5種薄荷對PEG模擬干旱脅迫的生理響應(yīng)與耐旱性評價

張?jiān)匆?，李愛，?yán)卓立，張永杰，楊李雄

（天津農(nóng)學(xué)院 園藝園林學(xué)院，天津 300392）

干旱脅迫是最常見的植物脅迫形式之一，對植物的破壞程度在許多非生物脅迫中位居第一，是限制植物生長和分布的一個重要因素。近年來，由于氣候變暖、干旱的頻率與嚴(yán)重程度持續(xù)增 加[1]，干旱脅迫給植物造成嚴(yán)重傷害，如細(xì)胞脫水、膜系統(tǒng)破壞、酶活性受影響、細(xì)胞代謝紊亂，植株生長受到抑制，進(jìn)而影響產(chǎn)量[2]。天津市位于華北平原東部屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，冬季盛行西北風(fēng)，夏季盛行偏南風(fēng)，春季干旱，在中南部平原地區(qū)尤為突出[3-4]。因此，篩選耐旱植物顯得尤為重要。

薄荷種質(zhì)資源豐富，據(jù)報(bào)道，世界上薄荷屬植物有30個種，其中變種有140多個?，F(xiàn)如今在園藝栽培上已有600多個品種[5]。在如此龐大的群體中，被廣泛栽培的有留蘭香薄荷（Mentha spicataL.），胡椒薄荷（Mentha piperita），檸檬薄荷（Mentha citrata），美國薄荷（Monarda didyma）以及作為果園驅(qū)蟲的芳香地被植物普列薄荷（Mentha pulegiumL.）[6-7]。當(dāng)前對于薄荷的研究集中在芳香油的提取分析技術(shù)、植株栽培繁育與管理等，而采用PEG-6000模擬干旱脅迫，探討不同薄荷耐旱程度的報(bào)道卻很少。因此，本研究使用不同濃度的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，對廣泛栽培種植的5種薄荷種子與幼苗進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定，并通過隸屬函數(shù)法評價不同種薄荷的耐旱能力，為干旱地區(qū)的引種與栽培提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試薄荷種子與幼苗由天津農(nóng)學(xué)院苗圃提供。5種薄荷分別為胡椒薄荷、留蘭香薄荷、美國薄荷、檸檬薄荷和普列薄荷。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子萌發(fā)試驗(yàn)

試驗(yàn)于2020年5月在天津農(nóng)學(xué)院園藝中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用高分子滲透劑PEG-6000模擬干旱脅迫，設(shè)置0（CK）、5%、10%、20% 4個不同濃度處理，每個處理進(jìn)行3次重復(fù)。以直徑90 mm的培養(yǎng)皿并均勻鋪置兩層濾紙為發(fā)芽床，注入等量的蒸餾水和不同濃度PEG-6000溶液，選取50粒薄荷種子均勻排布在濾紙上，置于光照培養(yǎng)箱中萌發(fā)。培養(yǎng)條件為：溫度26 ℃，光強(qiáng)2 000 lx，光照時長12 h/d。每日定時向培養(yǎng)皿內(nèi)滴加等量蒸餾水或PEG-6000溶液，每3 d更換一次濾紙，以保證濾紙潔凈，種子萌發(fā)環(huán)境穩(wěn)定。

1.2.2 幼苗脅迫處理

在Hogland’s營養(yǎng)液中加入PEG-6000，配制成3個不同濃度的脅迫處理溶液：輕度脅迫5%（50 g/L PEG-6000）、中度脅迫 10%（100 g/L PEG-6000）、重度脅迫20%（200 g/L PEG-6000）。將幼苗的根系浸泡在不同濃度的PEG-6000溶液中進(jìn)行干旱脅迫處理，以不添加PEG-6000的等量Hogland’s營養(yǎng)液中培養(yǎng)的幼苗為對照。每個處理重復(fù)3次，在光照培養(yǎng)箱中脅迫處理24 h后，依據(jù)試驗(yàn)要求取材。

