外源甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗生理特性的影響

華智銳，劉 芳，李小玲

（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）

土壤鹽漬化造成了土壤的理化性質(zhì)發(fā)生變化，顯著地抑制了植物的生長和發(fā)育，這已經(jīng)成為一個(gè)全球性的生態(tài)問題，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要制約因素之一［1］。鹽脅迫是一種常見的非生物脅迫，高鹽環(huán)境會造成高滲透脅迫，植物體內(nèi)就會積累過量的活性氧，并引發(fā)膜脂過氧化，損傷蛋白質(zhì)和核酸，破壞植物的正常代謝，進(jìn)而對種子的萌發(fā)、作物的生長和產(chǎn)量造成影響［2］。

桔梗（Platycodon grandiflorus）也被稱為包袱花、僧帽花、鈴鐺花，屬桔梗科、桔梗屬的多年生草本植物，其根可入藥，有止咳祛痰、排膿、宣肺等功效，是中醫(yī)常用藥之一。它的藥用價(jià)值高，國內(nèi)外的需求量持續(xù)增加，但缺乏野生種質(zhì)資源，只能進(jìn)行人工栽培，而土壤的鹽漬化對植物生長發(fā)育造成了嚴(yán)重的危害，進(jìn)而限制了其產(chǎn)量。研究表明［3］，當(dāng)植物處于逆境中時(shí)，添加外源物質(zhì)可以提高植物的抗逆性。

甜菜堿（Glycine Betaine， GB）是高等植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，它是一種無毒、無害的水溶性生物堿，廣泛存在于動物、植物和微生物中，在增強(qiáng)植物對脅迫的適應(yīng)性、提高植物的抗性等方面發(fā)揮了重要作用［4］。郭啟芳等［5］研究表明，外源甜菜堿可以促進(jìn)小麥（Triticum aestivum）的抗氧化酶活性，提高可溶性糖的含量，抑制鹽脅迫。雷永康等［6］研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫條件下施加外源甜菜堿，可以通過維持莧菜（Amaranthus mangostanus）細(xì)胞的正常滲透調(diào)節(jié)來增強(qiáng)植物的抗鹽性。馬明臻［7］研究發(fā)現(xiàn)，外源甜菜堿可提高植物抗氧化酶活性，緩解干旱脅迫對植物造成的傷害。劉思露等［8］研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，外源甜菜堿增強(qiáng)了匍匐翦股穎（Agrostis stolonifera）的抗旱性，且復(fù)水后植物能更好地生長。何麗丹等［9］研究發(fā)現(xiàn)，使用甜菜堿浸種處理，對鹽地的堿蓬種子的生長效果最好。馬婷燕等［10］研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下施加適宜濃度的外源甜菜堿，可以緩解苜蓿種子在萌發(fā)過程中的鹽抑制作用。許鎖鏈等［11］研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度外源甜菜堿可提高PEG脅迫下小桐子種子的發(fā)芽率。韓志平等［12］研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的外源甜菜堿浸種，均可緩解硝酸鈣對種子萌發(fā)的抑制作用。李善家等［13］研究發(fā)現(xiàn)，甜菜堿能提高黑果枸杞種子的抗鹽能力和緩解鹽脅迫給種子帶來的傷害。

種子萌發(fā)和幼苗生長是植物生長的關(guān)鍵階段，本試驗(yàn)通過用不同濃度的外源甜菜堿處理鹽脅迫下的桔梗幼苗，并對桔梗幼苗生理指標(biāo)進(jìn)行測定，探討了在鹽脅迫下，外源甜菜堿對桔梗幼苗生理特性產(chǎn)生的影響，為鹽堿地區(qū)桔梗優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)及其抗逆境生理機(jī)制和抗性育種研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用1年生桔梗（Platycodon grandiflorus）屬于桔?？平酃儆酌?，由商洛學(xué)院的生物學(xué)院試驗(yàn)中心教師課題組提供，將桔梗幼苗移栽至直徑15 cm×20 cm的塑料花盆中，幼苗長至15 cm時(shí)，用營養(yǎng)土和普通土按1∶1比例的基質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)。為了使幼苗盡快恢復(fù)正常的生理狀態(tài)，每天定時(shí)澆水、松土，使其生長在良好的環(huán)境中。每個(gè)處理澆水量一致。每盆3株，每個(gè)處理12盆，1周后隨機(jī)選取各處理的幼苗用于生理指標(biāo)的測定。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料預(yù)培養(yǎng)及處理 鹽脅迫對桔梗種子萌發(fā)影響試驗(yàn)，用不同濃度的NaCl模擬鹽脅迫。將籽粒飽滿、大小均勻的桔梗種子用1%的次氯酸鈉消毒10 min后，用蒸餾水沖洗3～4次，浸種24 h。然后在培養(yǎng)皿中鋪雙層濾紙，播種浸種后的種子，每皿50粒。以蒸餾水作空白對照，設(shè)置添加濃度分別 為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% NaCl溶液，共9個(gè)鹽脅迫處理。

