干旱脅迫對多裂葉荊芥幼苗形態(tài)和不同部位生理生化指標的影響

武 曦，張 罡，郭 華，張亞楠，周鵬程，付寶春

（1.山西農業(yè)大學 果樹研究所，山西 太原 030031；2.山西農業(yè)大學，山西 太原 030031）

多裂葉荊芥（Nepeta multifidaL.）屬唇形科荊芥屬，為葉卵形、羽狀淺裂，為多年生草本芳香植物[1]，是我國傳統(tǒng)的重要中藥材之一，也是我國八大祁藥之一[2]。荊芥種植范圍廣，主要分布在河北、山東、河南等地區(qū)，由于不同產地干旱的生態(tài)環(huán)境和栽培技術等因素直接影響植物的生長發(fā)育，從而進一步影響荊芥的產量和質量[3]。目前，對荊芥的研究內容主要集中在其化學成分的研究、揮發(fā)油的提取、藥理作用及鹽脅迫等幾個方面[3-7]。近年來，荊芥在醫(yī)療保健方面和園林綠化方面廣受歡迎，為擴大其種植面積，使荊芥在干旱地區(qū)種植也能得到優(yōu)良品質，需要進一步對其抗旱性進行深入研究。

本研究以多裂葉荊芥幼苗為試驗材料，分別對干旱脅迫下幼苗葉片和根系的形態(tài)和生理指標進行分析，旨在了解和揭示多裂葉荊芥在干旱環(huán)境下的抗旱能力和適應性，為多裂葉荊芥干旱脅迫響應機制的研究奠定基礎，為其廣泛栽培、引種和推廣提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗以1 年生多裂葉荊芥幼苗為研究對象，選取長勢一致的健壯植株，將其幼苗從培養(yǎng)皿中移栽至直徑為15 cm×15 cm的花盆中，栽培基質為（園土∶細沙＝2∶1（V/V））沙壤土，確保每盆質量相同、基本栽培條件統(tǒng)一。在荊芥幼苗分支均達到6、7個時，選取高度（20 cm左右）一致的幼苗作為干旱處理對象。

1.2 試驗設計

試驗地位于山西農業(yè)大學林學院苗圃的溫室中。試驗過程中采用盆栽稱重控水法模擬干旱的方法，設置4 個水分梯度，其中將土壤含水量為田間最大持水量的75%～85%設為對照（CK），60%～65%設為輕度干旱，40%～50%設為中度干旱，25%~35%設為重度干旱，每個干旱處理設3 次重復，采用完全隨機排列的方式。開始試驗前1 d，將水澆足，對荊芥幼苗的控水脅迫試驗正式開始。每天用電子秤（載量30 kg，感量5 g）進行稱質量，來彌補植物蒸騰作用和生長代謝消耗的水分，從而使各個處理下的土壤含水量控制在設定范圍內，分別于試驗第0、7、14、21 天時，在試驗幼苗中隨機選取10 盆，分別對其葉片和根系形態(tài)指標及各項生理指標進行測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水量的測定 取花盆內0～5 cm土層土樣，放入已稱質量的鋁盒中，稱出質量并記錄。然后將裝有土樣的鋁盒置于105 ℃烘箱中烘干8 h左右，再調至80 ℃烘干24 h 取出，待冷卻后稱質量。

1.3.2 形態(tài)指標測定 用直尺測定各處理植株的株高，于烘箱中105 ℃烘0.5 h后，在80 ℃烘箱內烘干至恒質量，測定各處理下植株地上部分和地下部分生物量干質量，記錄根冠比（根生物量/地上部分生物量）。選取幼苗頂端自上而下第3～4 節(jié)上的功能葉片，將其裝入采樣袋帶回，并使用Photoshop軟件中圖像處理對葉面積進行測定記錄。

1.3.3 生理指標測定 取樣時，對4個水分梯度下的幼苗隨機取10株，將根系和地上部分沖洗、分離并裝入取樣袋，帶入實驗室備用。分別在干旱0、7、14、21 d時取植株頂端自上而下3～4節(jié)上的功能葉片和根頸2 cm以下根系，并測定各項生理指標。其中，葉片相對含水量采用鮮質量法測定，葉綠素含量采用丙酮浸提法測定，脯氨酸含量采用茚三酮顯色法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸比色法測定，可溶性蛋白、可溶性糖含量分別采用考馬斯亮藍G-250染色法和蒽酮法測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性分別采用核黃素-NBT還原法和愈創(chuàng)木酚還原法測定[8-9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素和相關性系數(shù)分析，用最小顯著法（Duncan’s）進行多重比較，并采用Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對多裂葉荊芥形態(tài)指標的影響

