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

(上饒師范學院生命科學學院,上饒市農業技術創新研究院,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,是中醫臨床呼吸系統疾病的主要用藥之一[1]。

水分是影響植物生長的重要環境生態因子,是植物生長過程中必不可少的物質之一。近些年,我國干旱頻發,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生抑制作用[2]。國內外不少學者研究發現干旱脅迫對植物的生理代謝,特別是代謝產物影響巨大[3]。植物應對干旱具有不同的響應策略,如形態矮小、關閉氣孔、抑制光合作用和呼吸作用、激活抗氧化酶系統以及次生代謝活躍等,上述反應均是激發植物損傷修復機制的表現。

殼寡糖是殼聚糖的降解產物,系由 β-1,4糖苷鍵形成的低聚糖,具有多種生物活性,可有效誘導植物產生抗性,并促進植物生長,起增產、提質和保鮮作用等。研究表明,殼寡糖可增強植物的多種抗性。李艷等[4]研究發現,殼寡糖能夠通過降低植物細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]發現,干旱脅迫下噴施殼寡糖能促進‘鳳丹’幼苗生長?？梢?目前關于殼寡糖緩解植物抗旱性的研究主要針對農作物和觀賞植物,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劃、規范化種植,特別是干旱地區信前胡的種植提供理論依據。

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林開發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,對下降到水分指標下限的盆進行定量灌水,使每盆都維持在對應處理的土壤含水量水平。處理設置: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,以后每7 d測定一次。待開花結束后(2021年8月13日)將植株(含根系)取出,分開地上部分和根系,分別稱鮮質量和干質量,同時取第3葉測定相關生理指標。

1.3 測定指標

1.3.1 生長指標 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等,待開花結束后(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量和干質量,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 待開花結束后取第3葉測定如下生理指標:脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法測定[7];內源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]。以上各指標重復測定3次,結果取其平均值。

1.4 數據處理

數據用Excel 2003和DPS軟件分析,采用鄧肯氏新復極差法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 殼寡糖對干旱脅迫下信前胡單株葉片數的影響

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(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較CK降低9.4%,5、10、15、20 mg·L-1殼寡糖處理后單株葉片數分別較CK增加了32.5%、50.8%、29.3%和6.3%。殼寡糖處理均顯著促進了葉片數目的增加,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胞膜質受傷害程度,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生理指標的影響Table 5 Effects of COS on physiological indexes of Peucedanum pratense leaves under drought stress

3 討論與結論

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]研究發現,在噴施10、100、200 mg·L-1殼寡糖48 h后小麥幼苗株高、根長、地上部干質量均顯著增加。目前關于殼寡糖影響植物抗旱性生長指標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[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,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、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制方面,前人研究表明:殼寡糖可通過增強小麥[9]和甘蔗[11]葉片的保護酶活性,提高可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量等滲透調節物質的含量,從而增強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、滲透調節物質含量和抗氧化酶活性,同時明顯降低了葉片電解質外滲率和丙二醛含量[12]。本研究結果表明,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殼寡糖能通過促進干旱脅迫下信前胡葉片的脯氨酸積累,來增強保水能力,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節物質含量密切相關,脯氨酸是植物體內重要的滲透調節物質[13]。脯氨酸能促進蛋白質的水合作用,形成具有一定保水能力的聚合物,維持細胞滲透平衡[14]。因此,可以認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,從而促進干旱脅迫下信前胡的生長,緩解干旱脅迫。