干旱脅迫對三種草本植物生理生化特性的影響
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摘要：以播娘蒿（Descurainia sophia）、薺菜（Capsella bursa-pastoris （Linn.） Medic.）和小麥（Triticum aestivum L.）為供試植物，通過水培試驗研究在干旱脅迫下3種植物的相對電導率、游離脯氨酸、可溶性蛋白質、丙二醛含量以及過氧化物酶、超氧化物歧化酶活性的變化規律。結果表明，干旱脅迫下，播娘蒿、薺菜和小麥的相對電導率、丙二醛、游離脯氨酸含量均呈持續遞增趨勢，3種植物相對電導率大小排序為小麥、薺菜、播娘蒿。干旱脅迫下，3種植物體內可溶性蛋白質指標與過氧化物酶、超氧化物歧化酶及丙二醛均呈先升后降的趨勢。播娘蒿、薺菜體內游離脯氨酸累積量與相對電導率間呈極顯著、顯著正相關，均具有良好的線性回歸關系。3種植物對干旱脅迫均具有一定的耐性和抗性，且播娘蒿和薺菜的抗旱性強于小麥。
關鍵詞：干旱脅迫;播娘蒿（Descurainia sophia）;薺菜（Capsella bursa-pastoris （Linn.） Medic.）;小麥（Triticum aestivum L.）;生理生化特性
中圖分類號：S181 文獻標識碼：A
文章編號：0439-8114（2019）06-0088-04
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.06.019 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：
Abstract： Using sophia（Descurainia sophia）， shepherd′s purse （Capsella bursa-pastoris （Linn.） Medic） and wheat （Triticum aestivum L.） as experimental plant，through the hydroponic experiments， the contents of relative conductivity， free proline， soluble protein， peroxidase（POD）， superoxide dismutase（SOD）， malondialdehyde（MDA） in sophia， shepherd′s purse， Wheat under drought dress were studied. The results showed as follow： under drought stress， the relative conductivity， malondialdehyde and free proline of sophia， shepherd′s purse and wheat showed a continuous increasing trend. The relative conductivity of the three plants were wheat>shepherd′s purse>sophia. Under drought stress， the indexes of soluble protein， peroxidase and superoxide dismutase in the three plants showed a trend of rising first and then decreasing. There was a significant positive correlation between free proline accumulation and relative conductivity in sophia and shepherd′s purse. There was a good linear relationship between the two indicators. The results showed that all the three plants had certain tolerance and resistance to drought stress， and the drought resistance of sophia and shepherd′s purse was stronger than that of wheat.
Key words： drought stress（Descurainia sophia）; sophia; shepherd′s purse （Capsella bursa-pastoris （Linn.） Medic.）; wheat（Triticum aestivum L.）; physiological and biochemical characteristics
