外源茉莉酸甲酯對干旱脅迫下狹葉黃芩光合和生理特性的影響

吳建慧 范衛芳 牛 喆 張 靜 高鵬飛 李 文

(東北林業大學園林學院，哈爾濱 150040)

茉莉酸甲酯(MeJA)是一類在植物體內合成的脂類衍生化合物，在植物正常的生長發育過程以及受到外界脅迫條件時，其可以同時作為信號分子和植物逆境相關的生長調節物質在此過程中發揮巨大的作用[1]。外源噴施時，MeJA能夠通過氣孔進入植物體內，進行長距離的信號轉導以及植物之間的信息交流，從而誘導植物產生防御響應[2～3]。茉莉酸類化合物對植物耐旱性的影響在小麥[4]、大豆[5]等植物中已有報道。其主要通過影響植物的光合作用、滲透調節物質以及抗氧化酶系統等發揮作用。韓瑞宏等[6]對紫花苜蓿研究表明，干旱脅迫下MeJA在調節氣孔運動、維持葉綠素含量方面起到了關鍵作用。外源MeJA減輕了干旱脅迫下烤煙葉片葉綠素的分解[7]。MeJA有效促進干旱脅迫下小麥葉片中β-胡蘿卜素的積累，保護其他質體色素免受氧化降解，并通過調節氣孔導度以避免植株水分的散失，從而緩解了干旱脅迫對光合同化能力的不良影響，增強小麥的抗旱性[8]。董桃杏等[2,9]的研究表明外源MeJA可以顯著改善水分虧缺所導致的葉綠素降解、蒸騰速率降低以及光合作用的減弱。脯氨酸和可溶性糖作為重要的滲透調節物質，在逆境條件下可以通過降低細胞滲透勢的方法來達到提高細胞吸水性的目的，使植物減輕不良環境帶來的影響。研究發現[10]，低濃度(0.25 μmoL·L-1)外源MeJA浸種能夠促進干旱脅迫下玉米種子的萌發以及幼苗正常生長，促進植物幼苗的脯氨酸含量升高，高濃度(≥25 μmoL·L-1)MeJA浸種則對種子萌發和幼苗生長產生明顯的不良影響。可溶性蛋白的積累也可以幫助減緩干旱脅迫對植物的傷害[11]。而且，在缺水狀況下植物會產生大量活性氧，細胞發生膜脂過氧化，膜系統受到氧化傷害，導致植物組織損傷[12～13]。SOD、POD和CAT是與植物抗旱性密切相關的抗氧化保護酶[14]。鄒清成等[15]對蝴蝶蘭的研究發現施加MeJA使超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性升高，丙二醛(MDA)含量降低，表明一定濃度的MeJA處理可通過上調蝴蝶蘭幼苗的抗氧化酶活性以增強抗逆性。

自然分布在東北地區的狹葉黃芩(ScutellariaregelianaNakai)是一種優良的野生植物，具有很高的觀賞價值，可作為地被植物在園林中應用。目前JA類的作用已經在部分觀賞植物以及農作物上得到很好的驗證，但尚未對狹葉黃芩進行研究，因此本試驗以狹葉黃芩為研究對象，探討外援施加MeJA對狹葉黃芩的影響，以期通過本試驗能夠為狹葉黃芩在干旱地區的園林應用提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料取自黑龍江省森林植物園的野生狹葉黃芩，移栽到花盆經過一段時間的緩苗后，于2018年7月選取生長一致、發育正常的狹葉黃芩進行試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料處理

將狹葉黃芩用15%的PEG-6000溶液進行干旱脅迫1周，用無水乙醇和蒸餾水將MeJA配制成濃度梯度為0.1、0.5、1.0、2.0 mmol·L-1的溶液(分別記為MJ1、MJ2、MJ3、MJ4)，以無水乙醇加蒸餾水為對照(記為CK)，采用噴霧法對狹葉黃芩地上部分葉片進行正反面均勻噴施。直至葉片上溶液欲滴為止，待葉片表面溶液自然蒸干后，將不同濃度處理的植株分開放置，在噴施外源物質后的第1、3、6、9和12 d選擇健康的葉片進行取材用于生理指標的測定，每次取樣重復3次。

1.2.2 表型特征觀察

在噴施外源物質后的第1、3、6、9和12 d定時觀察干旱脅迫下狹葉黃芩受害后的癥狀特征，包括老葉、新葉、嫩莖及莖干的顏色和形態。根據受害程度，劃分狹葉黃芩受害的等級。0級：植株正常。Ⅰ級：頂芽萎蔫。Ⅱ級：單株小葉黃葉占1/3。Ⅲ級：單株小葉黃葉占1/2。Ⅳ級：單株小葉黃葉占2/3。Ⅴ級：整株小葉變褐[16]。

