殼寡糖對干旱脅迫下信前胡生長及葉片生理特性的影響

徐芬芬,魏平慧

(上饒師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,上饒市農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院,江西 上饒 334000)

信前胡(PeucedanumpraeruptorumDunn)為江西道地藥材信州前胡的簡稱,主產(chǎn)于江西上饒,其來源為前胡屬植物白花前胡。信前胡藥用部位為干燥根,臨床上多用于支氣管類疾病,是中醫(yī)臨床呼吸系統(tǒng)疾病的主要用藥之一[1]。

水分是影響植物生長的重要環(huán)境生態(tài)因子,是植物生長過程中必不可少的物質(zhì)之一。近些年,我國干旱頻發(fā),作物以及藥材的生長都受到限制,過度的干旱對植物生長產(chǎn)生抑制作用[2]。國內(nèi)外不少學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對植物的生理代謝,特別是代謝產(chǎn)物影響巨大[3]。植物應(yīng)對干旱具有不同的響應(yīng)策略,如形態(tài)矮小、關(guān)閉氣孔、抑制光合作用和呼吸作用、激活抗氧化酶系統(tǒng)以及次生代謝活躍等,上述反應(yīng)均是激發(fā)植物損傷修復(fù)機(jī)制的表現(xiàn)。

殼寡糖是殼聚糖的降解產(chǎn)物,系由 β-1,4糖苷鍵形成的低聚糖,具有多種生物活性,可有效誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性,并促進(jìn)植物生長,起增產(chǎn)、提質(zhì)和保鮮作用等。研究表明,殼寡糖可增強(qiáng)植物的多種抗性。李艷等[4]研究發(fā)現(xiàn),殼寡糖能夠通過降低植物細(xì)胞氣孔限制而緩解凈光合速率降低程度,從而提高干旱脅迫下油菜的抗旱性;周艷霞[5]試驗證明,對輕度、中度、重度干旱脅迫下的菜心噴施低濃度殼寡糖,能提高保護(hù)酶活性,增加可溶性糖和脯氨酸的含量,從而提高菜心的抗旱性;石欣隆等[6]發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下噴施殼寡糖能促進(jìn)‘鳳丹’幼苗生長?？梢?目前關(guān)于殼寡糖緩解植物抗旱性的研究主要針對農(nóng)作物和觀賞植物,而對藥用植物的研究鮮見報道。本文研究了干旱脅迫下殼寡糖對信前胡生長和生理的影響,可為信前胡合理種植區(qū)劃、規(guī)范化種植,特別是干旱地區(qū)信前胡的種植提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

信前胡1年生幼苗取自江西千山農(nóng)林開發(fā)有限公司的信前胡種植基地。

1.2 試驗方法

于2021年6月1日選擇長勢一致的幼苗移栽至直徑為23 cm的塑料盆缽中,每盆填裝3 kg營養(yǎng)土,每盆栽植1株幼苗。生長15 d后(2021年6月16日)開始水分處理:干旱處理保持土壤含水量為15%～20%,對照正常澆水,采用稱重法控制水分,對下降到水分指標(biāo)下限的盆進(jìn)行定量灌水,使每盆都維持在對應(yīng)處理的土壤含水量水平。處理設(shè)置:正常對照(CK)、干旱(D)、干旱+5 mg·L-1殼寡糖(DC5)、干旱+10 mg·L-1殼寡糖(DC10)、干旱+15 mg·L-1殼寡糖(DC15)、干旱+20 mg·L-1殼寡糖(DC20)。每處理重復(fù)5次。干旱處理7 d后(2021年6月23日),殼寡糖處理分別噴施等體積的5、10、15、20 mg·L-1殼寡糖(葉片上下均勻噴灑,噴施量均為每株20 ml),CK和單純干旱處理均噴施等體積蒸餾水。3 d后再重復(fù)噴一次殼寡糖溶液。7 d后(2021年7月3日)取樣測定生長指標(biāo),以后每7 d測定一次。待開花結(jié)束后(2021年8月13日)將植株(含根系)取出,分開地上部分和根系,分別稱鮮質(zhì)量和干質(zhì)量,同時取第3葉測定相關(guān)生理指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 生長指標(biāo) 每處理選取3株幼苗,每隔7 d測定株高、葉面積和展開葉片數(shù)等,待開花結(jié)束后(2021年8月13日)將植株(含根系)取出,分開地上部分和根系分別稱鮮質(zhì)量和干質(zhì)量,并計算根冠比和植株整體含水量。葉面積用Image j軟件處理得出;株高用直尺直接測量。

