PEG模拟干旱胁迫对聚合草叶片生理特性的影响

刘永华 李鲜花 崔凡 刘翠英

摘要：为研究PEG模拟干旱胁迫环境下聚合草叶片的生理变化，设置不同浓度的PEG溶液（0%、5%、10%、15%、20%、25%）进行处理，对其可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性进行测定。结果表明，随着PEG浓度（0%～25%）的增加，可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量、POD活性、SOD活性均呈现先上升后下降的趋势。当PEG浓度上升到10%时，POD和SOD活性达到最高值，分别为270.3 U/（g·min）、1167.7 U/g；可溶性糖和可溶性蛋白质含量达到最高值，分别为1.9μg/g、236.2μg/g。游离脯氨酸含量随着PEG浓度的升高表现为先下降后上升的趋势，当浓度为10%时，脯氨酸含量到达最低值20.3μg/g。研究结果表明聚合草具有一定的抗旱性，在轻度干旱环境下通过调节能力可以缓解自身受到的伤害。

关键词：聚合草；PEG；干旱胁迫；生理特性；抗旱性

中图分类号：S728.2文献标志码：A论文编号：cjas20200300045

PEG Simulating Drought Stress： Effect on Physiological Characteristics of Symphytum officinale Leaves

Liu Yonghua， Li Xianhua， Cui Fan， Liu Cuiying

（Life and Science College， Yulin University， Yulin 719000， Shaanxi， China）

Abstract： To study the physiological changes of Symphytum officinale leaves under PEG simulating drought stress， different concentrations of PEG （0%， 5%， 10%， 15% 20%， 25%） were set up. The soluble sugar content， soluble protein content， free proline content， peroxidase activity and superoxide dismutase activity were measured. The results showed that with the increase of PEG concentrations （0% ～25% ）， the soluble sugar content， the soluble protein content， POD activity and SOD activity increased first and then decreased. When the PEG concentration increased to 10%， POD activity and SOD activity reached the highest value， 270.3 U/（g·min） and 1167.7 U/g， respectively； the soluble sugar content and the soluble protein content was up to the maximum， 1.9μg/g， 236.2μg/g， respectively. The free proline content decreased first and then increased with the increase of PEG concentrations. When the concentration was 10%， the proline content reached the lowest value of 20.3μg/g. It indicates that Symphytum officinale has a certain drought resistance， and it could alleviate the damage suffered through own adjustment ability in mild drought environment.

Keywords： Symphytum officinale； PEG； Drought Stress； Physiological Characteristics； Drought Resistance

0引言

干旱對植物生长有着极其严重的影响，其对植物造成的损失已经超过其他逆境造成损失的总和。特别是近几十年来，全球周期性降水分布失衡和用水不当都不同程度加重了干旱所带来的灾害[1]。中国属于世界上最干旱的国家之一，国土面积二分之一以上都处于干旱和半干旱地区[2]。干旱已经成为中国农林业发展的主要限制因子，给农林业带来的损失也越来越严重。植物为了适应干旱环境，就必须发展出能够适应干旱的机制，形态特征和生理生化特征都会发生较大的变化。赵永平等[3]研究发现干旱胁迫诱导甜叶菊幼苗保护酶的活性发生了较大变化，渗透调节物质含量急剧升高。马艳红等[4]的研究表明，干旱胁迫使得蒙古冰草根系的长度、表面积等各项形态指标显著增加，生理特性也发生了显著变化。易家宁等[5]研究了干旱胁迫下紫苏的生长及品质情况，发现干旱胁迫减少了紫苏的地上部生物量，适当干旱可以促进叶片挥发油的合成。因此，充分认识植物在干旱胁迫下的响应显得尤为重要，在抗旱植物筛选、培育和大面积推广方面具有重大意义[6-7]。

