混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗生理特性的影響研究

李小玲，王 妍，華智銳

(商洛學院 生物醫藥與食品工程學院，陜西 商洛 726000)

黃芩(Sctellariabaicalensis)屬唇形科(Lamiaceae)黃芩屬(Scutellaria)多年生草本藥用植物，根可入藥，有止血安胎和清熱解毒等功效。近年研究表明,黃芩兼有抗菌、抗病毒、抗腫瘤、抗氧化和調節免疫力以及抑制艾滋病毒HIV22RT的作用[1]。黃芩是我國常用的大宗中藥材[2],在我國主要分布于山東、山西、陜西、甘肅四大產區，具有較強的耐寒、耐旱、耐鹽堿特性且主要在旱地栽培。

土壤鹽漬化是全球性問題，全世界鹽堿地約占全球總面積的1/4，世界上遭受著鹽堿侵害的國家高達100多個。我國鹽堿地分布廣泛，主要在沿海地區及西北地區[3]。由于生態環境不斷惡化，近年來土壤鹽漬化面積逐年增加，且通常為復合鹽堿地，即鹽化和堿化相伴存在[4,5]。在輕度鹽堿脅迫的土地中有些作物的生長發育會受到抑制，產量有所下降；而除少數草類外，多數農作物在重度鹽堿脅迫土地上均不能生長，可見作物產量的形成受到了鹽堿脅迫的嚴重制約[6]。

研究表明，自然界中鹽堿地會傷害植物組織，過多鹽積累會導致植物代謝紊亂，引起植物生理干旱，進而影響植物的營養狀況[7,8]。對于大多數植物來說，高濃度的鹽堿環境會導致植物生長不良[9]，尤其鹽堿和干旱環境對植物的影響最大，特別是鹽堿脅迫會造成70%的農作物產量下降[10]。韓亞琦等[11]研究發現，榭櫟在鹽環境下其生長指標會受到顯著抑制；盛彥敏等[12]研究發現，在不同程度的鹽堿環境中向日葵的根系活力、葉面積等指標都會下降，并且隨著鹽濃度的升高鹽脅迫作用增強；潘羿壅[13]對巨菌草的研究表明，高濃度的鹽堿脅迫會使其各項生理指標發生顯著變化；土壤鹽漬化已成為影響全球可利用耕地、作物產量和品質提高的主要非生物因子之一[14-15]。關于耐鹽植物如何適應鹽堿環境已成為國內外專家學者們研究的熱點問題。

近年來，由于受自然條件及氣候差異的影響，土壤鹽漬化現象日益突出，黃芩的生長環境已受到非生物因子的嚴重影響，導致其生物學和藥學品質受到嚴重侵害，限制了黃芩產業的可持續發展。目前，國內外有關鹽害或堿害對植物的影響研究主要集中在單一鹽或單一堿上，而對于混合鹽堿脅迫研究較少，且集中在糧食作物、牧草、蔬菜及果樹等方面[16-18]，鑒于此，本試驗以黃芩為材料，開展了混合鹽堿脅迫對黃芩生理特征的影響研究，旨在為鹽堿地區黃芩的優質高產栽培以及逆境生理機制和抗性育種研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試劑

供試一年生黃芩幼苗于2019年4月購自商洛市商山中藥材種植基地；NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3為分析純試劑(含量≥99.5%)，購自陜西晶博生物科技有限公司。

1.2 試驗方法

將一年生黃芩幼苗移栽至直徑10 cm×高度15 cm的塑料花盆中進行培養，在緩苗期間定時澆水和松土使土壤保持濕潤，以恢復至正常生理狀態，澆水量視降雨情況而定，且各處理澆水量一致。每盆3～5株，每個處理3盆；1周后隨機選取各處理的幼苗用于試驗。

根據自然環境中主要鹽堿成分組成的特點，本試驗選擇中性鹽NaCl、Na2SO4和堿性鹽Na2CO3、NaHCO3，分別按不同的比例混合，分成4組：A、B、C、D(表1)。將各組組內設置4個鹽濃度梯度：50、100、150、200 mmol/L，且每個處理組采用相同測定的pH值，以蒸餾水處理為對照(CK)[19]。各溶液的pH值采用雷磁PHS-3E型pH計進行測定。

表1 各處理組NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3配比及pH值

采用灌根的方式每兩天對黃芩幼苗澆灌一次，每次灌根于19:00～21:00進行，澆灌500 mL相應的鹽堿混合處理液，確保處理液完全加入且不溢出[20]。每種處理重復3次，每次重復3株苗。處理1周后采集各處理黃芩幼苗的第3～4片功能葉進行生理指標的測定。

1.3 生理指標的測定

丙二醛(MDA)和葉綠素含量的測定參照張志良等[21]的硫代巴比妥酸(TBA)檢測法和丙酮-碳酸鈣法；過氧化物酶(POD)活性和超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定參照李合生[22]的愈創木酚法和氮藍四唑法；參照高俊風[23]的紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性；質膜透性的測定參照張以順等[24]的相對電導率法。