1.2.3 幼苗生理生化指標(biāo)的測定

脅迫結(jié)束后稱取薄荷葉片鮮重與干重測定相對含水量；采用氮藍(lán)四唑法測定超氧化物岐化酶（SOD）活性；采用酸性茚三酮法測定脯氨酸含量；采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測定可溶性蛋白含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用95%的乙醇浸提法測定光合色素含量；采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以下公式計(jì)算種子萌發(fā)的相關(guān)指標(biāo):

種子發(fā)芽率/%（Gr）＝（萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100

種子發(fā)芽勢/%（Gv）＝G1/Gn×100（G1為5 d萌發(fā)的種子數(shù)，Gn為供試種子數(shù)）

種子發(fā)芽指數(shù)（Gi）＝∑（Gt/Dt）（Gt為t日種子的萌發(fā)數(shù)，Dt是發(fā)芽天數(shù)）；

該試驗(yàn)采用Origin 2018繪圖，SPSS 25.0進(jìn)行顯著性分析；運(yùn)用Duncan’s測驗(yàn)法進(jìn)行多重比較，并利用隸屬函數(shù)進(jìn)行耐旱性比較。隸屬函數(shù)值計(jì)算公式：

反隸屬函數(shù)值計(jì)算公式：

Xi：生理指標(biāo)測定值，Xmin、Xmax：所有處理某一指標(biāo)的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對5種薄荷種子萌發(fā)的影響

由表1可知，在不同程度的脅迫處理下，5種薄荷種子的萌發(fā)指標(biāo)不同，且各處理間有顯著差異。對照組（CK）中發(fā)芽率最高的為普列薄荷，達(dá)83.33%，檸檬薄荷、留蘭香薄荷、美國薄荷和胡椒薄荷分別為80.00%、76.00%、41.22%和50.89%。輕度脅迫時，5種薄荷種子的發(fā)芽率均有所下降，檸檬薄荷、留蘭香薄荷和普列薄荷的發(fā)芽率相較于CK下降了35.28%、36.12%和20.66%，而胡椒薄荷下降幅度最大，為48.48%，美國薄荷下降幅度最小，為18.32%。中度脅迫時，5種薄荷種子的發(fā)芽率均顯著下降，檸檬薄荷下降幅度最大，為61.66%，美國薄荷下降幅度最小，為33.96%。重度脅迫時，檸檬薄荷、留蘭香薄荷和美國薄荷的發(fā)芽率相較于CK下降了85.28%、80.55%和70.09%，其中胡椒薄荷下降幅度最大，為87.35%，普列薄荷下降幅度最小，為60.66%。試驗(yàn)中發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的變化趨勢與發(fā)芽率大致相同，隨著PEG-6000濃度的上升而逐漸下降。

表1 不同濃度PEG-6000處理對種子萌發(fā)的影響

2.2 干旱脅迫對5種薄荷幼苗相對含水量的影響

如圖1所示，5種薄荷在干旱脅迫下葉片的相對含水量均發(fā)生了不同程度下降。胡椒薄荷在4個不同處理下葉片含水量變化較顯著，輕度、中度和重度脅迫分別比CK減少了5.04%、12.72%、24.68%。留蘭香薄荷不同處理下變化差異較小，分別下降了4.34%、6.90%、13.30%。重度脅迫下，檸檬薄荷的下降幅度最大，較CK下降了27.67%。普列薄荷在中度、重度脅迫處理下相對含水量均顯著下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，胡椒薄荷對外界干旱環(huán)境較敏感，美國薄荷和留蘭香薄荷失水程度較低，說明其具有一定的保水能力。

圖1 干旱脅迫對5種薄荷幼苗相對含水量的影響

2.3 干旱脅迫對5種薄荷幼苗SOD活性的影響

如圖2所示，5種薄荷SOD酶活性均隨著脅迫程度的加大而呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，中度脅迫處理下均達(dá)到最高值。普列薄荷在輕度、中度脅迫處理下變化幅度大，較CK升高了22.48%和45.71%，重度脅迫時降至略低于CK。檸檬薄荷輕度脅迫時較CK上升了15.24%，而各處理間差異不顯著，表明其SOD活性對5%到20%的PEG-6000濃度變化不敏感。美國薄荷、檸檬薄荷在重度脅迫下SOD酶活性水平高于CK，其他3種均下降并低于CK。