聚合草（Symphytum officinale L.）为丛生型多年生牧草，具有耐寒、耐旱等优良特性，蛋白质、维生素含量较高，而且具有抗炎、止痛、调节免疫力等药理作用，既可作为优质高产的饲料牧草，还可作为优良的中药药材[8]，具有较高的生态和经济价值。但是，由于干旱的限制使得聚合草在干旱半干旱地区的引种栽培受到了制约。目前，关于聚合草的研究主要集中在栽培方式[9]、蛋白质的提取[10-12]、多糖理化性质[13]等方面，而在聚合草受干旱胁迫后的生理变化方面尚未见公开报道。因此，本研究采取盆栽试验，对不同干旱程度下聚合草的生理特性变化进行研究，为干旱半干旱地区高质量进行聚合草的人工栽培，加速其产业化生产提供可靠的科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试材料为聚合草，挑选粗细均匀的种根进行切段，用生根粉浸泡2 h，取出待用。

1.2试验方法

试验于2019年在陕西省榆林学院生命科学学院进行。采用营养液沙培法对聚合草进行培养。取沙土过筛，去掉过细和过粗的沙土，经过高温消毒（121℃，30 min）后装在入育苗盆（口径18 cm×21 cm）中，将浸泡后的种根按每盆3株种在盆中，浇入适量的水，放入光照培养箱，每天光照13 h，[白天温度（25±1）℃，夜间温度（20±1）℃]，相对湿度设置为65%～75%。待出苗后，每隔2天浇灌200 mL Hoagland营养液以保证幼苗正常生长；幼苗长至第30天，长出4～5片叶子时，挑选长势均匀的聚合草进行干旱处理（含0%、5%、10%、 15%、20%、25%浓度PEG-6000的Hoagland溶液），处理2天后测定聚合草叶片的生理指标。

1.3试验测定指标与测定方法

可溶性糖（SS）、可溶性蛋白（SP）和游离脯氨酸（Pro）的含量分别采用蒽酮法、考马斯特亮蓝G-250染色法和磺基水杨酸提取茚三酮比色法测定，过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性分别采用愈创木酚显色法和氮蓝四唑光还原法测定[14-15]。

1.4试验数据统计与分析

利用Microsoft office Excel 2010软件整理数据，采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析。

2结果与分析

2.1干旱胁迫对聚合草可溶性糖含量的影响

图1为干旱胁迫对聚合草可溶性糖含量的影响。在干旱处理范围（0%～25%）内，聚合草叶片内可溶性糖含量变化范围在1.5～1.9μg/g。随着PEG浓度不断上升，可溶性糖含量随之升高，当PEG浓度为10%时，可溶性糖含量达到最大，为1.9μg/g，显著高于其他各组（P<0.05），相比于CK升高了0.4μg/g。当EG浓度超过10%继续上升时，可溶性糖含量开始持续下降，当PEG浓度升至25%时，可溶性糖含量降至最低值1.5μg/g，与CK无显著性差异。

2.2干旱胁迫对聚合草可溶性蛋白含量的影响

聚合草葉片中可溶性蛋白含量与PEG浓度的关系如图2所示。在本试验PEG浓度范围（0%～25%）内，聚合草叶片中可溶性蛋白含量先大幅上升，然后急剧下降。当PEG浓度分别为5%和10%时，可溶性蛋白含量与CK相比分别提高了30.9μg/g和46.6μg/g，而且在PEG浓度为10%时可溶性蛋白含量达到最高值236.2μg/g。此后随着PEG浓度增加，叶片中可溶性蛋白含量急剧下降，当PEG浓度为25%时，含量降至最低值179.4μg/g。

2.3干旱胁迫对聚合草游离脯氨酸含量的影响

由图3可看出，聚合草叶片中的游离脯氨酸含量随着处理浓度的升高呈现先降后升的趋势。当试验PEG浓度设置为5%和10%时，脯氨酸含量分别为20.8μg/g、20.3μg/g，与CK相比分别下降了8.6μg/g、9.1μg/g，且两者无显著差异（P<0.05）。当试验PEG浓度继续逐渐升至25%时，叶片游离脯氨酸含量开始逐渐随之升高，最高为44.4μg/g，显著高于其他各组（P< 0.05）。

