干旱脅迫對白花前胡種子萌發和幼苗生理生化特性的影響

高 昆， 曹艷東

(1.山西大同大學 生命科學學院， 山西 大同 037009； 2.山西大同大學 設施農業技術研發中心， 山西 大同 037009； 3.大同鄉村振興研究院， 山西 大同 037009)

0 引言

【研究意義】從古至今，我國推崇中藥治病，在應對2020年以來爆發的新冠疫情，中藥治療發揮了重要作用。我國是世界上水資源緊缺的國家之一，水分的短缺嚴重制約著藥用植物的生長，影響其產量和品質。因此，當前亟需選擇一些耐旱的品種進行規模化種植，滿足中醫藥行業的需求。白花前胡(PeucedanumpraeruptorumDunn)屬傘形科(Apiaceae)前胡屬(PeucedanumL.)，是一種重要的多年生草本植物[1]，又被稱為雞腳前胡、官前胡和山獨活。其生長在海拔250～2 000 m的山坡上或半陰性的草叢中，為宿根植物；在土層疏松、深厚且肥沃的夾沙土中生長良好[2]；其喜冷涼濕潤氣候，具耐寒冷、耐熱、耐干旱和耐貧瘠的特性[3]。白花前胡分布范圍較廣，但由于各地的氣候環境條件存在差異，其抗逆性也存在差異。因此，研究緩解逆境(如干旱)對白花前胡脅迫的技術措施，對促進其品種選育、保護資源具有重要現實意義。【前人研究進展】白花前胡的根是常見中藥之一，不僅具有降氣化痰、散風清熱的功效，還具有抗心腦缺血、抗癌、平喘及降血壓和心衰概率等功效[4]。目前對白花前胡的研究大多集中于其生物學特征[5]、化學成分[6-8]、藥理作用[9-10]及種植技術[11-20]等方面。鄭穎等[11]研究發現，黔北地區白花前胡獲取最高產量的種植模式為覆銀膜+漂盤育苗移栽或覆銀膜；純收益最高的模式為覆銀膜處理，覆黑膜處理其次。李姚碧琪等[12]研究認為，鹽脅迫下白花前胡上調表達香豆素合成途徑關鍵酶基因，從而提高植株對鹽脅迫的耐受性。劉家水等[13]研究認為，選種、播種時間、種植模式及肥料種類和施肥方式等均是影響白花前胡早期抽薹的主要因素。杜胤等[14]介紹了白花前胡在林下仿野生種植的技術措施。吳沿勝等[15]探索了寧前胡葉片、莖段和根的愈傷組織誘導快速繁殖技術，各部位愈傷組織在最佳誘導條件下的最高誘導率分別為95.56%、80.00%和78.89%。王盼等[16]研究遮陽對白花前胡葉片光合特性的影響提出，白花前胡對光適應性較強，建議選擇光照充足的開闊田地進行栽培。簡啟萍等[17]認為，不同播種期對白花前胡的生長和產量有較大影響，適宜播種期為2月至3月上旬，在此條件下抽薹率不高且能獲得較高產量。楊柳等[18]認為，不同產地前胡的白花前胡甲素和乙素的含量高海拔地區普遍較低海拔地區高，高海拔地區前胡合格率更高。【研究切入點】目前雖已有白花前胡種植技術的研究報道，但關于其抗逆性方面的研究，特別是抗旱性的相關研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】采用不同濃度PEG-6000溶液人工模擬干旱處理白花前胡種子，通過分析發芽率、發芽勢和發芽指數等指標，了解干旱脅迫對種子萌發的影響；采用土培法結合自然干旱，研究土壤自然干旱下白花前胡幼苗丙二醛、可溶性蛋白、葉綠素、相對電導率等的含量和過氧化物酶活性等生理生化指標的變化，旨在探明白花前胡種子萌發和幼苗生長對水分的需求，為白花前胡抗旱品種選育及種植適宜水分條件選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 白花前胡 白花前胡種子，萬草種業有限公司生產，網購。

1.1.2 儀器設備 DDS-11A數顯電導率儀，上海雷磁公司生產；SPAD-502Pluse便捷式葉綠素測定儀，托普云農代購。

1.1.3 試劑 硫代巴比妥酸，三氯乙酸，考馬斯亮藍G-250；100 mmol/L磷酸緩沖液(pH 6.0)，愈創木酚；30%過氧化氫，市購。

1.2 試驗設計

1.2.1 不同濃度PEG-6000溶液對白花前胡種子萌發的影響 采用水培法培育種子，試驗設7個處理，T1～T6PEG-6000溶液的濃度分別為3%、5%、8%、10%、15%和20%，以蒸餾水為對照(CK)，每個濃度3次重復，共21組。在消毒干燥的培養皿中鋪4層紗布，將備用種子整齊地放入培養皿中，每個培養皿35粒，在培養皿中分別加入相應的PEG-6000溶液，對每個培養皿進行稱重，記錄其初始重量。之后放入22℃的恒溫光照培養箱中培養，每天上午稱重，用蒸餾水補充散失的水分至初始重量，保證PEG-6000濃度的恒定。