1.2.3 光合作用參數測定

采用美國Li-Cor公司的LI-6400便攜式光合儀來測定光合作用參數。測量均在上午9:00～11:00進行，測量時選取生長良好、大小一致的葉片，每個處理測量3個葉片，每個葉片重復記錄3次數據。測定指標包括葉片凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、氣孔導度(Gs，mol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)。

1.2.4 生理生化指標測定

脯氨酸含量的測定：采用李合生生理試驗方法[17]；蛋白質含量的測定：采用樊金娟的考馬斯亮藍G-250染色法測定蛋白質含量[18]；超氧物歧化酶(SOD)含量的測定：采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定SOD活性[17]；過氧化物酶(POD)活性的測定：采用劉萍的愈創木酚法測定POD活性[19]；過氧化氫酶(CAT)活性的測定：采用紫外吸收法測定CAT活性[19]。

1.3 數據統計與分析方法

采用Excel 2007對測定的數據進行計算，采用SPSS22.0統計軟件進行方差分析和顯著性分析，采用Origin8.1進行繪圖和制表，數據均為3次重復試驗的平均值。

2 結果與分析

2.1 茉莉酸甲酯對干旱脅迫下狹葉黃芩表型變化的影響

由表1可知，隨著干旱脅迫時間的增加，未處理組的狹葉黃芩受害程度由0級增加到Ⅳ級，而在不同濃度MeJA處理下，除了MJ1處理組，其他處理組在干旱脅迫下的受傷程度明顯降低。由此可見，外源施加的MeJA處理能夠有效減緩干旱脅迫對狹葉黃芩造成的影響。

表1 狹葉黃芩不同處理組的受害等級

Table 1 The damage level of different treatment groups ofS.regeliana

處理天數Treatment days(d)不同受害等級The damage levelCKMJ1MJ2MJ3MJ410級0級0級0級0級3Ⅰ級Ⅰ級0級0級0級6Ⅱ級Ⅱ級Ⅰ級Ⅰ級Ⅰ級9Ⅲ級Ⅲ級Ⅱ級Ⅱ級Ⅰ級12Ⅳ級Ⅲ級Ⅱ級Ⅱ級Ⅱ級

2.2 茉莉酸甲酯對干旱脅迫下狹葉黃芩光合特性的影響

由圖1可知，干旱脅迫下，未處理的狹葉黃芩的凈光合速率(Pn)呈下降趨勢。各處理組的凈光合速率隨著時間的延長先上升后下降。特別是經MeJA處理后6和9 d時，所有處理組均顯著高于CK，并且在處理9 d的MJ4處理組凈光合速率達到最高，為20.59 μmol·m-2·s-1，相比CK增加了552.66%。12 d時所有處理組的凈光合速率均下降。

不同濃度MeJA處理下，狹葉黃芩的胞間二氧化碳的變化如圖2所示，在干旱脅迫下，用MeJA處理后1 d時，MJ1顯著高于CK，其他處理組則顯著低于CK。處理后3 d時，所有處理組則分別顯著高于CK。處理后6、9 d時，所有處理組均低于CK。處理12 d時，MJ1相比CK有所上升，MJ2、MJ3、MJ4處理組均下降。

由圖3可以看出，隨著時間的延長，干旱脅迫下未處理組的狹葉黃芩的氣孔導度均下降。MeJA處理后3、6、9 d時，所有處理組的氣孔導度均顯著高于CK，其中在用2 mmol·L-1MeJA處理9 d后，MJ4處理組氣孔導度達到最高，為0.35 mol·m-2·s-1，相比CK增加了491.71%。處理后12 d時MJ2相對于其他處理組顯著高于CK，比CK增加了163%。

由圖4可知，干旱脅迫下未處理組的狹葉黃芩的蒸騰速率下降，處理組的蒸騰速率則先上升后下降。在MeJA處理后3、6、9 d時，所有處理組的蒸騰速率都高于CK，其中用2 mmol·L-1MeJA處理9 d時狹葉黃芩的蒸騰速率達到最高，為9.25 mmol·m-2·s-1，相比CK增加了574.25%。而處理12 d后除MJ4蒸騰速率的降低外，其他處理組均高于CK。

圖1 干旱脅迫下茉莉酸甲酯對狹葉黃芩凈光合速率的影響Fig.1 Effects of MeJA on net photosynthetic rate of S.regeliana Nakai under drought stress

圖2 干旱脅迫下茉莉酸甲酯對狹葉黃芩胞間CO2濃度的影響Fig.2 Effects of MeJA on intercellular CO2 concentration of S.regeliana Nakai under drought stress