圖2 干旱脅迫對5種薄荷幼苗SOD活性的影響

2.4 干旱脅迫對5種薄荷幼苗脯氨酸含量的影響

如圖3所示，5種薄荷脯氨酸含量均隨著干旱脅迫程度的加重，呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。5種薄荷不同處理間脯氨酸含量差異顯著。各處理下普列薄荷脯氨酸含量均大幅度增加，輕度、中度和重度干旱脅迫下脯氨酸含量分別為CK的2.00、3.14、5.21倍。留蘭香薄荷各處理下脯氨酸含量增加幅度較小，分別為CK的1.42、1.80、2.21倍。數(shù)據(jù)表明，5種薄荷在干旱脅迫下脯氨酸含量上升趨勢相同，其中普列薄荷上升幅度最大，說明普列薄荷脯氨酸調(diào)節(jié)系統(tǒng)在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)比其他種的薄荷更活躍。留蘭香薄荷變化較小，表明其脯氨酸調(diào)節(jié)系統(tǒng)較其他薄荷更不敏感。

圖3 干旱脅迫對5種薄荷幼苗脯氨酸含量的影響

2.5 干旱脅迫對5種薄荷幼苗可溶性蛋白含量的影響

如圖4所示，5種薄荷可溶性蛋白含量存在差異，總體都呈現(xiàn)隨著脅迫處理程度的增加而逐步升高的趨勢。

圖4 干旱脅迫對5種薄荷幼苗可溶性蛋白含量的影響

胡椒薄荷、留蘭香薄荷、美國薄荷、檸檬薄荷4種薄荷可溶性蛋白含量在各個脅迫處理間的差異顯著。其中美國薄荷可溶性蛋白含量在各處理下的增幅明顯高于其他薄荷，輕度、中度和重度干旱脅迫下分別為CK的2.13、3.38、5.19倍。普列薄荷在PEG-6000濃度為5%時可溶性蛋白增幅較小，相較于CK差異不顯著，僅上升了37.48%。

2.6 干旱脅迫對5種薄荷幼苗可溶性糖的影響

可溶性糖作為高等植物的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物抵御干旱脅迫時起重要作用。

如圖5所示，不同種薄荷可溶性糖含量不同，總體隨著脅迫處理程度的加重而呈現(xiàn)持續(xù)性升高的趨勢。胡椒薄荷在輕度和中度脅迫下增幅較小，比CK升高了13.42%、35.90%。普列薄荷在中度脅迫下達(dá)到最高值，為CK的3.43倍，在重度脅迫不再繼續(xù)上升而小幅度下降。留蘭香薄荷、美國薄荷和檸檬薄荷在不同干旱處理下可溶性糖含量均顯著高于CK，且不同處理間差異顯著。

圖5 干旱脅迫對5種薄荷幼苗可溶性糖含量的影響

2.7 干旱脅迫對5種薄荷幼苗光合色素含量的影響

如表2所示，在脅迫處理下5種薄荷光合色素含量均隨著脅迫程度的加重呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。在中度脅迫下，胡椒薄荷、留蘭香薄荷、美國薄荷、檸檬薄荷和普列薄荷的光合色素總量達(dá)到峰值，均顯著大于CK，上升幅度分別為18.54%、30.06%、30.54%、28.34%和27.88%，其中美國薄荷的上升幅度最大。在重度脅迫下，留蘭香薄荷和普列薄荷的光合色素總量降至略低于CK的水平，下降幅度分別為2.70%和4.22%，差異不顯著；胡椒薄荷和檸檬薄荷的光合色素總量顯著低于CK，下降幅度分別為12.12%和8.42%；美國薄荷的光合色素總量有所降低，但仍顯著高于CK，較CK提高了10.80%。