由表1 可知，隨著脅迫時間的延長，幼苗株高呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，且在14 d 時最高，其中輕度脅迫下的株高達到最高；而隨著干旱程度的增加，其他處理下的株高與CK 之間沒有顯著差異。除了在中度干旱下的根冠比隨時間的延長呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢外，其他處理下均呈先增后減的趨勢，說明前中期多裂葉荊芥根深；而隨著干旱程度的增加，輕度干旱處理與CK的根冠比在7 d下的差異顯著（P＜0.05），中度干旱處理與CK 在0、7、21 d下差異顯著（P＜0.05），而重度干旱處理下與CK的差異不顯著。多裂葉荊芥葉面積同株高的變化趨勢一致，且均在14 d 達到最大；而隨著干旱程度的增加，葉面積與CK的差異均不顯著（P＞0.05）。綜上可見，干旱對多裂葉荊芥的株高和葉面積影響不顯著，對根冠比的影響顯著（P＜0.05）。

表1 干旱脅迫對多裂葉荊芥形態(tài)指標的影響Tab.1 Effects of drought stress on morphological indexes of Nepeta multifida L.

2.2 干旱脅迫對多裂葉荊芥幼苗生理相關指標的影響

2.2.1 干旱脅迫對多裂葉荊芥葉片相對含水量的影響 由圖1可知，多裂葉荊芥幼苗葉片相對含水量隨著干旱脅迫的加劇差異不顯著；值得注意的是，僅輕度干旱下不同時間下葉片含水量存在差異（P＜0.05），其余處理下不同時間的葉片含水量無顯著差異，說明干旱對葉片含水量影響較小。

2.2.2 干旱脅迫對多裂葉荊芥光和色素含量的影響 從圖2 可以看出，葉組織中，隨脅迫程度的增強，在14、21 d 時，干旱脅迫下葉綠素總含量與CK之間差異不顯著；值得注意的是，0 d時各干旱脅迫下葉綠素總含量均顯著高于CK；7 d中度和重度干旱均顯著高于CK（P＜0.05），說明干旱脅迫對前期葉綠素的含量影響顯著。在4個水分梯度下，隨脅迫時間的延長，CK 和重度處理的葉綠素總含量在14 d時顯著高于0 d（P＜0.05）；中度脅迫14 d時葉綠素總含量顯著高于0、21 d，輕度脅迫14 d時葉綠素總含量顯著高于7 d（P＜0.05），其他脅迫時間之間差異不顯著（P＞0.05），葉綠素總含量在脅迫14 d 時上升至最高，在脅迫21 d 時均出現(xiàn)下降，說明長時間的干旱對多裂葉荊芥葉綠素的合成產生抑制作用。

2.2.3 干旱脅迫對多裂葉荊芥葉、根滲透調節(jié)物質的影響 由圖3-A 所示，在各個水分梯度下，葉組織中可溶性糖含量和脯氨酸含量均在脅迫7 d時下降至最低，而重度干旱下可溶性蛋白含量在此時達到最高，顯著高于其他脅迫時間下的含量（P＜0.05）；各干旱處理下可溶性糖含量在脅迫21 d 時顯著增加（P＜0.05），達到峰值，含量分別為6.551、7.332、8.206、8.252 mg/g；在CK、輕度和中度3 個干旱處理下，可溶性蛋白含量在0 d時最高，21 d時顯著下降（P＜0.05），達到最低值，說明在干旱脅迫前期葉片中可溶性蛋白發(fā)揮了調節(jié)作用，而在后期葉片通過調節(jié)可溶性糖和脯氨酸含量來增強葉片的保水能力。在脅迫0、14 d時，重度干旱下葉片的可溶性蛋白含量減少到最低，顯著低于其他處理的含量（P＜0.05）。值得注意的是，在0、14、21 d時的可溶性糖含量，7、14 d時脯氨酸含量均在重度干旱下積累最多，脅迫21 d時，輕度、重度脅迫下可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量分別高于CK，說明不同時期，多裂葉荊芥葉片中可溶性糖含量和脯氨酸含量對干旱逆境的抵抗能力較強。