鹽脅迫下幼苗生理特性影響試驗(yàn)：將桔梗幼苗移栽至直徑15 cm×20 cm的花盆中培養(yǎng)，待幼苗恢復(fù)正常生理狀態(tài)后，將幼苗分成8個(gè)處理組，處理1（CK）：不加添加任何藥品，用蒸餾水栽培，作為對照組；處理2：0.5% NaCl溶液模擬鹽脅迫；處理3：0.5% NaCl溶液模擬鹽脅迫，葉施1 g/L GB；處理4：0.5% NaCl溶液模擬鹽脅迫，葉施2 g/L GB；處理5：0.5% NaCl溶液模擬鹽脅迫，葉施3 g/L GB；處理6：0.5% NaCl溶液模擬鹽脅迫，葉施4 g/L GB；處理7：0.5% NaCl溶液模擬鹽脅迫，葉施5 g/L GB；處理8：0.5% NaCl溶液模擬鹽脅迫，葉施6 g/L GB。

每個(gè)處理重復(fù)3次，1周后，隨機(jī)選取處理的幼苗用于試驗(yàn)中相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.2.2 幼苗生理指標(biāo)的測定 POD活性的測定采用李合生［14］的愈創(chuàng)木酚法；SOD活性的測定采用李合生［14］的氮藍(lán)四唑法；CAT活性的測定采用高俊鳳［15］的紫外吸收法；MDA含量的測定采用張志良等［16］的硫代巴比妥酸（TBA）檢測法；葉綠素含量的測定采用張志良等［16］的丙酮—碳酸鈣法；可溶性蛋白含量的測定采用高俊鳳［15］的考馬斯亮藍(lán)G-250法。各項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)測定3次，求其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Excel 2019軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并制圖。各項(xiàng)生理指標(biāo)測得3次重復(fù)，取平均值并繪圖和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫預(yù)試驗(yàn)對桔梗種子萌發(fā)的影響

NaCl模擬鹽脅迫對桔梗種子萌發(fā)起抑制作用，由表1可知，不同濃度的NaCl處理使桔梗種子發(fā)芽率（GP）、發(fā)芽勢（GE）均呈降低趨勢，且NaCl濃度越大，其下降幅度越明顯。當(dāng)NaCl濃度為0.5%時(shí)，與CK比較，其發(fā)芽率（GP）、發(fā)芽勢（GE）分別顯著下降了49.33、41.33個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)NaCl濃度超過0.5%時(shí)，桔梗種子萌發(fā)均受到顯著抑制。由此可見，對桔梗種子萌發(fā)起到抑制作用的臨界NaCl濃度為0.5%。根據(jù)種子萌發(fā)所受到的抑制程度，選取0.5% NaCl為鹽脅迫下幼苗生理特性影響試驗(yàn)的鹽脅迫濃度。

表1 鹽脅迫對桔梗種子萌發(fā)的影響 %

2.2 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗POD活性的影響

由圖1可知，0.5% NaCl模擬鹽脅迫（處理2）相比于對照組（處理1）顯著提高了桔梗葉片中的POD活性（P＜0.05）。在相同濃度NaCl模擬鹽脅迫下，施加不同濃度GB（處理3～處理8）時(shí)，POD活性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。與處理2相比，GB濃度為3 g/L（處理5）時(shí)的POD活性增幅為4.92%，GB濃度為4 g/L（處理6）時(shí)的POD活性增幅最大（47.54%），其余處理（第3、4、7、8組）明顯降低了NaCl脅迫下桔梗葉片中的POD活性（P＜0.05）。結(jié)果表明，GB對緩解鹽脅迫下POD活性的影響顯著，但并不是濃度越效果越好，效果最顯著的GB濃度為4 g/L。

圖1 GB對鹽脅迫下桔梗幼苗POD活性的影響

2.3 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗SOD活性的影響

由圖2可知，0.5% NaCl模擬鹽脅迫（處理2）的SOD活性水平相比于對照組（處理1）顯著降低（P＜0.05），說明鹽脅迫處理對桔梗葉片SOD活性有顯著的影響。在相同濃度NaCl模擬鹽脅迫下，施加不同濃度GB（處理3～處理8）均使SOD活性比NaCl脅迫處理有不同程度的增強(qiáng)，較處理2增幅分別為66.67%、166.67%、283.33%、500.00%、166.67%、50.00%，且呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在GB濃度為4 g/L（處理6）時(shí)達(dá)到最大增幅，由此可知，4 g/L GB對緩解鹽脅迫下SOD活性的影響最顯著。

