PEG-6000模擬干旱脅迫對三七幼苗生理影響及耐旱性評價

收稿日期：2024-04-16

基金項目：國家自然科學基金項目（81874334）。

作者簡介：黃博原（1997-），男，湖北宜昌，碩士，研究方向：園林植物資源保護與評價；

李曉琳（1979-），女，遼寧鞍山，博士，副研究員，研究方向：中藥種質資源及種子生物學。

通信作者：黃" 薈（1982-），女，云南臨滄，博士，副研究員，研究方向：藥用植物品質成分代謝調控機理。

摘要：為了解三七幼苗在干旱脅迫下的生理響應，并進行耐旱性評價，以一年生的一葉期三七幼苗為試材，采用不同濃度梯度（5%、10%、15%和20%）的PEG-6000溶液處理12h和24h模擬不同程度的干旱脅迫，以H2O處理0h-24h為對照，分別測定葉片的相對含水量（WC）、丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和葉綠素（Chl）含量等生理指標，以期為三七幼苗的栽培種植提供理論依據。結果表明：隨著PEG-6000溶液濃度和處理時間的增加，葉片相對含水量和葉綠素含量明顯減低，而丙二醛和脯氨酸含量顯著上升，過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶三種抗氧化酶活性呈先上升后下降的趨勢。在此基礎上，構建了三七幼苗的綜合耐旱性的隸屬函數評價，15% PEG-6000處理24h時耐旱性最強。由此可見， 干旱脅迫較輕時，一葉期三七幼苗葉片會誘導脯氨酸和抗氧化酶以增強耐旱性，然而干旱脅迫加劇時，葉片抗氧化系統活性顯著減低，導致葉片生理代謝紊亂，其耐旱性隨之降低。

關鍵詞：干旱脅迫；抗氧化酶；耐旱評價

中圖分類號：Q943.1" " "文獻標識碼：" A" " " 文章編號：2095-7734（2024）03-0020-07

" 三七（Panax notoginseng）為五加科人參屬多年生草本植物，是一種名貴的中藥材，具有巨大的經濟價值。[1]目前僅在我國海拔1800米左右的西部及周邊地區種植三七，其中大部分產量主要來源于云南文山。[2]三七是多年生植物，在一年生一葉期時需要移栽，然而，此時是云南冬春的旱季，幼苗成活率低，致使三七產量降低。[3]

植株在干旱時，葉片中活性氧會積累，發生脂質過氧化，誘導非酶促和酶促的應答機制以減輕氧化損傷，但是隨著干旱脅迫加劇，應答機制也會發生損傷。在非酶促應答中，脯氨酸能降低活性氧的損傷，其含量一般會隨著干旱程度的增加而增加。[4]在酶促應答中，隨著干旱程度的增加，抗氧化系統呈先上升后下降的特性。例如，在廖沛然[5]的研究中，30d苗齡的三七幼苗隨著干旱脅迫的加劇，過氧化氫酶和過氧化物酶呈先上升后下降的變化趨勢。此外，活性氧積累導致葉綠體質膜損傷，降低了葉綠素的含量，從而影響了葉片光合作用的能力。

" 聚乙二醇（PEG-6000）是一種無機高分子化合物，多用于模擬干旱脅迫研究。[6]本研究以云南一年生的一葉期三七幼苗為試材，以5%、10%、15%和20%的PEG-6000溶液處理12h和24h模擬不同程度的干旱脅迫，分析三七幼苗的葉片的相對含水量、丙二醛、脯氨酸、抗氧化酶系統活性和葉綠素含量等生理指標，在此基礎上，構建了三七幼苗的綜合耐旱性的隸屬函數評價，以探究干旱脅迫對三七幼苗生理影響，為三七一葉期幼苗受到干旱脅迫時采取抗旱措施管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

" 選用云南文山地區的一年生的三七一葉期幼苗，用0%、5%、10%、15%和20%濃度的PEG-6000溶液處理，在20℃、相對濕度50%、1000Lux光照環境中培養，分別培養0h，12h和24h，取葉片開展后續實驗。

1.2 指標測定

" （1）相對含水量使用稱重法測定；[7]（2）丙二醛含量使用硫代巴比妥酸法測定；[8]（3）脯氨酸含量使用茚三酮法測定；[8]（4）過氧化物酶活性使用愈創木酚顯色法測定；[9]（5）過氧化物酶活性使用鉬氨酸法測定；[9]（6）超氧化物歧化酶活性使用氮藍四唑法測定；[9]（7）葉綠素含量采用丙酮法測定。[9]