由圖3-B 所示，各個水分梯度下，根系中的脯氨酸含量在脅迫7 d 時，下降至最低值，相反，可溶性蛋白含量大幅度上升，并達到峰值；在脅迫21 d時，各個水分梯度下的根系中可溶性糖含量大幅度上升至峰值，CK、輕度處理下可溶性蛋白和脯氨酸顯著低于0 d（P＜0.05），中度和重度處理下脯氨酸積累量顯著上升（P＜0.05），達到峰值，分別為對照的1.88倍和1.74倍，說明在脅迫后期葉片和根系中可溶性蛋白受抑制，通過調節(jié)可溶性糖和脯氨酸含量適應干旱環(huán)境。在脅迫0 d 時，輕、中、重度下可溶性糖含量均顯著高于CK；在脅迫7 d 時，中度處理下可溶性蛋白和脯氨酸含量均顯著高于CK（P＜0.05），相反，中度下可溶性糖含量低于CK，值得注意的是，輕度和重度處理下可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量均高于CK；在脅迫14、21 d 時，中度和重度脅迫下脯氨酸和可溶性糖含量分別顯著高于CK（P＜0.05）。由此可見，干旱環(huán)境下根系中脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白通過互相協(xié)調來提高自身的抗旱能力。

2.2.4 干旱脅迫對多裂葉荊芥葉、根中MDA 含量的影響 由圖4 可知，在各個脅迫程度下，葉片和根系中MDA含量均在脅迫7 d時下降至最低，且與0、14、21 d 之間差異顯著（P＜0.05），說明在脅迫前期，多裂葉荊芥葉片和根系通過降低MDA 含量協(xié)同抵抗干旱逆境。在CK、輕度和重度處理下，MDA積累量在14 d 時顯著上升至最高（P＜0.05），分別為 0 d 時的 1.39、1.49、2.15 倍，而根系中 MDA 含量在脅迫21 d時達到峰值，與其他脅迫時間之間差異顯著（P＜0.05），說明在脅迫后期，葉片和根系中膜脂過氧化程度加重，細胞膜系統(tǒng)受損。在脅迫0 d時，葉片在重度下MDA 積累量顯著低于CK（P＜0.05），相反，在7、14、21 d時，重度干旱下MDA積累量顯著高于其他處理（P＜0.05），說明根系與葉片中細胞受脅迫程度嚴重。在脅迫14、21 d 時，葉片和根系在重度脅迫下MDA積累量顯著高于CK（P＜0.05），說明土壤含水量越少，葉片根系中MDA積累量越多，抗旱能力越弱。

2.2.5 干旱脅迫對多裂葉荊芥葉、根中保護酶活性的影響 由圖5-A 所示，各個水分梯度下，荊芥葉片中SOD 活性在脅迫21 d 時顯著升高至峰值（P＜0.05），分別是0 d 的2.16、1.66、1.48、1.04 倍，相反，各處理下POD活性在21 d時降到最低值，分別比0 d下降了 83%、87%、75%、62%，且差異顯著（P＜0.05），說明葉片在脅迫后期，長時間干旱抑制了葉片中POD 的活性，通過增強SOD 活性來提高對逆境的適應能力。在脅迫0 d 時，SOD 活性隨脅迫程度增強顯著升高（P＜0.05），而POD 活性在0、14 d時，隨土壤含水量的減少顯著降低（P＜0.05）；脅迫21 d時，葉中SOD活性先升后降，相反，POD活性先降后升，且重度與CK差異顯著（P＜0.05），可見，葉片中SOD和POD活性呈現(xiàn)互補的趨勢。