圖2 GB對鹽脅迫下桔梗幼苗SOD活性的影響

2.4 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗CAT活性的影響

由圖3可知，0.5% NaCl模擬鹽脅迫（處理2）與對照組（處理1）相比，顯著降低了桔梗葉片中CAT活性（P＜0.05），說明0.5% NaCl模擬鹽脅迫對桔梗葉片CAT活性有顯著的影響。在相同濃度NaCl模擬鹽脅迫下，施加不同濃度GB（處理3～處理8）使CAT活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，相比0.5% NaCl模擬鹽脅迫（處理2），其變幅分別為-2.8%、41.15%、124.59%、174.9%、12.74%、 -31.08%，其中，GB濃度為4 g/L（處理6）時(shí)的CAT活性增幅達(dá)到最大（174.9%）。由此可知，在鹽脅迫下，適宜的GB濃度可明顯提高桔梗幼苗的CAT活性。

圖3 GB對鹽脅迫下桔梗幼苗CAT活性的影響

2.5 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗MDA含量的影響

由圖4可知，正常情況下，桔梗幼苗葉片中MDA含量較低，0.5% NaCl模擬鹽脅迫（處理2）與對照組（處理1）相比，MDA含量明顯升高，增幅達(dá)到50.75%，差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），說明NaCl模擬鹽脅迫對桔梗葉片MDA含量有顯著的影響。在相同濃度NaCl模擬鹽脅迫下，施加不同濃度GB（處理3～處理8）均使MDA含量較處理2有不同程度的降低，降低幅度分別為30.67%、61.06%、40.02%、30.91%、26.47%、17.16%，且呈先下降后上升的趨勢，這說明添加適當(dāng)?shù)腉B可以降低0.5% NaCl模擬鹽脅迫下桔梗幼苗的MDA含量，緩解鹽脅迫對植株的危害，GB濃度為2 g/L（處理4）時(shí)則表現(xiàn)最為顯著。

圖4 GB對鹽脅迫下桔梗幼苗MDA含量的影響

2.6 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗葉綠素含量的影響

由圖5可知，與對照組（處理1）相比，0.5% NaCl模擬鹽脅迫（處理2）葉綠素的含量顯著降低（P＜0.05），說明鹽脅迫處理對桔梗葉片中的葉綠素含量有顯著的影響。在相同濃度NaCl模擬鹽脅迫下，施加不同濃度GB（處理3～處理8）均能使葉綠素含量比鹽脅迫處理有不同程度的增強(qiáng)，相較處理2的增幅分別為200.78%、230.43%、217.30%、193.14%、173.02%、66.20%，且葉綠素含量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在GB濃度為2 g/L（處理4）時(shí)達(dá)到最大增幅，說明2 g/L GB對緩解鹽脅迫下葉綠素含量下降的效果最顯著。

圖5 GB對鹽脅迫下桔梗幼苗葉綠素含量的影響

2.7 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗可溶性蛋白含量的影響

由圖6可知，0.5% NaCl模擬鹽脅迫（處理2）下，桔梗葉片的可溶性蛋白含量比對照組（處理1）增加7.16%，0.5% NaCl模擬鹽脅迫對桔梗葉片中的可溶性蛋白無顯著的影響。在相同濃度NaCl模擬鹽脅迫下，用不同濃度的GB處理（處理3～處理8）后，其幼苗的可溶性蛋白含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，相比0.5% NaCl模擬鹽脅迫（處理2）的變幅分別為-28.51%、0.64%、8.22%、58.94%、-1.67%、 -27.22%，其中GB濃度為4 g/L（處理6）時(shí)的可溶性蛋白含量增幅達(dá)到最大（58.94%），效果最佳。

圖6 GB對鹽脅迫下桔梗幼苗可溶性蛋白含量的影響

3 討論

3.1 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗保護(hù)酶活性的影響

當(dāng)植物體自身受到鹽脅迫時(shí)，體內(nèi)的抗氧化物酶共同作用形成一個(gè)活性氧清除系統(tǒng)。范春麗等［17］研究發(fā)現(xiàn)，外源甜菜堿可作用于植物的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，對植物的抗氧化酶進(jìn)行保護(hù)，提高植物抗旱性。羅音等［18］研究發(fā)現(xiàn)，外源甜菜堿提高了煙草種子的抗氧化酶活性，減輕了鹽脅迫的抑制作用。何慶元等［19］研究發(fā)現(xiàn)，隨著NaCI濃度的不斷增高，大豆的SOD、POD和CAT活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