1.2.2 干旱脅迫處理對白花前胡幼苗生理生化特征的影響 采用土壤自然干旱的方法對白花前胡幼苗進行干旱脅迫。試驗設3個處理，即對幼苗分別進行2 d、4 d和6 d干旱處理，然后測定各處理幼苗的相關生理生化指標。每個處理3次重復，以正常澆水的為對照(干旱處理0 d，CK)，共12組。

1.3 試驗方法

1.3.1 材料預處理 試驗于2021年3—5月在大同大學植物學實驗室進行。挑選籽粒飽滿且沒有損傷的種子，用自來水浸泡18 h[20]，之后將水倒掉，種子備用，按種子萌發試驗設計要求進行試驗。將備用種子置于花盆(直徑15 cm，高度14 cm)中，上面蓋一層薄土，再澆水，并用扎孔的塑料薄膜覆蓋在花盆上以達到保溫和保持土壤水分的效果，待幼苗長出后撤掉塑料薄膜；至幼苗長出第3片葉子時選取植株大小基本一致的幼苗，一次性澆透水后備用，按幼苗生理生化試驗設計要求進行試驗。

1.3.2 指標測定 每天觀察種子發芽情況，以種子明顯露白為發芽標準，從種子發芽開始每2 d記錄1次種子的發芽數，及時挑出發霉的種子，直到全部種子不再發芽為止；計算種子發芽率(GR)、發芽勢(GE)和發芽指數(GI)[21]。取白花前胡植株相同或相近部位的葉片，采用數顯電導率儀測定相對電導率[22]，采用便捷式葉綠素測定儀測定葉綠素含量[23]，采用硫代巴比妥酸法[24]測定丙二醛含量，采用考馬斯亮藍G-250染色法[25]測定可溶性蛋白含量，采用愈創木酚比色法[26]測定過氧化物酶活性。

GR=發芽種子的總數/供試種子總數×100%

GE=發芽高峰期發芽的種子數/供試種子總數×100%

GI=∑(Gt/Dt)

式中，Gt為種子在第t天的發芽數，Dt為發芽天數。

1.4 數據統計與分析

使用Excel 2019和SPSS 25對數據進行計算并繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同濃度PEG-6000處理白花前胡種子的萌發效果

2.1.1 發芽率 不同時段各濃度PEG-6000處理白花前胡種子的發芽率存在差異。觀察發現，經不同濃度PEG-6000溶液模擬干旱脅迫處理，T5(15% PEG-6000)和T6(20% PEG-6000)在第14天時分別只有2粒和3粒種子發芽，但之后全部死亡，而同一處理中其余種子不萌發。除T4在第12天后種子才開始萌發外，其余各處理均在第8天時開始發芽。從圖1看出，各處理種子的發芽率均隨處理時間延長呈逐漸升高趨勢；在處理前10 d時各處理發芽率為CK>T3>T1=T2>T4，第12天時為CK>T1>T3>T2>T4，第14天至第20天時為CK>T1>T2>T3>T4；在處理第8天至第24天時，各處理的發芽率均低于CK；處理第20天為發芽高峰期，各處理發芽率均達總發芽率的50%以上。從第24天開始，各處理發芽率為T1>CK>T2>T3>T4，T1的發芽率超過CK，其余處理仍低于CK。發芽終止(第34天)時，CK、T1、T2、T3和T4的發芽率分別為85.71%、91.43%、75.24%、63.81%和46.66%，T1的發芽率是CK的1.06倍，T2、T3和T4的發芽率分別比CK低12%、26%和45%。從表1看出，T1的發芽率最高，顯著高于其余處理；CK其次，與各處理差異顯著；T2、T3、T4間差異顯著。說明，PEG-6000模擬的干旱顯著影響白花前胡種子的萌發，較低濃度(3%)可以促進種子的萌發，濃度為5%～20%時抑制種子萌發；當濃度為10%時，發芽起始時間延遲，發芽結束時間提早；濃度為15%和20%時幾乎完全抑制種子萌發。綜上得出：白花前胡種子能夠耐受一定程度的干旱，適度的干旱有利于種子萌發。