1.3 三七幼苗耐旱性的評價方法

" 耐旱性的評價采用隸屬函數綜合評價法。[10]通過測定三七幼苗葉片的七項生理指標來對一葉期三七幼苗在PEG-6000模擬的不同程度干旱脅迫下耐旱性進行綜合評價。根據指標與耐旱性的正負相關性，通過以下公式計算：

（1）當測定生理指標與耐旱性呈正相關時

F1=（Xi -Xmin ） / （Xmax -Xmin ）

（2）當測定生理指標與耐旱性呈負相關時

F2=〔1- （Xi -Xmin ） / （Xmax -Xmin ） 〕

" 其中，Xi代表第i個生理指標的測定值，Xmax代表該生理指標中的最大值，Xmin代表該生理指標中的最小值。

1.4 數據處理

" 使用Excel 2013進行數據處理和圖表制作； 運用SPSS 20.0對各測定指標進行單因素方差分析，獨立樣本T檢驗。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對三七幼苗葉片相對含水量的影響

" 植物在遭受干旱脅迫時，根部吸水量降低，導致葉片含水量降低。[11]三七幼苗葉片的相對含水量變化如圖1所示，5%PEG-6000處理對葉片的相對含水量沒有顯著影響。10%、15%和20%PEG-6000處理12h后，葉片的相對含水量分別下降了10.80%、17.10%、28.30%。隨著處理延長至24h，相對含水量的下降速度呈加快趨勢，其中，15%PEG-6000處理下降27.88%。20%PEG-6000處理下降52.50%。以上結果表明：干旱脅迫較輕時，對三七幼苗葉片的含水量沒有顯著影響；而干旱脅迫加劇，會顯著降低幼苗葉片的含水量。

2.2 干旱脅迫對三七幼苗質膜和滲透調節物質的影響

" 在干旱脅迫下，細胞脂質過氧化加劇，最終氧化產物是丙二醛，[12]如圖2所示，5%、10%、15%和20%PEG-6000處理12h后，葉片的丙二醛含量分別升高了51.10%、86.40%、102.60%，77.30%；處理延長至24h時，15%和20%PEG-6000處理時丙二醛含量上升的最顯著，其中，15%PEG-6000處理相比對照上升了166.80%；20%PEG-6000處理相比對照上升了220.80%。以上結果表明：當干旱脅迫加劇，三七幼苗受到氧化脅迫加劇。

" 植物為了抵御干旱，會通過增加脯氨酸含量來減少幼苗與環境的滲透差，以減少干旱脅迫的影響。[13]三七幼苗葉片的脯氨酸含量變化如圖3所示，在PEG-6000溶液處理12h時，葉片內的脯氨酸含量沒有顯著變化；當處理延長到24h時，葉片內的脯氨酸含量顯著增加，其中5%、10%、15%和20%濃度 PEG-6000處理與對照組相比分別上升了61.40%、111.60%、313.50%和307.50%。以上結果表明：干旱脅迫較輕時，對三七幼苗葉片的脯氨酸影響不顯著；隨著干旱程度的加深，葉片內脯氨酸含量顯著增加，以減輕干旱脅迫的影響。

2.3 干旱脅迫對三七幼苗抗氧化酶系統的影響

" 在干旱脅迫下，植物會提高抗氧化酶的活性來清除過量的活性氧。[14]三七幼苗葉片內過氧化氫酶活性的變化如圖4所示，在干旱脅迫12h時，在20%PEG-6000處理相比對照升高了62.60%；在干旱脅迫24h時，幼苗葉片中過氧化氫酶活性呈先上升再下降的趨勢，在15%PEG-6000處理相比對照升高了67.20%；20%濃度PEG-6000處理相比15%濃度的處理下降了33.65%。

三七幼苗葉片內過氧化物酶活性的變化如圖5所示，在干旱脅迫12h時，5%、10%和15%PEG-6000處理相比對照變化不顯著，但是20%濃度PEG-6000處理相比對照升高了105.90%；脅迫24h時，葉片中過氧化物酶活性先上升再下降，在15%濃度PEG-6000處理時有最大值，相比于對照升高了149.90%；然后再下降，20%濃度PEG-6000處理相比15%濃度的處理下降了10.48%。