2.4干旱处理对聚合草POD活性的影响

聚合草叶片中POD活性随着处理浓度的升高呈现先升后降的趋势（图4）。随着试验设置的PEG浓度从0%增加到10%，POD活性急速上升。当PEG浓度为5%时，POD活性比CK升高了84.5 U/g·min，当PEG浓度为10%时，POD活性升至最高值270.3 U/（g·min），相比CK升高了135.3 U/（g·min），当PEG浓度大于10%时，POD活性逐渐下降，当PEG浓度为25%时，降至最低值156.7 U/（g·min），仍高于CK。

2.5干旱胁迫对聚合草SOD活性的影响

SOD活性随PEG浓度的变化规律如图5所示，随着PEG浓度的增加，聚合草叶片中SOD活性呈先上升后下降的趋势。PEG浓度从0上升到10%时，SOD活性大幅度上升，在10%浓度处理时，SOD活性达到最大，为1167.7 U/g，相比CK升高了540.9 U/g，与5%处理相比升高了306.8 U/g。当PEG浓度超过10%以后，SOD活性逐渐降低，且在25%时，SOD活性降至最低值605.6 U/g，低于CK。

3讨论

植物在干旱胁迫的情况下，植物细胞中的可溶性糖和可溶性蛋白对维持植物细胞渗透调节的平衡起着重要的作用[16-19]。本研究发现，在试验设置PEG浓度范围（0%～25%）内，聚合草中可溶性糖和可溶性蛋白含量呈现先增高后降低的趋势。说明当PEG浓度刚开始上升时，聚合草体内的应激反应加强了细胞内渗透调节物质的合成，制造出了更多的可溶性糖和可溶性蛋白，从而使得细胞内溶液浓度增加，最终降低了渗透势，减少细胞水分以渗透的形式向外散失，维持细胞内正常的生长所需水分。当PEG浓度超过10%时，部分叶片生理功能被破坏开始枯萎，叶片含水量显著下降，从而导致叶片中可溶性糖和可溶性蛋白也显著下降，这与王磊等研究结果相符[6]。

植物的抗旱性越强，脯氨酸的累积能力越强[19]。在本试验设置PEG浓度范围（0%～25%）内，游离脯氨酸含量变化趋势表现为先下降后上升，原因可能是干旱胁迫程度比较轻时，聚合草为了适应轻度胁迫，脯氨酸的消耗大于累积，消耗了叶片中一部分脯氨酸来维持植物体内的代谢平衡，所以游离脯氨酸含量出现下降的趋势。当PEG浓度大于10%后，蛋白质合成逐渐减少，脯氨酸合成加强、降解受抑、消耗减少，因此开始大量累积。区智等[17]的研究也有类似的结果。当PEG浓度再向上升时，由于严重胁迫对细胞造成伤害，脯氨酸含量可能也出现下降的趋势，进一步的结果还有待研究。

植物组织在干旱胁迫条件下，活性氧会大量增加损伤细胞，而过氧化物酶和超氧化物歧化酶可以高效地清除活性氧，保护细胞不被伤害[20-21]。本研究结果表明，聚合草在干旱胁迫下过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性随着胁迫浓度的升高呈现先上升后下降的趋势，干旱胁迫程度较轻时，植物通过自身保护系统对干旱做出应对，通过POD活性和SOD活性增强来分解活性氧。当PEG浓度大于10%后，此时干旱胁迫程度较重，植物体内POD和SOD不足以应对过量的活性氧，清除能力开始下降，植物细胞受损更加严重。本研究中聚合草的各项指标在不同程度干旱胁迫下变化规律不同，但其变化趋势有一个共同点，当PEG浓度为10%时，所有指标会出现最大或最小值，说明聚合草自身调节能力可以适应10%PEG以下的胁迫，大于10%时，调节能力受到限制。

4结论

本研究通过室内盆栽试验测定了干旱胁迫下聚合草叶片中可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸含量、POD和SOD活性，发现随着PEG浓度的上升，聚合草叶片中可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、POD活性和SOD活性变化比较一致，均为先升高后下降，游离脯氨酸含量变化趋势为先降低后上升。当PEG浓度低于10%时，聚合草通过自身调节可维持正常生长，当PEG浓度高于10%时，聚合草生长受到抑制。因此，聚合草具有一定的抗旱性，可以在轻度干旱环境下进行大面积推广。

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