1.3.2 生理指標(biāo) 待開花結(jié)束后取第3葉測定如下生理指標(biāo):脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法測定[7];內(nèi)源H2O2含量參照劉俊等[8]的方法測定;丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸比色法[7]。以上各指標(biāo)重復(fù)測定3次,結(jié)果取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Excel 2003和DPS軟件分析,采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 殼寡糖對干旱脅迫下信前胡單株葉片數(shù)的影響

由表1分析可知,與CK相比,干旱處理顯著降低了信前胡單株葉片數(shù)(P<0.05)。與單純干旱處理相比,殼寡糖處理后,信前胡單株葉片數(shù)均有所增加。不同殼寡糖濃度處理均以10 mg·L-1對干旱脅迫的緩解效果最佳。殼寡糖處理后第7天和第13天,10 mg·L-1和15 mg·L-1殼寡糖處理的單株葉片數(shù)均顯著高于單純干旱和CK(P<0.05);從第19天開始,所有濃度(5、10、15、20 mg·L-1)殼寡糖處理單株葉片數(shù)不但顯著超過了單純干旱處理(P<0.05),且顯著超過了CK(P<0.05)。到第31天,單純干旱處理單株葉片數(shù)較CK降低9.4%,5、10、15、20 mg·L-1殼寡糖處理后單株葉片數(shù)分別較CK增加了32.5%、50.8%、29.3%和6.3%。殼寡糖處理均顯著促進(jìn)了葉片數(shù)目的增加,其中,10 mg·L-1殼寡糖處理增幅顯著超過了其他處理(P<0.05)。

表1 不同濃度殼寡糖對干旱脅迫下信前胡單株葉片數(shù)的影響Table 1 Effects of different concentrations of COS on the number of leaves per plant in Peucedanum pratense under drought stress

2.2 殼寡糖對干旱脅迫下信前胡單株葉面積的影響

由表2分析可知,與CK相比,干旱處理下信前胡的單株平均葉面積均顯著降低(P<0.05),殼寡糖處理較單純干旱處理單株平均葉面積均有所增加,但在第1天～第13天差異不顯著,至第19天～第31天,10 mg·L-1和15 mg·L-1兩處理信前胡的單株平均葉面積分別較單純干旱處理顯著提高了27.3%和20.8%(P<0.05),其中,10 mg·L-1殼寡糖處理與CK間無顯著差異。說明在干旱脅迫的影響下,為了減少蒸騰作用對水分的消耗,信前胡通過降低葉面積來減少水分散失以確保生存需要。殼寡糖處理可以緩解這種抑制作用,在干旱脅迫時,用10 mg·L-1殼寡糖噴施信前胡葉片可以顯著促進(jìn)干旱脅迫下葉片的生長。

表2 不同濃度殼寡糖對干旱脅迫下信前胡單株平均葉面積的影響/cm2Table 2 Effects of COS on average leaf area per plant of Peucedanum pratense under drought stress

2.3 殼寡糖對干旱脅迫下信前胡株高的影響

由表3分析可知,干旱脅迫下,信前胡株高均有所降低。從第7天開始,5、10、15、20 mg·L-1殼寡糖處理的信前胡株高均較單純干旱處理提高,且均超過了CK。到第31天,單純干旱處理株高較CK降低8.9%,5、10、15、20 mg·L-1殼寡糖處理的信前胡株高分別較CK提高了6.9%、19.9%、8.9%和5.8%。從第19天開始,5、10、15 mg·L-1殼寡糖處理的信前胡株高均顯著高于單純干旱處理和CK(P<0.05)。從第7天開始,所有處理均以10 mg·L-1殼寡糖處理株高最大,且在第25天后顯著高于其他處理(P<0.05)。

表3 不同濃度殼寡糖對干旱脅迫下信前胡株高的影響/cmTable 3 Effects of COS on plant height of Peucedanum pratense under drought stress

2.4 殼寡糖對干旱脅迫下信前胡生物量和植株含水量的影響

由表4分析可知,干旱處理信前胡地上部分干質(zhì)量、根冠比和植株含水量等均較CK顯著降低(P<0.05)。不同濃度殼寡糖處理后信前胡的生物量、根冠比和含水量等均有所提高。其中,5、10、15 mg·L-1殼寡糖處理信前胡地上和地下部分干質(zhì)量均較單純干旱和CK顯著提高(P<0.05);5 mg·L-1和10 mg·L-1殼寡糖處理的信前胡根冠比顯著高于CK和其他處理(P<0.05);5、10、15 mg·L-1殼寡糖處理的信前胡植株含水量均較單純干旱處理顯著提高(P<0.05)。由上述分析得出,5 mg·L-1和10 mg·L-1殼寡糖處理生物量、根冠比和含水量等均較單純干旱處理顯著提高(P<0.05),可以顯著緩解干旱脅迫對信前胡生長的抑制作用。