1.4 數據統計分析

采用Excel 2010進行數據統計并作圖，用SPSS statistics 22.0軟件進行數據方差分析，以Duncan’s新復極差法進行多重比較。3次重復測得的各項生理指標數據，取其平均值繪圖分析。

2 結果與分析

2.1 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗MDA含量的影響

由圖1可知，在各種混合鹽堿脅迫濃度下，A組處理含量均與對照組差異顯著(P<0.05)，且增幅最大，分別為20.77%、24.64%、31.33%、35.11%；在100 mmol/L和150 mmol/L鹽堿脅迫下，A、C、D組均與對照差異顯著；在大于50 mmol/L鹽堿脅迫下，B組均與對照差異不顯著。表明A組處理的黃芩幼苗膜脂化程度明顯高于B組，對黃芩幼苗的損傷較大。從相同鹽堿處理不同濃度來看，隨著混合鹽堿脅迫濃度的增加，MDA含量整體呈上升的趨勢，均在200 mmol/L鹽堿脅迫下MDA含量達到最高值，與對照相比分別增加了35.11%、9.44%、15.54%、19.83%，說明200 mmol/L鹽堿脅迫對MDA含量影響顯著。

圖1 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗MDA含量的影響

2.2 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗葉綠素含量的影響

由圖2可知，在50 mmol/L鹽堿脅迫下，各組處理黃芩幼苗葉綠素含量均與對照相比差異顯著(P<0.05)，且在100 mmol/L鹽堿脅迫下，C、D組和對照組之間差異不顯著；在150 mmol/L鹽堿脅迫下，A、B、D組與對照組之間差異不顯著；在200 mmol/L鹽堿脅迫下，A、B、C、D組與對照之間差異顯著。在各種濃度處理下，A組葉綠素含量始終高于其它處理，反映出中性鹽(A組)對黃芩幼苗葉綠素含量影響顯著。從相同鹽堿處理不同濃度來看，隨著混合鹽堿脅迫濃度的增加，葉綠素的含量整體上呈現出先升后降趨勢，即呈現“低促高抑”。在50 mmol/L處理時與對照相比達到最大增幅，分別為14.82%、8.26%、1.50%和10.69%。在100 mmol/L鹽堿脅迫下，葉綠素含量降低，但大于對照組；當鹽堿脅迫濃度大于100 mmol/L時，葉綠素含量低于對照組，說明50 mmol/L鹽堿脅迫對葉綠素含量影響顯著。

圖2 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗葉綠素含量的影響

2.3 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗SOD活性的影響

由圖3可知，經不同濃度的混合鹽堿脅迫處理后，黃芩幼苗的SOD活性與對照組差異均達到顯著水平(P<0.05)。在50、100和150 mmol/L鹽堿脅迫下，A組處理中SOD保護酶活性與對照相比增幅分別為17.92%、20.94%和32.33%；而在200 mmol/L鹽堿脅迫下，SOD活性與對照組差異不大，并在D組處理下SOD活性低于對照組，說明高濃度的堿性鹽脅迫顯著降低了SOD保護酶的活性。從相同鹽堿處理不同濃度來看，A、B、C 3組SOD活性隨著濃度增加呈現先增后降趨勢，均在150 mmol/L鹽堿脅迫下SOD活性與對照相比達到最大增幅，分別為32.33%、21.11%和25.13%；而當鹽堿脅迫濃度大于150 mmol/L時，SOD活性逐漸降低。說明高濃度的鹽堿脅迫抑制了保護酶的活性，且在中性鹽脅迫(A處理)下表現突出。

圖3 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗SOD活性的影響

2.4 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗POD活性的影響

由圖4可知，從相同鹽堿脅迫濃度分析，在50 mmol/L和100 mmol/L鹽堿脅迫下，A、B組與對照組之間POD活性差異顯著(P<0.05)，且均在A組處理下與對照相比達到最大增幅，分別為60.71%和89.29%。在150 mmol/L鹽堿脅迫下，4組處理與對照組之間均達到顯著差異，并在A組處理下達到最大增幅，為137.24%。在200 mmol/L鹽堿脅迫下，A、B組與對照組之間POD活性差異顯著，在B組處理下達到最大增幅，為79.85%。表明中性鹽(A組)誘導了黃芩POD 活性的提高，并隨處理濃度升高呈現出先升高后降低的變化趨勢。A、B、C、D 4組均在150 mmol/L鹽堿脅迫下，POD活性達到最大值，與對照相比增幅分別為137.24%、120.15%、38.27%和34.69%。表明相同鹽堿處理時，150 mmol/L濃度的脅迫對POD活性影響顯著。

圖4 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗POD活性的影響

2.5 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗CAT活性的影響

由圖5可知，經混合鹽堿脅迫后，各組處理CAT活性與對照組相比，達到顯著差異(P<0.05)。在各相同濃度鹽堿脅迫下，CAT活性在各類型處理間呈現逐漸降低趨勢，且均在A組處理下與對照相比達到最大增幅，分別為118.66%、108.06%、86.81%、98.68%，表明中性鹽(A組)誘導了黃芩 CAT 活性的提高，并隨處理濃度增大呈先增后減的變化趨勢。在50 mmol/L鹽堿脅迫時與對照相比CAT增幅最大，分別為118.66%、102.29%、86.81%和39.01%，表明50 mmol/L鹽堿脅迫對CAT活性影響顯著。