干旱是世界農業面臨的最嚴重的問題之一，干旱脅迫所導致的作物減產超過其他環境脅迫所造成減產的總和[1]。近幾年來大范圍內周期性降水分布失衡以及用水不當都加重了干旱脅迫的程度，干旱脅迫對植物的影響主要體現在對細胞活性、器官和組織功能的影響上[2]。受到干旱脅迫后，植物體活性氧增加、細胞滲透調節物質變化、個體及群體光合作用受到抑制，最終植物個體或群體生長受抑，形態發生變化，生物量或產量受到影響。小麥是主要的糧食作物，百農矮抗58發芽率較高;薺菜和播娘蒿均屬于農田中常見雜草且常伴隨小麥、玉米等農作物生長，在農田生態系統中競爭力較強，易與農作物產生競爭，但均具有藥物價值，3種植物均屬于草本植物。目前，關于干旱脅迫對植物生理特征影響方面的研究對象大部分是單一物種[3-5]，缺乏農田生態系統中不同物種的生理特性與干旱脅迫響應方面的研究。因此，本研究選取小麥、播娘蒿和薺菜3種草本植物為研究對象，采用水培試驗，研究干旱脅迫下植物的生理生化變化特征，以期為揭示3種物種對干旱脅迫的響應機制提供科學依據。 1 材料與方法
1.1 試驗設計
供試的播娘蒿（ML）、小麥（HG）和薺菜（LL）種子均由新鄉學院提供，且均為一年生植物種子。水培試驗于2017—2018年在新鄉學院植物生態學實驗室進行。挑選飽滿、大小均一的供試種子經15%過氧化氫浸種消毒10 min后，用去離子水沖洗數3～4次，移至鋪有兩層滅菌濾紙的周轉箱中，于20 ℃光照培養箱中黑暗條件下催芽，待種子露白后移至石英砂中培養。當播娘蒿、小麥和薺菜各自出現第二片真葉時，選擇健壯且長勢一致的幼苗，定植于裝有5.0 mmol/L Hoagland營養液的培養箱（38 cm×32 cm×27 cm）中，每箱30株，待四葉一心時進行干旱脅迫處理。
干旱脅迫處理為5個不同濃度梯度的PEG-6000滲透脅迫液，濃度梯度分別為0（CK）、5%（P1）、10%（P2）、20%（P3）和30%（P4）。每種植物5個不同濃度處理，每處理設置3個重復。分別于PEG-6000脅迫24 h時測定播娘蒿、小麥和薺菜的生理生化指標。
1.2 指標測定
3種植物葉片分別測定6項生理指標：相對電導率使用電導儀測定;游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定[6];可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍染色法測定[7];過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定;超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑光化還原法測定;丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TAB）比色法測定[6]。
1.3 數據處理
采用Excel軟件進行數據分析，采用Duncan新復極差法進行顯著性檢驗，采用Sigmaplot 10.0軟件作圖。
2 結果與分析
2.1 干旱脅迫對3種植物相對電導率的影響
從圖1可以看出，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘蒿、小麥和薺菜的相對電導率持續升高，且3種草本植物的葉片電導率大小排序為小麥、薺菜、播娘蒿。在脅迫濃度范圍內，播娘蒿、小麥和薺菜的相對電導率變化范圍分別為30.95%～38.45%、31.38%～43.19%和31.25%～40.43%，當脅迫濃度為P4（30%PEG-6000）時，播娘蒿小麥和薺菜的電導率分別比對照（CK）增加24.25、37.67和29.38個百分點，由此可知，3種草本植物中，干旱脅迫后小麥的相對電導率增幅最大。
2.2 干旱脅迫對3種植物游離脯氨酸含量的影響
由圖2可知，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘蒿和薺菜體內游離脯氨酸含量均呈持續上升的趨勢，小麥則呈先升后降的趨勢。干旱脅迫濃度范圍內，播娘蒿和薺菜體內游離脯氨酸含量變化范圍分別在0.25～1.03 mg/g和0.34～0.92 mg/g，當脅迫濃度為P4（30%PEG-6000）時，播娘蒿和薺菜分別為對照（CK）的4.20倍和2.70倍，表明干旱脅迫有助于刺激播娘蒿和薺菜葉片細胞內分泌谷氨酸，從而合成游離脯氨酸。然而，在干旱脅迫濃度范圍內，小麥體內游離脯氨酸含量則呈先升后降的趨勢，當脅迫濃度為P2（10%PEG-6000）時出現峰值，此時游離脯氨酸含量為0.84 mg/g，比對照（CK）增加了450.66%，表明低濃度脅迫有助于小麥體內形成游離脯氨酸，而高濃度脅迫不利于小麥體內游離脯氨酸的合成。分析表明，小麥對外界干旱脅迫的耐性和抗性較差，而播娘蒿和薺菜的抗性較高。
2.3 干旱脅迫對3種植物可溶性蛋白質含量的影響
由圖3可以看出，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘蒿、小麥和薺菜體內可溶性蛋白質含量均呈先升后降的趨勢，且3種植物均在P2（10%PEG-6000）濃度時出現峰值，其可溶性蛋白質含量分別為4.22、2.57、2.99 mg/g?？偟膩碚f，低濃度的干旱脅迫有助于播娘蒿、小麥和薺菜體內可溶性蛋白質的形成，當外界干旱脅迫超出植物的抗性閾值時，植物體內可溶性蛋白質含量下降。
2.4 干旱脅迫對3種植物過氧化物酶活性的影響