圖3 干旱脅迫下茉莉酸甲酯對狹葉黃芩氣孔導度的影響Fig.3 Effects of MeJA on stomatal conductivity of S.regeliana Nakai under drought stress

圖4 干旱脅迫下茉莉酸甲酯對狹葉黃芩蒸騰速率的影響Fig.4 Effects of MeJA on transpiration rate of S.regeliana Nakai under drought stress

圖5 干旱脅迫下茉莉酸甲酯對狹葉黃芩游離脯氨酸含量的影響Fig.5 Effects of MeJA on the free proline content of S.regeliana Nakai under drought stress

2.3 茉莉酸甲酯對干旱脅迫下脯氨酸和可溶性蛋白含量的影響

由圖5可知，在干旱脅迫下，未處理組的狹葉黃芩的游離脯氨酸含量隨著脅迫時間的延長其含量不斷增加。用MeJA處理后1 d時，所有處理組的游離脯氨酸含量都高于CK，但都與CK無顯著差異。處理后3 d時，除了MJ1相比CK增加了1.32%，其他處理組與CK相比均下降了。在MeJA處理6、9、12 d時，所有處理組的游離脯氨酸含量均顯著低于CK。

由圖6可知，在干旱脅迫下，未處理組的狹葉黃芩的可溶性蛋白隨著時間的增加呈現先緩慢上升后下降的趨勢，在MeJA處理后1和3 d時，所有處理組的可溶性蛋白均低于CK，6 d時MJ4顯著高于CK3.54%，MJ1、MJ2、MJ3處理組則顯著低于CK，處理9和12 d后，所有處理組均顯著高于CK。MJ3在處理12 d后可溶性蛋白含量達到最大值，相比CK增加了88.54%。

圖6 干旱脅迫下茉莉酸甲酯對狹葉黃芩可溶性蛋白含量的影響Fig.6 Effects of MeJA on soluble protein content of S.regeliana Nakai under drought stress

圖7 干旱脅迫下茉莉酸甲酯對狹葉黃芩SOD活性的影響Fig.7 Effects of MeJA on SOD activity of S.regeliana Nakai under drought stress

2.4 茉莉酸甲酯對干旱脅迫下過氧化酶活性的影響

由圖7可知，在MeJA處理1、3、12 d后，所有處理組的SOD活性均高于CK，其中處理3 d的MJ3處理組的SOD活性為所有處理組中最高為242.98 U·g-1，相比CK增加了347.55%。處理后6和9 d時，MJ1、MJ3顯著高于CK，MJ2、MJ4顯著低于CK，并且兩組的變化趨勢相同。

由圖8可以看出，干旱脅迫下所有處理組的POD活性均高于CK，并且與CK有顯著性差異，在MeJA處理6 d時，MJ3處理組的POD活性為所有處理組中最高，為37.69 μg·min-1，比CK顯著增加了147%。

由圖9可知，在MeJA處理3、6、12 d時，所有處理組的CAT活性均高于CK。其中MJ2處理組在6 d時的CAT活性相比CK增加了1 255.76%，在12 d時的CAT活性最高，相比CK增加了797.1%。在9 d時，MJ1、MJ2、MJ4顯著高于CK，MJ3則顯著低于CK。

圖8 干旱脅迫下茉莉酸甲酯對狹葉黃芩POD活性的影響Fig.8 Effects of MeJA on POD activity of S.regeliana Nakai under drought stress

圖9 干旱脅迫下茉莉酸甲酯對狹葉黃芩CAT活性的影響Fig.9 Effects of MeJA on CAT activity of S.regeliana Nakai under drought stress

3 討論

隨著干旱脅迫時間的增加，土壤含水率減少，狹葉黃芩自身的新陳代謝發生了變化，進而在形態上也表現出來，外部表現特征常常作為最直觀的抗旱指標。如戴建良、王芳[20]通過對側柏、掌葉木幼苗在干旱脅迫下植株表現的觀察來研究植物的抗旱性。在本研究中，外源施加MeJA顯著降低了狹葉黃芩受傷害等級。這一研究結果表明，MeJA能夠在一定程度上緩解干旱脅迫對狹葉黃芩的傷害。