本試驗(yàn)中，在0.5% NaCl模擬鹽脅迫下，桔梗幼苗的SOD、CAT活性較對照組顯著降低，POD活性較對照組顯著增加。相同條件的鹽脅迫下，4 g/L GB處理下桔梗幼苗中的SOD、POD和CAT活性均達(dá)最大值。說明外源GB可以調(diào)節(jié)桔梗幼苗的保護(hù)酶系統(tǒng)，由此緩解鹽脅迫對桔梗幼苗帶來的危害，且以4 g/L GB處理的效果最佳。

3.2 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗膜脂過氧化的影響

植物體在鹽脅迫下會積累大量的活性氧，對植物造成氧化脅迫。當(dāng)活性氧的生成和清除之間的動態(tài)平衡被破壞時(shí)，膜脂的過氧化作用會增加膜脂過氧化產(chǎn)物的量，從而導(dǎo)致膜的結(jié)構(gòu)和完整性的破壞。因此，丙二醛（MDA）作為膜脂過氧化的終產(chǎn)物，可以用來反映膜的受損狀況。劉正魯?shù)龋?0］研究發(fā)現(xiàn)，對嫁接茄子鹽脅迫后，可以使嫁接茄子中的MDA含量顯著增加。路旭平等［21］研究發(fā)現(xiàn)，在鎘脅迫下，添加外源甜菜堿可以降低紫花苜蓿中丙二醛（MDA）的含量。

本試驗(yàn)中，在0.5% NaCl模擬鹽脅迫下，桔梗幼苗的MDA含量較對照組顯著增加；在相同條件的鹽脅迫下，不同濃度的GB處理均能使MDA含量相比單鹽脅迫時(shí)顯著降低，并在GB濃度為2 g/L時(shí)達(dá)到最低值，說明在鹽脅迫下，桔梗幼苗細(xì)胞膜受損，外源甜菜堿可以緩解桔梗幼苗細(xì)胞膜系統(tǒng)受到的損傷，且以2 g/L GB處理的效果最佳。

3.3 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗葉綠素含量的影響

鹽脅迫會破壞植物體的葉綠體結(jié)構(gòu)以及光合色素，造成葉綠素含量、葉綠素蛋白復(fù)合體含量下降，導(dǎo)致植物體凈光合速率降低，對植物的光合作用造成影響［22］。嚴(yán)青青等［23］研究發(fā)現(xiàn)，葉施外源甜菜堿可以明顯改善海島棉的生長發(fā)育，促進(jìn)光合作用；李先婷等［24］研究發(fā)現(xiàn)，在高濃度的鹽脅迫條件下，啤酒大麥幼苗的凈光合速率被顯著抑制；梁超［25］研究發(fā)現(xiàn)，甜菜堿可以保護(hù)植物體在逆境條件下，葉綠體的體積不受鹽的脅迫，改善光合效率，以此增強(qiáng)植物體的抗鹽性。

本試驗(yàn)中，在0.5% NaCl模擬鹽脅迫下，桔梗幼苗的葉綠素含量較對照組顯著降低。在相同條件的鹽脅迫下，不同濃度的GB處理均能使葉綠素含量相比鹽脅迫時(shí)顯著增加，且呈先上升后下降的趨勢，說明外源GB可提高鹽脅迫下桔梗幼苗中的葉綠素含量，抵御鹽脅迫，并促進(jìn)幼苗的生長發(fā)育，且以2 g/L GB處理的效果最佳。

3.4 甜菜堿對鹽脅迫下桔梗幼苗可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白是維持植物生長不可缺少的因素，可以提供能量等物質(zhì)。本試驗(yàn)中，在0.5% NaCl模擬鹽脅迫下，桔梗幼苗的可溶性蛋白含量較對照組增高7.16%。在相同條件的鹽脅迫下，用不同濃度的GB處理后，其可溶性蛋白含量呈先上升后下降的趨勢，在4 g/L GB處理時(shí)達(dá)最大值，說明在鹽脅迫下，GB可以誘導(dǎo)桔梗幼苗中的可溶性蛋白含量進(jìn)一步提高，且以4 g/L GB處理的影響最顯著。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)中，2 g/L GB對鹽脅迫下桔梗幼苗中MDA和葉綠素含量的影響最顯著，4 g/L GB處理對鹽脅迫下桔梗幼苗的SOD、POD、CAT活性以及可溶性蛋白含量的影響最顯著。綜合分析表明，適宜濃度的外源甜菜堿（GB）可以緩解鹽脅迫對桔梗幼苗造成的生理傷害。