外源水楊酸對(duì)NaCl脅迫下黃芩幼苗生長(zhǎng)生理特性的影響

華智銳

(商洛學(xué)院 生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院/陜西秦嶺特色生物資源產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,陜西 商洛 726000)

黃芩(Scutellariabaicalensis),又名山茶根、土金茶根,屬唇形科多年生草本植物[1]。黃芩為“十大商藥”之一，入藥部位為干燥根,并且有著悠久歷史的藥用價(jià)值[1]。中醫(yī)學(xué)研究表明中藥黃芩性寒、味苦,具有消炎抗菌、清熱燥濕等藥效[2]。近代科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),黃芩中含有具有抗菌、抗病毒、抗癌、抗氧化以及保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)等多種藥理活性的黃芩素和黃芩苷[3-5]。近期研究發(fā)現(xiàn),黃芩-金銀花藥物中所含有的活性物質(zhì)具有一定的藥理作用,對(duì)新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)造成的一系列炎性反應(yīng)具有潛在的預(yù)防與治療功能[4]。我國(guó)中藥黃芩主要依靠人工栽培種植技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn),但由于人們采取不恰當(dāng)?shù)墓喔纫约案鞔胧约巴寥利}漬化，嚴(yán)重影響了黃芩的生產(chǎn)量[6],近幾年黃芩出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。因此研究黃芩的抗鹽生理特性對(duì)提高其大田生產(chǎn)效益具有重要意義。

外源物質(zhì)水楊酸(Salicylic acid，SA)別稱鄰羥基苯甲酸,是廣泛存在于植株體內(nèi)的一種小分子酚類化合物[7]。多項(xiàng)研究表明水楊酸是一種植物激素[7]。21世紀(jì)科學(xué)家陸續(xù)研究發(fā)現(xiàn),水楊酸廣泛存在于植物中，可以起到緩解鹽漬、干旱、寒冷等多種逆境脅迫的生理功能。如葉梅榮[8]研究表明，用0.1 g/L SA浸種能最有效地提高50 mmol/L NaCl鹽脅迫下水稻幼苗的光合速率,進(jìn)而提高幼苗葉綠素的含量,且過(guò)氧化氫酶活性明顯增加,同時(shí)丙二醛的含量減少;鄧凱[9]的研究表明,在干旱脅迫下,葉面噴施不同濃度的水楊酸,能增加柴胡幼苗細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,減少H2O2以及丙二醛的含量;劉曉娜等[10]研究發(fā)現(xiàn)，施用水楊酸可減少小麥細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過(guò)氧化,增強(qiáng)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,同時(shí)可以減輕冬小麥細(xì)胞核的受損程度,進(jìn)一步增強(qiáng)小麥的耐寒性。

目前有關(guān)黃芩逆境生理方面的研究有外源物質(zhì)硅[11]、外源物質(zhì)脫落酸[12]以及甜菜堿[13]等對(duì)鹽脅迫下黃芩幼苗生理生化特性的影響,而有關(guān)施用外源SA對(duì)鹽脅迫下黃岑幼苗生長(zhǎng)、生理方面的影響研究還未見報(bào)道。本文研究了外源物質(zhì)水楊酸對(duì)NaCl鹽逆境脅迫下黃芩幼苗生長(zhǎng)生理特性的影響,旨在為黃芩的逆境生理機(jī)制和抗性育種研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用1年生黃岑幼苗采自商洛市商州區(qū)商山中藥材種植合作社黃芩種植基地,將其移植到花盆中進(jìn)行盆栽處理。每盆種植3～4株,每組試驗(yàn)處理5盆。待葉片展開后進(jìn)行試驗(yàn)處理,并測(cè)量相關(guān)生長(zhǎng)、生理指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)處理

選取生長(zhǎng)良好的黃芩幼苗進(jìn)行試驗(yàn)處理。本試驗(yàn)一共設(shè)計(jì)7組處理,兩組處理作為對(duì)照組,一組為蒸餾水處理對(duì)照(CK1),另一組為0.5%NaCl鹽逆境脅迫處理對(duì)照(CK2);其它5組處理為鹽+水楊酸試驗(yàn)組。添加外源物質(zhì)SA的方式為根施。SA1處理為0.5%NaCl+0.05 g/L SA;SA2處理為0.5%NaCl+0.1 g/L SA;SA3處理為0.5% NaCl+0.15 g/L SA;SA4處理為0.5%NaCl+0.2 g/L SA;SA5處理為0.5%NaCl+0.25 g/L SA。每組試驗(yàn)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。在處理1周時(shí)間后進(jìn)行其相關(guān)生長(zhǎng)、生理指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 生長(zhǎng)指標(biāo)株高和鮮重的測(cè)定參照常規(guī)法[14]。直接采用直尺測(cè)量黃芩幼苗的株高。用蒸餾水沖洗黃芩幼苗,吸干幼苗表面的水分之后用電子分析天平稱量鮮重。