" 三七幼苗葉片內超氧化物歧化酶活性的變化如圖6所示，在PEG-6000溶液模擬干旱脅迫12h時，葉片中的超氧化物歧化酶活性相比對照組顯著上升，5%、10%、15%和20%PEG-6000處理相比對照升高了46.40%、62.90%、74.70%和105.50%；脅迫24h時，葉片中超氧化物歧化酶活性先上升再下降，在15%濃度PEG-6000處理時有最高，相比于對照升高了135.80%；然后再顯著下降，20%濃度PEG-6000處理相比15%濃度的處理下降了23.50%。

" 因此，干旱脅迫較輕時，三七幼苗葉片中的過氧化氫酶，過氧化物酶活性和超氧化物歧化酶等抗氧化酶活性都呈上升趨勢，以減輕氧化損傷；但干旱脅迫加劇時，以上三個抗氧化酶活性都顯著下降，嚴重損傷了抗氧化系統，導致生理代謝紊亂。

2.4 干旱脅迫對三七幼苗葉綠素含量的影響

" 三七幼苗遭受干旱脅迫時，葉片中葉綠體質膜發生氧化損傷，導致葉綠素含量降低。[15]三七幼苗葉片中葉綠素含量的變化如圖7所示，在干旱脅迫12h時，葉片中的葉綠素含量顯著下降；5%、10%、15%和20%濃度PEG的處理相比于對照分別下降了8.53%、13.06%、23.69%、27.66%。隨著處理延長至24h，葉綠素含量的下降趨勢更快，其中，15% PEG-6000處理下降30.20%；20% PEG-6000處理下降49.20%。以上結果表明：干旱脅迫較輕時，三七幼苗葉片的葉綠素含量沒有顯著變化；而干旱脅迫加劇，葉片中的葉綠素含量會顯著降低，光合能力嚴重下降。

2.5 耐旱性綜合評價

已有研究證明，[16-17]相對含水量（RWC）、丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、葉綠素（chl）含量等生理指標可以作為植物在干旱脅迫中反映植物耐旱性的指標。根據隸屬函數公式求出三七幼苗在干旱脅迫下生理生化特性指標的隸屬函數值，并進一步計算得到抗旱性綜合得分（見表1）。評分數值代表耐旱性，數值越大，則耐旱性越強。在脅迫延長至24h時，15%濃度PEG-6000溶液處理下的評分值最大，為0.846；20%濃度PEG-6000溶液處理下的評分值有所下降，為0.793。結果表明：干旱脅迫下，三七幼苗在15%PEG濃度處理24h時耐旱性最強；干旱脅迫進一步加劇時，三七幼苗的耐旱性會降低。

3 討論與結論

" 植株遇到干旱時，葉片中含水量會降低，干旱脅迫加劇，則含水量越低，嚴重影響植株的生長代謝。[18]在本研究中PEG-6000處理一年生一葉期的三七葉片，會導致葉片含水量下降（見圖1），尤其是在10%PEG-6000處理24h后以及15%和20%PEG-6000溶液處理12h和24h時，葉片出現萎蔫，表明隨著干旱脅迫加劇，嚴重損傷了葉片的生理功能。在王丹丹[19]的研究中，通過用50%，15%含水量的土壤處理赤芍（Paeoniae Radix Rubra），赤芍葉片的相對含水量隨著干旱時間的延長而降低，這與本研究的結果相似。

" 丙二醛是反映植物受干旱脅迫程度的生理指標[20]，幼苗體內丙二醛含量越多，細胞內的脂質過氧化程度越劇烈，幼苗受到的干旱脅迫越嚴重。在本試驗中，在PEG-6000處理12h和24h中丙二醛的含量隨著PEG-6000濃度的增加而顯著增加；在干旱脅迫24h時，15%和20%濃度PEG處理中丙二醛含量上升趨勢最快（見圖2），表明三七幼苗葉片發生了嚴重的氧化損傷。脯氨酸作為一種重要的植物滲透調節物質[21]，在幼苗遭受干旱脅迫時，脯氨酸積累能減少三七幼苗與干旱環境之間滲透差，來減少干旱環境帶給植物的損害。在本研究中，三七幼苗葉片中丙二醛含量隨著干旱脅迫程度的增加而增加；在較輕的干旱脅迫下，三七葉片中的脯氨酸變化不顯著，隨著干旱脅迫的加劇，葉片中脯氨酸含量先上升再下降；在15%PEG-6000溶液處理24h時葉片中的脯氨酸含量最高，在20%濃度PEG-6000處理時下降，但是下降程度不顯著（見圖3）。在廖沛然[5]的研究中，對苗齡30d三七幼苗分別進行2.5%、5%、7.5%濃度的PEG-6000溶液處理，隨著干旱的加劇，三七葉片中的脯氨酸和丙二醛含量不斷增加，這也與本研究的結果一致。

