西洋参对干旱胁迫的生理生化反应

张淋淋，于红霞，孟洪涛，孙海，吕林，左湘西，于海先，张亚玉※

（1.中国农业科学院特产研究所，长春 130112；2.威海金颐阳药业有限公司，山东 威海 264400）

西洋参（Panax quinquefolius L.）为五加科人参属多年生草本植物，别称花旗参、西洋人参、洋参、美国人参、广东人参等[1]，味苦、性凉、归心、肺、肾经，功能以补益为主，主要以干燥的根入药，具有补气养阴、清热生津之功效[2]。原产于加拿大和美国，自20世纪80年代以来我国开始大面积引种，目前，中国已成为继美国、加拿大之后世界第三大西洋参生产国及第一大消费国[3]。

植物的生长和发育往往受到各种生物和非生物胁迫的影响，其中，水分的影响尤为显著[4]。干旱胁迫严重影响植物的生长和发育，导致植物体内活性氧的产生和清除系统之间失衡。生物自由基的累积会导致膜损伤和膜脂过氧化等，而植物体内一系列的抗氧化酶类和渗透调节物质组成的抗氧化防御系统则起到清除这些活性氧自由基[5～6]，保护细胞内生物大分子结构的作用[7]。研究表明，当遭遇干旱时，洋甘菊株高、干重等减少[8]；随胁迫时间的延长，百里香叶绿素a、b及类胡萝卜素含量下降[9]；黑果枸杞在干旱胁迫下超氧化物歧化酶（SOD）活性逐渐升高，过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性呈先上升后下降的趋势[10]；鸭茅根系及叶片电导率、丙二醛含量逐渐增加，渗透调节物质可溶性糖和游离脯氨酸不断积累，而超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶活性呈先升后降的趋势[11]。

目前，关于干旱胁迫对西洋参生理特性影响的研究鲜见报道。为此，本试验以西洋参幼苗为试验对象，研究了干旱胁迫下西洋参的相关生理生化变化，旨在揭示其抗旱机制，为西洋参干旱条件下栽培管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 植株、土壤及主要试剂 以2018年3月采收的2年生西洋参幼苗为试验材料，土壤取自中国农业科学院特产研究所左家所区自然保护区山皮土。三氯乙酸（分析纯，生工生物工程上海股份有限公司）；石英砂，碳酸钙（分析纯，索莱宝生物科技有限公司）；95%无水乙醇（优级纯）、乙酸乙酯（分析纯）、茚三酮（优级纯）、冰醋酸（分析纯）（国药集团化学试剂有限公司）；SOD酶活性、POD酶活性、CAT酶活性测定试剂盒（江苏科铭生物技术有限公司）。

1.1.2 主要仪器 土壤水分温度测定仪（浙江托普云农科技股份有限公司）；紫外分光光度计、DDS-11A型电导仪（上海仪电科学仪器股份有限公司）；水浴锅（上海一恒科学仪器有限公司）；550型酶标仪、高速冷冻离心机（湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）；制冰机、-80℃超低温冰箱（三洋电机有限公司）

1.2 方法

试验于2018年5～6月在中国农业科学院特产研究所进行。采用盆栽方式，每盆（18cm 17cm）装2.5kg基质，选择生长势一致的西洋参幼苗48株，每盆种4株。试验在25℃（昼）/20℃（夜）下进行，日光温室常规育苗，试验观测前统一浇水至饱和并称重，以后不再浇水，使其自然干旱。分别获得4个土壤水分梯度：对照组，土壤含水量为田间持水量的75%～85%；轻度干旱组，土壤含水量为田间持水量的65%～75%；中度干旱组，土壤含水量为田间持水量的55%～65%；重度干旱组，土壤含水量为田间持水量的45%～55%。每处理3个重复。

1.3 测定指标与方法

西洋参幼苗叶绿素含量测定采用乙醇提取―紫外分光光度计法；电导率（EL）测定采用电导仪；根系活力测定采用TTC法[12]；丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸法[13]；SOD活性、POD活性、CAT活性测定则分别采用相应的试剂盒；脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取茚三酮显色法测定[14]。所有生理指标均3次重复测定。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel2010和SAS9.4统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对叶绿素含量的影响