1.3.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定 SOD活性的測(cè)定參照李合生等[14]的氮藍(lán)四唑(NBT)法，其相關(guān)計(jì)算公式如下：

SOD總活性(U/g)=A560×V/(W×0.5×ACK×Vt)

SOD比活力(U/mg)=SOD總活性/蛋白質(zhì)濃度

上式中：V為提取酶液的總體積(mL); W為黃芩葉片的鮮重(g); ACK為光照下對(duì)照管的吸光度;Vt為測(cè)定時(shí)取用酶液的體積(mL)。

1.3.3 過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定 POD活性的測(cè)定參照李合生等[14]的愈創(chuàng)木酚法，其計(jì)算公式為：

POD活性[U/(g·min)]=△A470×V/(Vt×W×0.01×t)

上式中：△A470為在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)在470 nm處吸光度的變化值; V為提取酶液的總體積(mL); W為黃芩葉片的鮮重(g); Vt為測(cè)定時(shí)量取酶液的體積(mL); t為反應(yīng)時(shí)間(min)。

1.3.4 過(guò)氧化氫酶(CAT)活性的測(cè)定 CAT活性的測(cè)定參照高俊鳳等[16]的紫外吸收法，其計(jì)算公式如下：

CAT活性[U/(g·min)]=△A240×V/Vt/W

上式中：△A240為在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)在240 nm處吸光度的變化值; V為提取酶液的總體積(mL); W為黃芩葉片的鮮重(g); Vt為測(cè)定時(shí)量取酶液的體積(mL)。

1.3.5 丙二醛(MDA)含量的測(cè)定 MDA含量的測(cè)定參照張志良等[17]的硫代巴比妥酸(TBA)檢測(cè)法，其計(jì)算公式為：

MDA含量(μmol/g)=(6.45×A532-0.56×A450)×Vt/W

上式中：W為黃芩葉片的鮮重(g); Vt為測(cè)定時(shí)量取酶液的體積(mL)。

1.3.6 葉綠素含量的測(cè)定 葉綠素含量的測(cè)定參照趙世杰等[18]的丙酮—碳酸鈣法，其相關(guān)計(jì)算公式如下：

Ca=12.7A663-2.69A645

Cb=22.9A645-4.68A663

CT=Ca+Cb

上式中：Ca為葉綠素a的含量; Cb為葉綠素b的含量; CT為總?cè)~綠素含量。計(jì)量單位均為mg/L。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

測(cè)定每組數(shù)據(jù)均3次重復(fù),取3次測(cè)定的平均值。應(yīng)用Excel處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)及制圖；用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源水楊酸對(duì)NaCl脅迫下黃芩幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

從圖1和圖2中可以看出,經(jīng)過(guò)鹽處理過(guò)的黃芩幼苗與CK1組對(duì)比,其株高和鮮重明顯下降，表明鹽脅迫處理會(huì)影響其生長(zhǎng)。根施水楊酸處理的幼苗株高和鮮重比CK2均有所上升,且隨著水楊酸濃度的增大呈先上升后下降的趨勢(shì)，株高和鮮重都在SA3(0.15 g/L SA)組處理下達(dá)到最大值,對(duì)幼苗的緩解作用顯著。SA3組的黃芩幼苗株高比CK2增加了24.66 cm,鮮重增加了5.61 g,且差異均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)，說(shuō)明外源水楊酸對(duì)黃芩幼苗所受的NaCl鹽脅迫具有一定的緩解作用,可以提高黃芩幼苗的抗鹽性,且最佳水楊酸處理濃度為0.15 g/L。