由圖4可知，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘篙、小麥和薺菜體內的過氧化物酶活性均呈先升后降趨勢。干旱脅迫濃度范圍內，播娘篙、小麥和薺菜過氧化物酶活性變化范圍分別在605.15～2 289.61 U/g、366.43～1 186.37 U/g和228.30～924.63 U/g。播娘篙、小麥和薺菜均在脅迫濃度為P3（20%PEG-6000）時，表現出最大值，此時相對于對照（CK）最大增幅分別為280.00%、224.04%和305.26%。總體表明，3種草本植物對干旱脅迫均具有一定的耐性和抗性，低濃度干旱脅迫均有助于3種草本植物過氧化物酶活性的產生，且更有助于薺菜體內過氧化物酶活性的產生。
2.5 干旱脅迫對3種植物超氧化物歧化酶活性的影響
由圖5可以看出，隨著干旱脅迫濃度的升高，播娘蒿、薺菜和小麥的超氧化物歧化酶活性均呈先升后降的趨勢。小麥和薺菜均在P2（10%PEG-6000）時體內超氧化物歧化酶活性達到最高，表現為435.99±43.68 U/g和479.28±47.82 U/g，相對于對照最大增幅分別為32.22%和30.87%。播娘蒿則在P3（20%PEG-6000）時表現出最大值514.38±299.68 U/g。研究表明，低濃度干旱脅迫有助于播娘蒿、薺菜和小麥體內超氧化物歧化酶活性的增強，但高濃度干旱脅迫則會造成超氧化物歧化酶活性的降低。
2.6 干旱脅迫對3種植物丙二醛含量的影響
由圖6可以看出，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘蒿、小麥和薺菜體內丙二醛含量均呈持續遞增的趨勢，其變化范圍分別在0.46～0.87 μmol/L、0.25～1.16 μmol/L和0.52～0.99 μmol/L，當脅迫濃度為P4（30%PEG-6000）時，其丙二醛含量達到峰值?？傮w研究表明，干旱脅迫會造成播娘蒿、小麥和薺菜體內丙二醛含量的持續增加，有利于刺激植物體內丙二醛的產生。 2.7 植物相對電導率與游離脯氨酸累積量的關系
以相對電導率作自變量，游離脯氨酸累積量為因變量進行相關假設測驗，計算回歸方程，從表1可以看出，播娘蒿、薺菜體內游離脯氨酸累積量與相對電導率之間呈極顯著、顯著正相關，均具有良好的一元線性回歸關系，其P值分別為0.004和0.019。然而，小麥體內相對電導率和游離脯氨酸累積量間相關性不顯著。研究表明，植物相對電導率和游離脯氨酸累積量間存在一定的線性回歸關系，其中播娘蒿和薺菜尤為顯著。
3 小結與討論
隨著干旱脅迫濃度的增加，3種植物相對電導率和游離脯氨酸累積量總體均呈持續遞增趨勢。這與秦峰梅等[8]在黃菖蒲，張小艾等[9]在二月蘭，原海燕等[10]在喜鹽鳶尾上的研究結論相似。生物膜結構和功能的穩定性與植物的抗逆性密切相關，鹽堿及干旱脅迫對細胞膜造成了傷害，導致滲透物質大量外流，引起相對電導率升高。游離脯氨酸積累是植物為了對抗干旱脅迫而采取的一種保護性措施，在干旱條件下，植物體內脯氨酸含量會增加，從而增強了植物的滲透調節作用，同時游離脯氨酸的偶極性保護了膜蛋白結構的完整性，增強了膜的柔韌性[11]，Stewart等[12]研究了失水條件下植物細胞累積脯氨酸的生理生化機制，認為干旱下脯氨酸累積的原因可能是合成加強、降解受抑、消耗減少導致的，因為干旱下蛋白質合成減弱，因而抑制了脯氨酸摻入蛋白質的過程。干旱脅迫下，播娘蒿、薺菜和小麥相對電導率排序為小麥、薺菜、播娘蒿，表明3種植物抗旱性強弱排序為播娘蒿、薺菜、小麥。干旱脅迫下，抗旱性強的植物比抗旱性弱的植物相對電導率上升慢，相對生長率下降慢，組織或細胞受損輕[13-15]，游離脯氨酸累積量上升慢[16，17]。因此，播娘蒿、薺菜體內游離脯氨酸累積量與相對電導率之間呈極顯著、顯著正相關，且存在一定的線性回歸關系。
植物在長期進化過程中形成了受遺傳性制約的逆境適應機制，活性氧代謝在其中占據重要地位，是植物對逆境脅迫的原初反應。在鹽堿、干旱等逆境脅迫期間，植物通過增強保護酶活性來清除活性氧自由基，從而維持細胞膜的穩定性和完整性。本研究表明，干旱脅迫下，播娘蒿、薺菜和小麥體內可溶性蛋白質、POD和SOD均呈先升后降的趨勢。可溶性蛋白質作為植物細胞的主要滲透物質之一，在受到逆境脅迫時，細胞內可溶性蛋白質含量提高，增加細胞滲透濃度和功能蛋白質的數量，有助于維持細胞的正常生理代謝;低濃度干旱脅迫時，活性氧作為第二信使，啟動植物細胞的防御反應，播娘蒿、薺菜和小麥通過分泌抗氧化酶來有效地清除自由基，防御著膜脂過氧化，從而維持細胞的正常代謝[18，19]。但在高濃度干旱脅迫下，植物生物膜脂氧化加劇，破壞了細胞膜結構的完整性。
丙二醛（MDA）是膜脂過氧化作用的主要產物之一，具有很強的細胞毒性，對膜和細胞中的許多生物功能分子如蛋白質、核酸和酶等均有很強的破壞作用，并參與破壞生物膜的結構與功能。MDA含量高低和細胞質膜透性變化是反映細胞膜脂過氧化作用強弱和質膜破壞程度的重要指標[20]。本研究表明，干旱脅迫下，小麥、薺菜和播娘蒿體內MDA含量均呈持續遞增趨勢，這與張永鋒等[21]在紫花苜蓿、鄒春靜等[22]在云杉上的研究結果一致，表明外界干旱脅迫會持續導致播娘蒿、小麥和薺菜生物膜脂過氧化不斷加劇，植物受傷害程度在不斷增加。
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