由圖5-B所示，各水分梯度下根系中SOD活性在脅迫21 d時達到峰值，相反，POD活性降至最低，與葉片出現(xiàn)一致的互補趨勢。CK、中度和重度脅迫下POD活性在脅迫14 d時上升至峰值，顯著高于脅迫0 d時的活性（P＜0.05）?？梢?，根系與葉片通過調節(jié)保護酶活性來適應長時間的干旱逆境。脅迫0 d 時，中度和重度處理下根系中SOD 活性顯著下降（P＜0.05）；在脅迫7、14 d時，隨脅迫程度增強，SOD 活性先降后升，且重度處理顯著高于CK（P＜0.05），POD 活性在脅迫14 d 時也出現(xiàn)相同的變化趨勢，但重度干旱與CK 差異不顯著。在脅迫21 d時，隨水分梯度下降，根系中SOD 活性也出現(xiàn)下降趨勢，相反，POD 活性逐漸升高，中、重度顯著高于CK（P＜0.05）。

2.3 干旱脅迫下多裂葉荊芥幼苗各生理生化指標的相關性

從表2各生理生化指標的相關系數(shù)可以看出，葉片葉綠素總含量與POD 活性呈顯著正相關（P＜0.05）；SOD活性分別與POD活性、可溶性蛋白呈極顯著負相關（P＜0.01），與可溶性糖含量、MDA含量呈極顯著正相關（P＜0.01）；POD 活性與可溶性蛋白含量呈極顯著正相關（P＜0.01），與可溶性糖含量呈顯著負相關（P＜0.05）；可溶性蛋白含量分別與可溶性糖含量、MDA 含量呈極顯著負相關（P＜0.01）；MDA、可溶性糖和脯氨酸含量三者之間呈極顯著正相關（P＜0.01）。

表2 多裂葉荊芥葉片各生理生化指標的相關性分析Tab.2 Correlation coefficient of physiological and biochemical indexes in leaf of Nepeta multifida L.

由表3可知，根系中MDA、可溶性糖、脯氨酸含量同葉片一樣，三者之間呈極顯著正相關（P＜0.01），而三者與可溶性蛋含量呈極顯著負相關關系（P＜0.01），與POD活性呈負相關，與SOD活性均呈正相關，此外SOD活性與可溶性蛋白含量呈極顯著負相關（P＜0.01），與MDA 含量呈極顯著正相關（P＜0.01）。

表3 多裂葉荊芥根系中各生理生化指標的相關性分析Tab.3 Correlation coefficient of physiological and biochemical indexes in root of Nepeta multifida L.

3 結論與討論

研究表明，干旱脅迫對多裂葉荊芥幼苗株高和葉面積的影響較小，而對根冠比影響顯著，其中CK、輕、中、重度干旱脅迫下分別在7、14、0、7 d 達到最大，說明此期間植物體內積累的有機物大部分用于根部的生長，較長的根系有利于植物吸收到更多的水分，緩解、修復水分脅迫帶來的傷害以維持植株的生長代謝[10]；但是在21 d 時輕度、重度處理下根冠比均顯著低于0 d，表明干旱環(huán)境下，隨著脅迫時間的延長，植物的生物量下降，會抑制多裂葉荊芥幼苗的生長形態(tài)。此外，葉片相對含水量在各個干旱處理下仍能維持在一個較高的水平上，這與陳愛萍等[11]對伊犁絹蒿幼苗的研究結果一致，說明荊芥在干旱條件下，葉組織內通過重新分配體內的水分來維持動態(tài)平衡，避免因嚴重失水而對自身造成傷害。同時，各個干旱脅迫程度下，葉綠素總含量在脅迫14 d 時達到峰值，顯著高于0 d，在脅迫21 d 時下降，但差異不顯著，這與羅杰等[12]、靳月等[13]的研究結果趨勢一致，表明在脅迫后期葉片的光合潛力未受到明顯抑制。