" 植物在受到干旱脅迫時，活性氧過量積累會破壞生物膜的結構及功能。植物含有清除自由基的抗氧化系統，其中，超氧陰離子被超氧化物歧化酶歧化變成氧化氫和氧氣。過氧化物酶和過氧化氫酶又能將過氧化氫分解為水和氧氣[22]。在本研究中，過氧化物酶（見圖4）、過氧化氫酶（見圖5）、超氧化物歧化酶（見圖6）含量在干旱12h，24h時均呈現上升趨勢；在干旱逐漸加劇下，上述三種抗氧化酶都有顯著下降，這說明該時期的干旱脅迫已經破壞了幼苗的抗氧化酶系統，對三七幼苗造成了不可逆的傷害。在徐若[23]的研究中，對一年生三七進行不灌溉的干旱處理45d。結果顯示，過氧化物酶對干旱的響應最為敏感，過氧化氫酶和超氧化物歧化酶表現為不敏感；在本研究中，過氧化物酶對PEG-6000溶液的處理也是最敏感的，但是過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性也出現了顯著的升高和降低，這可能是自然干旱與模擬干旱存在的差異所導致的，也可能是干旱時間之間的差異所導致的。

" 光合作用是植株獲得能量的主要來源，葉綠素是決定光合作用速率的重要指標[24]。在干旱脅迫下，植株體內水分的虧損導致植株葉片生長發育與新陳代謝受阻，導致葉片中葉綠素合成變慢與降解，光合作用受阻，所以如本研究的結果所示（見圖7），在12h、24h的干旱脅迫下，葉片中葉綠素含量隨著干旱程度的增加而降低。這與廖沛然[5]在兩年生三七中葉綠素含量隨著干旱加劇而減少的結論一致。

綜上所述，通過三七幼苗在不同干旱脅迫程度和時間的生理數據，初步構建了三七幼苗的耐旱模型。隨著干旱脅迫程度的加深，一葉期的三七幼苗對干旱的感知越敏銳，通過綜合干旱評價表可得知，三七幼苗在15% PEG模擬干旱24h耐旱性最強，隸屬函數的評分值為0.846。當干旱脅迫進一步加深時，抗氧化系統活性嚴重降低，隸屬函數的評分值降低，耐旱性也進一步降低。在一年生的一葉期幼苗移栽后或是遭受嚴重的干旱情況，應該注意這個時期之前的水分管理。

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Physiological Effects and Drought Resistance Evaluation of Panax Notoginseng Seedlings under Drought Stress by PEG-6000

HUANG Boyuan， LI Xiaolin， DENG Zhijun， HUANG Hui*

（Hubei Key Laboratory of Biologic Resources Protection and Utilization， Hubei Minzu University， Enshi 445000，Hubei; China Academy of Chinese Medical Sciences， Beijing 100700；Key Laboratory of Research and Utilization of

Ethnomedicinal Plant Resources of Hunan Province， College of Biological and Food Engineering，

Huaihua University， Huaihua 418000，Hubei， China）

Abstracts： In order to study the physiological response of Panax notoginseng seedlings under drought stress and evaluate their drought resistance， one-year-old seedlings at the single-leaf stage were used as materials in our study. PEG-6000 solutions （5%， 10%， 15%， and 20%） were used to simulate different degrees of drought stress to treat P. notoginseng seedlings for 12 h and 24 h， with H2O treatment at 0 hours as the control. The relative water content， the levels of malondialdehyde （MDA）， proline and chlorophyll， and the activities of catalase， peroxidase and superoxide dismutase of leaves were measured to provide theoretical basis for the cultivation and planting of P. notoginseng seedlings. The results showed that with the increasing of PEG-6000 concentration and treatment time， the relative water content and chlorophyll content of leaves decreased significantly， while the MDA and proline contents increased significantly. The activities of antioxidant enzymes showed an initial increase followed by a decrease trend. Based on those results， the subordinate function values and" drought resistance evaluation was preformed， showing that the strongest drought resistance under 15% PEG-6000 treatment for 24 h. Thus， these results indicated that P. notoginseng seedlings at the single-leaf stage increased proline content and antioxidant enzymes activities to enhance drought resistance under mild drought stress. However， as drought stress intensifies， the activity of the antioxidant system significantly decreases， leading to physiological metabolic disorders and a decrease in their drought tolerance.

Key words： drought stress; antioxidant enzymes; drought resistance evaluation