圖1 不同時段各濃度PEG-6000處理白花前胡種子的發芽率

2.1.2 發芽勢 白花前胡種子在第20天時發芽達最高峰，此時的發芽率為其發芽勢。由表1可知，T1～T4的發芽勢為33.33%～66.67%，為CK>T1>T2>T3>T4，即隨著PEG-6000溶液濃度升高，各處理種子發芽勢均呈下降趨勢，T1、T2、T3和T4的發芽勢分別較CK下降27.15%、38.58%、45.72%和50.00%。CK與各處理間差異顯著，各處理除T3和T4間差異不顯著外，其余處理間差異顯著。說明，PEG-6000模擬的干旱顯著抑制白花前胡種子的萌發，而且高濃度(15%和20%)可導致種子難以萌發。

表1 不同濃度PEG-6000處理白花前胡種子的發芽率、發芽勢和發芽指數

2.1.3 發芽指數 由表1可知，T1～T4的發芽指數為0.86%～1.75%，為CK>T1>T2>T3>T4，即隨著PEG-6000溶液濃度升高，各處理種子發芽指數均呈下降趨勢。其中，CK最高，為1.75，顯著高于其余處理；T1、T2、T3和T4的發芽指數分別為CK的92.00%、73.71%、66.28%和49.14%，T1與各處理間差異顯著，T2與T3差異不顯著但均顯著高于T4。說明，干旱脅迫可降低白花前胡種子的發芽指數，且濃度越高降低的程度越大。

2.2 干旱脅迫處理白花前胡幼苗生理生化指標的變化

從圖2看出，干旱脅迫處理白花前胡幼苗各生理生化指標的變化存在差異。

2.2.1 相對電導率 各處理白花前胡幼苗相對電導率為17.49%～46.89%，隨干旱時間延長，相對電導率呈逐漸上升趨勢，為6 d>4 d>2 d>CK(0 d)。其中， CK的相對電導率最低，為17.49%；干旱處理6 d時達最高，為46.89%； 2 d、4 d和6 d的相對電導率分別較CK增加35.4%、105.0%和168.1%。CK的相對電導率顯著低于6 d，與其余處理無顯著差異；6 d時的相對電導率顯著高于除4 d外的其余處理。表明，在干旱處理6 d時白花前胡幼苗的細胞膜受損最嚴重。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2.2 葉綠素含量 各處理白花前胡幼苗的SPAD值為28.60～30.85，隨干旱時間延長，SPAD值呈先升后降趨勢，為2 d>4 d>6 d>CK(0 d)。其中，在干旱處理2 d時SPAD值達最高，較CK提高7.9%；之后隨著自然干旱時間延長，SPAD值呈下降趨勢，但干旱4 d和6 d時仍分別較CK提高3.1%和1.3%；各處理間均無顯著差異。說明，白花前胡幼苗可以通過提高葉綠素的含量抵抗干旱脅迫。

2.2.3 丙二醛(MDA)含量 各處理白花前胡幼苗的MDA含量為2.848～3.976 μg/g，隨著干旱時間延長， MDA含量呈先降后升趨勢，為6 d>4 d>CK(0 d)>2 d。其中，干旱處理6 d時MDA含量達最高，較CK增加24.17%；干旱處理2 d時MDA含量最低，較CK減少11.06%；干旱4 d時MDA含量較CK增加7.03%。除干旱處理2 d和6 d之間存在顯著差異外，CK與其余處理間均無顯著差異。說明，隨著干旱時間延長，白花前胡幼苗細胞膜的過氧化加劇。

2.2.4 可溶性蛋白含量 各處理白花前胡幼苗可溶性蛋白含量為0.134～0.851 mg/g，隨著干旱時間延長，可溶性蛋白含量明顯增加趨勢，為6 d>4 d>2 d>CK(0 d)。其中，CK可溶性蛋白含量最低，干旱處理6 d時最高，干旱處理2 d、4 d和6 d可溶性蛋白含量分別是CK的1.71倍、3.66倍和6.13倍。CK與干旱處理2 d時無顯著差異，與其余處理間均存在顯著差異；干旱處理6 d時可溶性蛋白含量顯著高于其余處理。說明，隨著干旱加劇，白花前胡幼苗的可溶性蛋白質含量明顯增加，以增強其抗旱性。

2.2.5 過氧化物酶活性 各處理白花前胡幼苗過氧化物酶活性為1.062～1.759 ΔOD470/(min·g·FW)，隨著干旱時間延長，過氧化物酶活性呈先增后減趨勢，為2 d>CK(0 d)>4 d>6 d。其中，在干旱處理2 d時其活性達最高，較CK增加0.11%；干旱處理4 d時較干旱處理2 d時明顯下降，降低34.45%；干旱程度繼續加劇，過氧化物酶活性減少幅度降低，干旱處理6 d時過氧化物酶活性較干旱處理4 d時僅下降7.89%。CK與各處理間、各處理相互間均無顯著差異。