增加低分子量的水溶性化合物，如脯氨酸和可溶性糖等，是植物抵抗不同脅迫條件的常用防御策略，這些滲透調節(jié)物質在穩(wěn)定酶結構方面有積極作用[14-16]。逆境下可溶性蛋白含量積累可以防止生物膜遭到破壞，進一步提高植物自身的抗旱能力[17]。LIU 等[18]研究表明，費菜脅迫后期可溶性蛋白和可溶性糖含量均增加，而本研究表明，14～21 d 時的干旱脅迫下，多裂葉荊芥葉片中可溶性糖含量顯著高于CK，但可溶性蛋白含量顯著下降，可能是由于長時間的干旱環(huán)境抑制了蛋白質的合成，并加速其分解，葉片通過調節(jié)可溶性糖含量來提高自身的保水能力，從而維持生長所需的水分[19-21]。各水分梯度下，根系中可溶性蛋白含量隨脅迫時間的延長呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，這與崔穎等[22]的研究結果相似，各處理下可溶性蛋白含量在脅迫7 d 時顯著上升至峰值，而脯氨酸含量顯著降至最低，可能脅迫前期根系細胞膜結構還未完全受到破壞，植物自身為了維持其生理代謝需要，又合成干旱誘導蛋白來提高植物的耐旱能力。在脅迫14、21 d 時，根系中可溶性蛋白顯著降低，而可溶性糖顯著升高，且輕、中、重度處理下可溶性糖顯著高于同時期的CK，中、重度下脯氨酸含量在21 d 時顯著上升，而羅巧玉等[23]對發(fā)草植株中Pro 含量的研究中發(fā)現(xiàn)，在前中期Pro 含量升高，在21 d 前后不再增加甚至有下降趨勢。本研究表明，脅迫后期，中度和重度下根系通過積累可溶性糖和脯氨酸含量來緩解干旱逆境帶來的損傷。由此可見，不同植物的滲透調節(jié)物質抵抗干旱脅迫的能力也不盡相同。

SOD活性的高低與植物抗旱性強弱呈正相關，在植物遭受干旱逆境的過程中，體內積聚大量對植物體有害的活性氧，SOD作為清除活性氧系統(tǒng)的首道防線，可通過清除體內過多的O2-，保護細胞膜系統(tǒng)免受氧自由基的傷害[24-25]。張彥妮等[26]研究表明，在干旱中期，大花飛燕草葉片中SOD 活性逐漸上升到峰值。本研究中，在各個干旱脅迫程度下，多裂葉荊芥不同部位中SOD 活性在脅迫21 d 時達到最高，而POD 活性降到最低，這與孫路等[27]對棉花根系POD 活性的研究結果一致；倪川等[28]、韓瑞蓮等[29]研究結果表明，MDA含量在脅迫后期出現(xiàn)過多積累，與本研究中MDA積累量在14~21 d顯著增高趨勢相同。綜合來看，多裂葉荊芥幼苗根系和葉片在脅迫后期均通過增強SOD 清除活性氧自由基的能力來適應環(huán)境[30]，POD 活性受到抑制，并參與活性氧的形成，引發(fā)膜脂過氧化反應，導致積累過多 MDA[22-23，31]。相關研究表明[32]，多種酶之間相互協(xié)調作用可以維持保護酶體系的正常運轉。本研究中，在干旱脅迫下SOD 和POD 活性變化出現(xiàn)互補的趨勢，這種通過不同酶之間相互協(xié)調作用來維持體內活性氧代謝的平衡過程，也是植物抵抗干旱脅迫的重要表現(xiàn)之一。

本研究通過對不同干旱脅迫（CK、輕、中、重度）下的多裂葉荊芥幼苗在0、7、14、21 d 下的形態(tài)和生理指標進行統(tǒng)計分析，結果發(fā)現(xiàn)，干旱對幼苗的株高和葉面積影響較小，對根冠比的影響顯著；且干旱對幼苗的葉片含水量和葉綠素影響差異不顯著。根、葉中的6個生理指標隨干旱脅迫程度增強在不同時段的變化差異顯著，特別注意的是，根和葉中的可溶性糖含量與脯氨酸和MDA含量呈極顯著正相關，與可溶性蛋白含量呈極顯著負相關，與SOD 活性呈顯著正相關，而SOD 與POD 呈極顯著負相關；且可溶性糖、脯氨酸、MDA 含量和SOD 活性均在21 d達到最大，此時可溶性蛋白含量和POD活性最低。在本研究中，多裂葉荊芥幼苗表現(xiàn)出一定的耐旱性和適應性。整體而言，根系較葉片對干旱逆境的響應更為敏感，在北方或降水較少的地區(qū)進行園林綠化栽植、藥用植物栽培時，可對裂葉荊芥在短時間內將其土壤含水量控制在50%～65%，有利于節(jié)約用水，提高水分利用率。若要提高其對干旱脅迫反應的準確性，須進一步對多裂葉荊芥的葉片解剖、光合生理、分子生物學等方面進行深入研究，為提高其栽培質量和產量提供更精確的依據(jù)。