旱能力。本研究利用模糊隸屬函數(shù)法結(jié)合主成分分析對(duì)10個(gè)紅花品種的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出了2個(gè)主成分，其中Gs、Tr及POD在紅花的抗旱性評(píng)價(jià)中起到主要作用。

本研究選用了7 個(gè)指標(biāo)對(duì)藥用型紅花的抗旱性進(jìn)行了鑒定，篩選出綜合抗旱性較強(qiáng)的BXY512、BXY426、BXY1465、BXY1466、BXY1805紅花品種(系)，適宜在較干旱地區(qū)種植。初步了解了不同藥用型紅花品系的抗旱能力，為下一步培育具有較強(qiáng)抗旱能力的藥用型紅花新品種提供了一定的理論依據(jù)。但紅花對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)是十分復(fù)雜的，受許多因素的影響。本研究只是從生理生化方面做了初步研究，在今后藥用型紅花的抗旱性評(píng)價(jià)中，仍需結(jié)合分子生物學(xué)等手段對(duì)藥用型紅花的抗旱性及抗旱機(jī)制展開進(jìn)一步深入研究。