圖5 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗CAT活性的影響

2.6 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗相對電導率的影響

從圖6可看出，混合鹽堿脅迫處理黃芩后，黃芩幼苗的相對電導率與對照組相比差異均達到顯著水平(P<0.05)。在4種鹽堿脅迫濃度下，均在A組處理時增幅最大，分別為17.53%、21.80%、61.07%、62.96%，表明中性鹽(A組)脅迫對黃芩幼苗的傷害較大，造成嚴重的內含物外滲。從相同鹽堿處理不同濃度來看，黃芩幼苗葉片的相對電導率呈現出逐漸升高趨勢，A、B、C、D 4組處理均在200 mmol/L鹽堿脅迫濃度下與對照相比達到最大增幅，分別為62.96%、52.50%、16.42%、34.78%，反映出200 mmol/L鹽堿脅迫對黃芩幼苗相對電導率的影響最為顯著。

圖6 混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗相對電導率的影響

3 討論

當植物遇到逆境脅迫和植株衰老的情況下，植物細胞膜系統均會受到損傷，導致發生膜脂過氧化反應，從而形成主要產物之一丙二醛(MDA)，通常膜損傷程度的大小可以通過其含量的多少來反映。郝鳳等[25]研究表明，紫花苜蓿葉片中MDA含量與鹽濃度成呈相關；張恩平等[26]發現黃瓜幼苗子葉MDA含量經NaCl處理后明顯增加；王志強等[27]通過試驗得出隨脅迫時間延長，不同脅迫濃度下酸棗幼苗體內丙二醛含量呈逐漸升高趨勢。本研究表明，隨著鹽堿脅迫濃度的增加，MDA含量也不斷升高，這與前人的研究結論一致，說明在鹽堿脅迫條件下，黃芩幼苗細胞膜系統受到了不同程度的損傷，在200 mmol/L鹽堿脅迫時影響顯著，且中性鹽A組處理對黃芩幼苗的損傷較大。

葉綠素作為一種色素，對光合作用有著非常重要的意義，而光合作用作為植物生命的基礎，是有機物及植物合成能量的根本來源。所有能進行光合作用的生物體中都能產生葉綠素，葉綠素能使光能轉化為化學能，其含量的多少決定了植物光合作用的強弱。本研究發現，在初始脅迫時，植物體內會積累可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調節物質，有利于葉綠素的合成。因此，在50 mmol/L脅迫濃度下，葉綠素含量相比于對照會有一個微上升，但隨著脅迫濃度增加，黃芩葉綠素含量逐漸降低，這與陳菲[28]研究鹽堿脅迫對文冠果幼苗的影響所得結果一致。在本實驗各種濃度處理下，A組葉綠素含量始終高于其它處理，反映出中性鹽(A組)對黃芩幼苗葉綠素含量影響顯著。

植物在不利于其生長的鹽堿環境和衰老的情況下，為維持自身的正常生理活動，植物會采取提高抗氧化酶(SOD、POD、CAT等)的活性，來降低體內的活性氧數量，這是植物的應激反應策略[29]。抗氧化酶活性成為逆境脅迫下監測植物的重要指標。陳菲[28]研究發現在不同鹽堿脅迫下，文冠果幼苗中SOD、POD、CAT活性隨脅迫濃度增加均不同程度地呈現出先升高后降低的趨勢。在低鹽濃度下植物可以通過提高保護酶活性來增強耐鹽性，從而減輕鹽堿對植株的傷害，但這種能力是有限的，當鹽堿含量值高出一定程度后，酶活性降低。在本實驗中，SOD、POD、CAT活性隨鹽堿濃度的增加表現為先升后降趨勢，且均在中性鹽(A組)誘導了黃芩保護酶活性提高，影響效果最顯著。SOD、POD活性均在150 mmol/L處理下最大，而CAT不同，它在50 mmol/L脅迫下影響顯著。

植物遇到逆境脅迫后，膜脂結構會被破壞，進而使膜脂通透性增大，導致細胞內各種水溶性物質大量外滲，通常表現為外滲的越多，電導率就越大，所以可以采取電導儀測定植物葉片外滲電導率從而得知細胞膜受到傷害的程度。本研究發現，伴隨混合鹽堿脅迫濃度的升高，相對電導率呈現逐漸增大趨勢，即在200 mmol/L鹽堿脅迫時影響顯著，且在中性鹽(A組)脅迫下對黃芩幼苗的傷害較大，造成嚴重的內含物外滲，其影響效果最顯著。

本研究發現，中性鹽A組脅迫對黃芩幼苗生理特性影響顯著，表明黃芩適合微堿性環境，對pH值耐受性強，它對中性鹽的脅迫反應比較敏感，而對堿性鹽比較遲鈍。本研究未涉及更高濃度的混合鹽堿脅迫對黃芩幼苗的影響，當脅迫濃度超過一定的限度時其發揮的作用未知。因此，更高混合鹽堿脅迫濃度對黃芩幼苗的影響還有待進一步研究。