表2 干旱脅迫對5種薄荷幼苗光合色素含量的影響

葉綠素a含量變化趨勢與光合色素總量相似，隨脅迫程度加重而呈現(xiàn)先升后降的趨勢。中度脅迫下，5種薄荷的葉綠素a含量最高，均顯著大于CK，上升幅度分別為14.00%、11.08%、29.25%、13.56%和27.52%，其中美國薄荷上升幅度最大且含量最高。在重度脅迫下，檸檬薄荷和普列薄荷的葉綠素a含量降至略低于CK，與CK差異不顯著，下降幅度分別為3.28%和4.73%；胡椒薄荷和留蘭香薄荷的葉綠素a含量降低至顯著低于CK的水平，下降幅度分別為10.80%和1.78%；美國薄荷的葉綠素a含量有所降低，但略高于CK 5.61%，不存在顯著差異。

中度脅迫下，胡椒薄荷、留蘭香薄荷、美國薄荷、檸檬薄荷和普列薄荷的葉綠素b含量達(dá)到最高，均顯著大于CK，上升幅度分別為45.60%、69.47%、48.59%、52.43%和41.09%，其中留蘭香薄荷的上升幅度最大。重度脅迫下，胡椒薄荷、留蘭香薄荷、檸檬薄荷和普列薄荷的葉綠素b含量低于CK，差異不顯著，相較于CK降低了25.36%、5.61%、6.63%和7.57%。美國薄荷的葉綠素b含量在重度脅迫下低于中度脅迫，但仍顯著高于CK，增加了36.33%。

類胡蘿卜素含量在不同處理下的變化趨勢同其他光合色素相似，在中度脅迫下達(dá)到最高，重度脅迫下下降。中度脅迫下，胡椒薄荷、留蘭香薄荷、美國薄荷、檸檬薄荷和普列薄荷的類胡蘿素含量相較于CK提高了6.59%、59.20%、15.72%、56.99%和3.32%，其中留蘭香薄荷上升幅度最大。重度脅迫下，胡椒薄荷、留蘭香薄荷、檸檬薄荷的類胡蘿卜素含量降至略低于CK，降低幅度分別為2.27%、2.68%、18.49%，差異不顯著。美國薄荷和普列薄荷的類胡蘿卜素含量在重度脅迫處理下有所降低，但仍高于CK 4.45%和2.40%。

2.8 干旱脅迫對5種薄荷幼苗丙二醛的影響

植物遭受干旱脅迫后積累過量的氧自由基致使膜脂過氧化，進(jìn)而產(chǎn)生膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛。植物細(xì)胞內(nèi)保護(hù)機(jī)制將丙二醛含量維持在一定的水平，因此丙二醛含量可以在一定程度上反映植物抵御干旱脅迫能力的強(qiáng)弱。

如圖6所示，5種薄荷丙二醛含量均隨脅迫濃度增大而升高，在重度脅迫處理下達(dá)到最高值。

圖6 干旱脅迫對5種薄荷幼苗丙二醛含量的影響

胡椒薄荷、美國薄荷和普列薄荷丙二醛含量在不同處理間存在顯著差異。胡椒薄荷增幅最大，丙二醛含量在輕度、中度和重度脅迫處理下相較于CK上升了79.37%、147.86%和235.61%。留蘭香薄荷在輕度脅迫處理下丙二醛含量上升但變化幅度小，相較于CK僅提高了2.82%。

2.9 5種薄荷的隸屬函數(shù)值與綜合排序

薄荷屬植物抗旱能力不僅僅由單個指標(biāo)所決定，因此，本研究利用3個種子萌發(fā)指標(biāo)和7種幼苗生理生化指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)分析，對5種薄荷的抗旱能力進(jìn)行綜合評價和排序。如表3所示，不同薄荷的抗旱能力有所差異，美國薄荷的平均值最高，胡椒薄荷的平均值最低，抗旱性順序?yàn)椋好绹『桑酒樟斜『桑玖籼m香薄荷＞檸檬薄荷＞胡椒薄荷。