3 討論

種子萌發是植物生活史的起始階段，除與種子本身特征有關，還有水分、溫度、光照等環境因素有關。本試驗以不同濃度PEG-6000溶液模擬白花前胡種子萌發的水分條件，結果顯示，隨著PEG-6000溶液濃度升高，白花前胡種子的發芽率在發芽初期到中期(24 d前)均低于CK，后期只有3% PEG-6000處理超過CK，其余仍低于CK，說明低濃度的干旱有利于種子萌發，但高濃度則抑制種子萌發，而且濃度越高抑制作用越明顯，表現在10% PEG-6000時，發芽起始時間推遲，結束時間提前，整個發芽周期變短，發芽率降低；當PEG-6000濃度為15%和20%時，種子不能萌發直至死亡。白花前胡種子的發芽勢和發芽指數均與PEG-6000溶液的濃度成反比，而且濃度越高，發芽勢和發芽指數的降幅越大。說明，干旱條件下白花前胡種子的萌發明顯受到抑制，出現發芽延緩，發芽不整齊，發芽率低的現象，與齊容鐮等[27-28]的研究結果一致。

相對電導率是反映植物抗逆性大小的一個重要指標，干旱條件下，細胞膜受損，離子通透性增大，導致相對電導率升高。研究結果表明，隨著干旱天數增加，白花前胡幼苗的相對電導率明顯升高，與高昆等[29]的研究結果一致。可見，干旱脅迫嚴重破壞了白花前胡幼苗的細胞膜，使離子滲出，從而使相對電導率升高。

葉綠素含量大小可以直接表征光合作用的強弱[30]，根據其含量變化可以推斷出植株生長發育的快慢和質量。研究結果表明，白花前胡幼苗在自然干旱條件下，隨著干旱時間延長，葉綠素含量變化呈單峰型曲線，在第2天達峰值，說明幼苗在干旱脅迫敏感期葉綠素含量增加，當適應干旱后葉綠素含量則下降，與王園園等[31]的研究結果一致。

植物器官在逆境條件下會發生膜脂過氧化作用，丙二醛是其產物之一。常用丙二醛的含量來表示細胞膜過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱。過氧化物酶是植物體內普遍存在的一種保護酶，可以催化很多反應，如清除有害的自由基，防止膜脂過氧化，保護膜的穩定性，但其活性在植物生長過程中會不斷變化。因此，可以通過檢測植物組織中過氧化物酶活性的高低判斷植物的抗性大小。研究結果表明，隨著干旱程度加劇，白花前胡幼苗的丙二醛含量呈先降后升趨勢，而過氧化物酶活性呈先升后降趨勢，與李新蕾等[32-33]的研究結果一致。由于在干旱處理下白花前胡幼苗酶活性的升高使植株細胞膜得到保護，所以干旱初期(第2天)丙二醛含量較低；當干旱時間繼續延長時，由于植株細胞內活性氧自由基的產生以及清除的平衡被破壞[34]，過氧化物酶活性降低，細胞膜過氧化程度加劇，丙二醛含量升高。

植物也可以通過調節細胞中滲透調節物質可溶性蛋白的含量來抵御干旱，本試驗中白花前胡可溶性蛋白含量隨著干旱脅迫的加劇逐漸增加，與孟衡玲等[35]的研究結果類似，因為可溶性蛋白質增加降低了細胞的水勢，使細胞能吸收更多水分，從而減少水分流失，起到保水作用，應對干旱。

4 結論

模擬干旱條件，3% PEG-6000處理白花前胡種子的發芽率為91.43%，為CK(0% PEG-6000，85.71%)的1.06倍；除3% PEG-6000處理外，5%～20% PEG-6000處理白花前胡種子的發芽率均低于CK，為0%～75.24%，較CK下降12%～100%，且濃度越高，降幅越大，各處理與CK間及各處理間均差異顯著；發芽勢和發芽指數均與PEG-6000溶液的濃度成反比，3%～20% PEG-6000處理與CK比，發芽勢下降27.15%～100%，發芽指數下降8%～100%，且二者各處理與CK間均差異顯著。隨著自然干旱時間延長，白花前胡幼苗葉片中丙二醛含量呈先降后升趨勢，為6 d>4 d>CK(0 d)>2 d；SPAD值和過氧化物酶活性呈先升后降趨勢，分別為2 d>4 d>6 d>CK和2 d>CK>4 d>6 d；相對電導率和可溶性蛋白含量分別為17.49%～46.89%和0.134～0.851 mg/g，均呈持續上升趨勢。綜上得出：適度干旱有利于白花前胡種子萌發，白花前胡幼苗能夠忍受短時間的干旱脅迫，因此在種植時注意對其水分的供給。