綠色植物光合作用強弱對植物生長和抗逆性大小都具有十分重大的影響，可用來作為判斷植物生長和抗逆性強弱的指標。干旱脅迫下外源MeJA處理可顯著提高水稻幼苗的葉綠素含量及光合作用[9]。在本研究中，干旱脅迫導致狹葉黃芩的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率呈下降趨勢。外源施加MeJA雖然降低了狹葉黃芩胞間CO2濃度。但下降較為緩慢。植物在干旱脅迫下，引起植物光合效率降低因素主要有兩類，一是的植物自身氣孔的部分關閉導致的氣孔限制，二是葉肉細胞光合活性下降導致的非氣孔限制[19]。許大全[21]認為，Ci和氣孔導度同時降低才表明光合速率降低是以氣孔限制為主。實驗結果表明，干旱脅迫3 d時，未處理組Ci值和氣孔導度都降低，因此在干旱脅迫3 d前狹葉黃芩光合效率降低原因是氣孔導度下降導致的氣孔限制。處理3 d后，Ci值和氣孔導度增高，表明此時引起光合速率下降的主要原因則是以非氣孔限制為主。在施加MeJA后，狹葉黃芩的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率相比CK增加明顯，并且隨著時間的延長呈現先升高后下降的趨勢，其中在9 d的MJ4處理組達到最大，說明MeJA能夠在一定程度上緩解干旱脅迫對狹葉黃芩的傷害，促進葉片氣孔張開。究其原因是施加MeJA在干旱脅迫初期，能提高狹葉黃芩的氣孔開度，從而提高光合能力。而在脅迫后期則可能通過減輕干旱脅迫下狹葉黃芩光合機構所受的傷害，抑制狹葉黃芩光合速率的下降。因此MeJA在干旱脅迫初期可以改善由氣孔限制引起的光合作用下降，而在脅迫后期主要是改善由非氣孔限制導致的光合作用下降。

外源引入MeJA可通過誘導植物產生一些防御化合物及抗氧化劑來提高作物的抗旱性[22]。脯氨酸可保持細胞與環境滲透平衡，防止植物水分散失，是植物重要的滲透調節物質。在干旱脅迫下，植物體內脯氨酸的含量會顯著增加。而劉歡等[23]研究發現不同程度的干旱處理，脯氨酸含量會有不同程度的積累，中度干旱含量最高，輕度干旱含量最低。在本研究中，未處理組狹葉黃芩體內的脯氨酸含量逐漸升高，而施加外源MeJA后各處理組脯氨酸含量先升高后降低，且所有處理組脯氨酸含量的積累程度均低于CK。表明CK相對于處理組來說受脅迫程度更大，因此外源施加MeJA可以緩解狹葉黃芩的干旱程度。植物體內積累的可溶性蛋白質越高，細胞的滲透勢就會越低，從而抵抗干旱脅迫中水分對植物生命活動的威脅[24]。在本研究中，干旱脅迫下經MeJA處理后的狹葉黃芩可溶性蛋白含量在前6 d的處理中趨于或低于CK，可能是處理時間較短，MeJA還沒起到緩解作用，而在6 d以后的處理中顯著高于CK，說明MeJA處理6 d后可顯著緩解干旱脅迫對狹葉黃芩的不良影響，研究結果與王燕芳等[25]和李順欣等[26]的研究結果相似。

抗氧化酶系統能清除體內活性氧，從而保護植物免受氧化損傷。茉莉酸類物質作為一種植物信號轉導分子，參與植物的各種生長發育和脅迫防御過程[27]。有研究發現，MeJA的作用類似植物激素，作用效果受植物種類和濃度的影響存在差異，濃度適宜能促進植物的生長或緩解脅迫對植物造成的傷害，高濃度則可能會起抑制作用[28]。蘇金為[29]在對茶苗的研究中發現，施加外源MeJA能夠有效保證茶苗植株體內氧自由基以及抗氧化物的平衡，緩解植株因缺水造成的氧化損傷。在本研究中，外源施加MeJA可以有效提高狹葉黃芩SOD、POD、CAT的活性，說明MeJA能夠有效減輕干旱脅迫對狹葉黃芩帶來的不良影響。這與蘋果[30]幼苗在干旱脅迫下，其抗氧化酶活性在施加外源MeJA后，均表現出了不同程度的上升趨勢的研究結果相似。狹葉黃芩在干旱脅迫下造成了膜脂過氧化加劇，植物的抗氧化系統遭到破壞。外源施加MeJA能夠增強受旱狹葉黃芩體內SOD、POD和CAT等保護酶的活性，提高抵抗氧自由基和過氧化物的能力，使氧自由基和過氧化物代謝平衡維持在較高水平，減少細胞膜脂過氧化作用，從而有效緩解狹葉黃芩所遭受的干旱脅迫。這與湯日圣等[31]在水稻上的研究結論一致。在本研究中通過對狹葉黃芩的光合參數和生理指標的研究結果表明，經外源施加的MeJA處理能夠有效減緩干旱脅迫對狹葉黃芩的不良影響。