表3 5種薄荷的隸屬函數(shù)值

3 討論與結(jié)論

土壤中水分含量是影響植物種子萌發(fā)的重要環(huán)境因素。干旱脅迫能夠明顯抑制種子萌發(fā)，并會影響植物幼苗的生長發(fā)育[8-9]。在本研究中，隨著PEG-6000濃度的升高，5種薄荷種子的各項(xiàng)萌發(fā)參數(shù)降低且在重度脅迫時下降幅度較大，這與溫日宇等[10]對藜麥種子的研究結(jié)果相一致。

SOD可通過催化超氧化物的歧化反應(yīng)，從而有效減少植物細(xì)胞中活性氧積累所產(chǎn)生的毒害作用[11]。本研究中，5種薄荷SOD活性隨PEG-6000濃度的提高而呈上升趨勢，在重度脅迫時下降。這一結(jié)果與丁龍等[12]研究5種西北旱區(qū)植物在干旱脅迫下SOD的變化趨勢相似，表明植物在干旱脅迫下通過提高SOD活性，進(jìn)一步增強(qiáng)清除活性氧自由基的能力。

植物的滲透調(diào)節(jié)可以使植物主動適應(yīng)外界的干旱脅迫，在植物適應(yīng)缺水環(huán)境的過程中，扮演著十分重要的角色。在干旱脅迫下，植物體內(nèi)的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白會主動積累，以此提高細(xì)胞液的濃度，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的水勢從而穩(wěn)定細(xì)胞的膨壓而保持細(xì)胞的活性[13-14]。本試驗(yàn)中，5種薄荷的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白的含量全部呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，與劉洋等[14]的試驗(yàn)結(jié)果相似，表明這5種薄荷都具有一定的耐旱能力，大量積累的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可以有效防止植株脫水，使各器官保持正常的生理功能。

許多學(xué)者開展了干旱脅迫下植株光合色素含量的研究，任磊等[15]發(fā)現(xiàn)茶菊隨著干旱脅迫的加強(qiáng)，葉綠素含量表現(xiàn)為不斷升高的趨勢。陳葉等[16]發(fā)現(xiàn)，唐古特瑞香幼苗在不同干旱處理下葉綠素含量均顯著小于對照組，認(rèn)為干旱脅迫與葉綠素含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。本試驗(yàn)中，5種薄荷的葉綠素和類胡蘿卜素均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這與聶永雄等[17]研究六堡茶和任瑞芬等[18]研究檸檬薄荷的結(jié)果一致，可能因?yàn)殡S著干旱程度的增強(qiáng)，植株的相對含水量不斷下降，進(jìn)而導(dǎo)致光合色素濃縮，含量上升，但是隨著干旱程度的不斷增強(qiáng)，植物受到的傷害不斷加大，以至于光合色素的合成途徑受阻，并開始分解，光合色素含量不斷下降[19]。

MDA作為衡量細(xì)胞膜完整性的一個重要指標(biāo)，可以用于表現(xiàn)活性氧對細(xì)胞膜的損傷程度[20]。本試驗(yàn)中，所有薄荷的MDA含量均隨著干旱脅迫的加強(qiáng)呈現(xiàn)顯著上升的趨勢，這與周鑫勝等[21]對百里香相關(guān)研究結(jié)果相似。本試驗(yàn)中，胡椒薄荷MDA含量增幅最大，表明胡椒薄荷細(xì)胞膜損傷程度最大，受到干旱脅迫的傷害較大。

植物在干旱脅迫下的生理響應(yīng)十分復(fù)雜，很難靠單一指標(biāo)精準(zhǔn)評價5種薄荷的抗旱能力。許多研究認(rèn)為利用模糊數(shù)學(xué)原理分析出植物不同性狀指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，可以作為植物抗性的一種評估方法[22-23]。本試驗(yàn)采用隸屬函數(shù)法對5種薄荷種子萌發(fā)指標(biāo)和幼苗生理指標(biāo)進(jìn)行抗旱性綜合評價，抗旱能力大小依次為：美國薄荷＞普列薄荷＞ 留蘭香薄荷＞檸檬薄荷＞胡椒薄荷。