表4 不同濃度殼寡糖對信前胡生物量和植株含水量的影響Table 4 Effects of COS on the biomass and water content of Peucedanum pratense

2.5 殼寡糖對干旱脅迫下信前胡葉片生理特性的影響

由表5分析可知,干旱脅迫下信前胡葉片脯氨酸含量和H2O2含量均較CK顯著提高(P<0.05),表明干旱促進(jìn)了信前胡葉片脯氨酸和H2O2的積累。添加殼寡糖后信前胡葉片H2O2含量均較單純干旱處理顯著降低(P<0.05),以10 mg·L-1殼寡糖處理最低;脯氨酸含量以10 mg·L-1殼寡糖處理的顯著高于其他處理(P<0.05);MDA含量也以10 mg·L-1殼寡糖處理最低(P<0.05)。表明10 mg·L-1殼寡糖可以顯著緩解信前胡葉片的細(xì)胞膜質(zhì)受傷害程度,且顯著提高脯氨酸含量。

表5 殼寡糖對干旱脅迫下信前胡葉片相關(guān)生理指標(biāo)的影響Table 5 Effects of COS on physiological indexes of Peucedanum pratense leaves under drought stress

3 討論與結(jié)論

石欣隆等[6]研究表明,在斷水的第15天,噴施外源殼寡糖能增加干旱脅迫下‘鳳丹’苗高和生物量,以40 mg·L-1效果最佳。趙肖瓊等[9]研究發(fā)現(xiàn),在噴施10、100、200 mg·L-1殼寡糖48 h后小麥幼苗株高、根長、地上部干質(zhì)量均顯著增加。目前關(guān)于殼寡糖影響植物抗旱性生長指標(biāo)的研究主要集中在株高、根長和生物量等,未見對葉面積和根冠比的研究,而根冠比是衡量植物抗旱性的重要指標(biāo)[10]。因此,本研究通過測定信前胡的株高、生物量、含水量、葉面積和根冠比等生長指標(biāo),研究了5、10、15、20 mg·L-1殼寡糖處理對干旱脅迫下信前胡生長的影響。結(jié)果表明,10 mg·L-1和15 mg·L-1殼寡糖處理可顯著提高干旱脅迫下信前胡的葉片數(shù)、葉面積、株高、根冠比和含水量等(P<0.05),以10 mg·L-1殼寡糖處理效果最好?？梢?殼寡糖是通過提高信前胡的根冠比,增加深土層根系分布的比例,促進(jìn)干旱下植株吸水,同時增大葉面積以提高光合效率來緩解信前胡干旱脅迫的。

在殼寡糖抗旱生理機(jī)制方面,前人研究表明:殼寡糖可通過增強(qiáng)小麥[9]和甘蔗[11]葉片的保護(hù)酶活性,提高可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量,從而增強(qiáng)植株對干旱脅迫的抵抗能力。殼寡糖可顯著提高唐古特白刺植株的相對含水量、葉綠素含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和抗氧化酶活性,同時明顯降低了葉片電解質(zhì)外滲率和丙二醛含量[12]。本研究結(jié)果表明,10 mg·L-1殼寡糖處理的信前胡葉片脯氨酸含量較其他處理顯著提高,MDA含量較其他處理顯著降低(P<0.05)。說明10 mg·L-1殼寡糖能通過促進(jìn)干旱脅迫下信前胡葉片的脯氨酸積累,來增強(qiáng)保水能力,這是10 mg·L-1殼寡糖處理可顯著提高信前胡植株含水量的原因(表4)。植物抵抗外界脅迫的能力與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量密切相關(guān),脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[13]。脯氨酸能促進(jìn)蛋白質(zhì)的水合作用,形成具有一定保水能力的聚合物,維持細(xì)胞滲透平衡[14]。因此,可以認(rèn)為游離脯氨酸積累是信前胡為了對抗干旱脅迫而采取的一種保護(hù)性措施。另外,殼寡糖能通過降低信前胡葉片的H2O2含量和MDA含量降低植株的氧化損傷,從而促進(jìn)干旱脅迫下信前胡的生長,緩解干旱脅迫。