圖1 外源水楊酸對(duì)鹽脅迫下黃芩幼苗鮮重的影響

圖2 外源水楊酸對(duì)鹽脅迫下黃芩幼苗株高的影響

2.2 外源水楊酸對(duì)NaCl脅迫下黃芩幼苗SOD活性的影響

由圖3可以看出：經(jīng)過(guò)0.5%NaCl鹽脅迫(CK2)的黃芩幼苗的SOD活性比CK1組下降了許多；通過(guò)根施外源水楊酸后,與CK2相比黃芩幼苗的SOD活性均有所增加,且隨著水楊酸濃度的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并在SA3(0.15 g/L SA)處理下達(dá)到最高值；SA3處理的黃芩幼苗的SOD活性顯著高于CK2組的(P<0.05)。上述結(jié)果表明外源水楊酸可以提高鹽脅迫下黃芩幼苗SOD的活性,即提高黃芩幼苗的抗鹽性,且最佳水楊酸處理濃度為0.15 g/L。

圖3 外源水楊酸對(duì)鹽脅迫下黃芩幼苗SOD活性的影響

2.3 外源水楊酸對(duì)NaCl脅迫下黃芩幼苗POD活性的影響

從圖4可以看出：CK2組的黃芩幼苗的POD活性與CK1組相比急速下降；在根施外源水楊酸后,與CK2相比黃芩幼苗的POD活性逐漸增長(zhǎng),且隨著水楊酸濃度的不斷增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。水楊酸(SA)處理與鹽處理(CK2)相比，POD活性增加幅度分別為33.9%、46.0%、59.1%、46.1%、10.0%,且在SA3(0.15 g/L SA)處理下達(dá)到最大值;SA3組的POD活性值相比于CK2組增加了49.833 U/(g·min),其差異達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。表明外源水楊酸具有提高鹽脅迫下黃芩幼苗POD活性的作用,對(duì)幼苗所受鹽脅迫有一定的緩解作用,且最佳水楊酸處理濃度為0.15 g/L。

圖4 外源水楊酸對(duì)鹽脅迫下黃芩幼苗POD活性的影響

2.4 外源水楊酸對(duì)NaCl脅迫下黃芩幼苗CAT活性的影響

由圖5可以看出：CK2組黃芩幼苗的CAT活性較CK1急速下降；通過(guò)根施外源水楊酸后,與CK2相比黃芩幼苗的CAT活性逐漸增長(zhǎng),且隨著水楊酸濃度的不斷增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。水楊酸(SA)處理的CAT活性比CK2組分別增加了34.8%、45.2%、72.2%、67.8%、48.1%,且在SA3(0.15 g/L SA)處理下達(dá)到最大值；SA3組處理黃芩幼苗的CAT活性值比CK2組增加了296.2 U/(g·min),其差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說(shuō)明施用外源水楊酸可以提高鹽脅迫下黃芩幼苗CAT的活性,且最佳水楊酸處理濃度為0.15 g/L。

圖5 外源水楊酸對(duì)鹽脅迫下黃芩幼苗CAT活性的影響

2.5 外源水楊酸對(duì)NaCl脅迫下黃芩幼苗MDA含量的影響

由圖6可以看出：經(jīng)過(guò)NaCl鹽脅迫(CK2)處理的黃芩幼苗的MDA含量相比于CK1急速增加；通過(guò)根施外源水楊酸后,其MDA含量隨著水楊酸濃度的升高呈現(xiàn)一直下降的趨勢(shì)。水楊酸(SA)處理的黃芩幼苗的MDA含量與鹽處理(CK2)相比減少幅度分別為6.9%、17.3%、21.5%、32.8%、62.5%,其差異達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。結(jié)果表明外源水楊酸可降低NaCl鹽脅迫下黃芩幼苗的MDA含量,從而降低鹽脅迫對(duì)植物的傷害。

圖6 外源水楊酸對(duì)鹽脅迫下黃芩幼苗MDA含量的影響

2.6 外源水楊酸對(duì)NaCl脅迫下黃芩幼苗葉綠素含量的影響

如圖7所示：黃芩幼苗經(jīng)過(guò)鹽脅迫(CK2)后其葉綠素含量較CK1組有所減少；通過(guò)外源水楊酸的處理,葉綠素含量隨著水楊酸濃度的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。水楊酸(SA)處理與鹽處理(CK2)相比葉綠素含量的增加幅度分別為31.3%、41.0%、55.0%、45.5%、45.7%,且在SA3(0.15 g/L SA)組處理下達(dá)到最大值;SA3組處理黃芩幼苗的葉綠素含量比CK2處理增加了4.923 mg/L,其差異達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。表明外源水楊酸可增加NaCl脅迫下黃芩幼苗的葉綠素含量,且最佳水楊酸處理濃度為0.15 g/L。

圖7 外源水楊酸對(duì)鹽脅迫下黃芩幼苗葉綠素含量的影響

3 討論與結(jié)論

在鹽脅迫下植株的吸水能力減弱,進(jìn)而抑制植株的生長(zhǎng)發(fā)育；過(guò)量的鹽進(jìn)入植株的蒸騰流會(huì)傷害葉片中的細(xì)胞,進(jìn)而抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育[25]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：0.5%NaCl處理使黃芩幼苗的鮮重和株高相比于CK1急速下降,抑制了黃芩幼苗的生長(zhǎng)；通過(guò)根部澆灌不同濃度的水楊酸,其鮮重和株高相比于鹽處理(CK2)出現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象,但均高于鹽處理。由此表明外源物質(zhì)水楊酸可提高0.5%NaCl鹽脅迫下黃芩幼苗的株高和鮮重,進(jìn)而對(duì)鹽脅迫下黃芩幼苗所受傷害具有緩解作用。在SA3(0.15 g/L SA)處理下黃芩幼苗的株高和鮮重均達(dá)到最大值,株高為50.33 cm,鮮重為10.35 g,與CK2(0.5%NaCl)相比增加幅度分別達(dá)到49.1%和49.8%。

在鹽脅迫下植物體內(nèi)的滲透壓及離子平衡遭到破壞,植物體內(nèi)的新陳代謝會(huì)受到一定程度的影響,植物體內(nèi)會(huì)積累過(guò)多的自由基，從而對(duì)植物造成一定的氧化傷害。為了減輕或免于這類傷害,植株體內(nèi)就會(huì)形成氧化防御體系，這種體系具有清除活性氧自由基的作用[23],其中包括SOD、POD、CAT保護(hù)酶。這些重要的酶會(huì)相互發(fā)生作用,其中SOD催化超氧化自由基發(fā)生歧化反應(yīng),產(chǎn)物為 O2和H2O2；其中產(chǎn)物H2O2經(jīng)過(guò)POD、CAT催化后分解,會(huì)減少鹽脅迫對(duì)植株所造成的傷害[19-22]。CAT主要分解濃度高的H2O2,POD主要分解濃度低的H2O2[24]。本試驗(yàn)對(duì)黃芩幼苗進(jìn)行0.5%NaCl鹽脅迫處理后,再通過(guò)根部澆灌不同濃度的水楊酸進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)其POD、SOD、CAT活性均隨著水楊酸濃度的不斷升高而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且均高于鹽處理(CK2)的，說(shuō)明施用外源水楊酸可以提高0.5%NaCl鹽脅迫下黃芩幼苗的保護(hù)酶活性,從而可以提高黃芩幼苗的抗鹽性。其中SOD、POD、CAT活性均在SA3(0.15 g/L SA)處理下達(dá)到最大值,SOD活性值為71.977 U/g,POD活性值為84.333 U/(g·min),CAT活性值為410.267 U/(g·min),與CK2(0.5%NaCl)相比增加幅度分別達(dá)到44.7%、59.1%和72.2%。

丙二醛是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物之一，其含量可以作為評(píng)價(jià)植物抗逆境反應(yīng)強(qiáng)弱的一種指標(biāo)[26]。研究發(fā)現(xiàn)植株的MDA含量越低,植株對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性越強(qiáng)[27]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),CK2組黃芩幼苗的MDA含量與CK1組相比急速上升；通過(guò)根部澆灌不同濃度的水楊酸進(jìn)行處理后,隨著水楊酸濃度的不斷升高其MDA含量逐漸減少。由此說(shuō)明外源水楊酸可減少0.5%NaCl鹽脅迫下黃芩幼苗的MDA含量,進(jìn)而增強(qiáng)其對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性。

在鹽脅迫下,葉綠素色素合成酶活性降低、葉綠素分解加速或葉綠體結(jié)構(gòu)受到損傷，導(dǎo)致植物葉片中葉綠素含量減少[28]。因此,葉片葉綠素含量可作為衡量植物抗鹽性強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),黃芩幼苗的葉綠素含量隨著外源水楊酸濃度的不斷升高而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),且均高于CK2組的。說(shuō)明外源水楊酸可提高0.5%NaCl鹽脅迫下黃芩幼苗的葉綠素含量,從而提高黃芩幼苗的抗鹽性,且在SA3(0.15 g/L SA)處理下葉綠素含量達(dá)到8.954 mg/L的最大值。

綜上所述,對(duì)0.5%NaCl鹽脅迫下黃芩幼苗的根部澆灌0.15 g/L的外源SA可以最有效地改善黃芩幼苗的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)，緩解其所受的鹽脅迫。