如图1A、图1B、图1C所示，西洋参幼苗中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量均随土壤水分含量的降低呈先升高后降低的趋势，其中叶绿素a在轻度胁迫时达到最高值1.73mg/g，随后下降，中度胁迫与重度胁迫处理组叶绿素a含量分别为1.58mg/g、1.48mg/g，均低于对照组的1.59mg/g；叶绿素b、类胡萝卜素含量开始逐渐升高，均在中度胁迫时达到最高值，分别为0.61mg/g、0.43mg/g，在重度胁迫时下降为0.56mg/g、0.40mg/g，但仍分别高于对照组的0.48mg/g、0.36mg/g。其中叶绿素b在轻度、中度、重度胁迫时含量均显著高于对照组，各胁迫组间差异不显著，叶绿素a与类胡萝卜素各组间的差异显著性不明显。

图1 干旱胁迫对西洋参的影响Fig.1 Effect of drought stress on photosynthetic pigments of American ginseng

2.2 干旱胁迫对根系活力的影响

随着土壤水分含量的降低，西洋参幼苗根系活力由对照组的0.52mg/（g·h）不断降低，在重度胁迫时达到最低值0.29mg/（g·h），对照组与轻度胁迫组间差异不显著，其余各处理组间差异显著（P＜0.05）（图 2）。

图2 干旱胁迫对西洋参幼苗根系活力的影响Fig.2 Effect of drought stress on root activity of American ginseng

2.3 干旱胁迫对细胞膜稳定性的影响

在干旱胁迫过程中，西洋参幼苗中MDA含量随水分含量的降低而逐渐升高，由对照组的84.85nmol/g，到轻度胁迫条件下迅速增加至108.68nmol/g，中度胁迫条件下达到126.99nmol/g，在整个干旱胁迫过程中MDA含量持续增加，并在重度胁迫条件下达到最高值130.68nmol/g（图3A）。其中，中度胁迫与重度胁迫两处理间差异不显著，其余各处理间差异达到显著水平（P＜0.05）。

电导率是评价植物细胞膜稳定性的重要指标之一。由图3B可知，西洋参幼苗在不同胁迫程度条件下，其电导率与MDA变化趋势类似，都随干旱胁迫程度的加重逐渐增加。电导率由最初的20.33%增加到26.56%，并在干旱胁迫过程中持续增加，在重度胁迫条件下达到最高值35.79%，其中，中度胁迫与重度胁迫两处理间差异不显著，其余各处理间差异达到显著水平（P＜ 0.05）。

图3 干旱胁迫对西洋参幼苗细胞膜稳定性的影响Fig.3 Effect of drought stress on cell membrane stability of American ginseng

2.4 干旱胁迫对抗氧化酶活性与抗氧化物含量的影响

由图4A、图4B、图4C可以看出，干旱胁迫条件下SOD、POD、CAT活性随土壤水分含量的降低呈先增加后降低的趋势，在水分含量为55%～65%时均达到最大值，分别为 285.97U/g、18.03U/mg、289.6nmol/（min g），在重度胁迫时SOD、POD、CAT酶活性均有所下降，但仍显著高于对照值。其中SOD的活性在中度胁迫与重度胁迫两处理间差异不显著，其余各处理间差异达到显著水平（P＜0.05）。POD活性在干旱胁迫几个处理组间差异不显著，但均显著高于对照组（P＜0.05）。CAT活性在轻度胁迫与中度胁迫两处理间差异不显著，其余各处理间差异达到显著水平（P＜ 0.05）。

图4 干旱胁迫对西洋参幼苗保护酶系SOD、POD、CAT活性变化的影响Fig.4 Effect of drought stress on antioxidant enzyme SOD，POD，CAT activities of American ginseng

2.5 干旱胁迫对游离脯氨酸含量的影响

逆境下植物细胞为了提高细胞液浓度，维持细胞膨压和防止原生质过度脱水，会产生并积累小分子渗透调节物质脯氨酸（Pro），以增强植物抗逆性[10]。如图5所示，随着干旱胁迫程度的加重，游离脯氨酸的含量持续增加，对照处理组的脯氨酸含量为512.76g/g，轻度胁迫组含量为734.63g/g，中度胁迫组含量为1 099.15g/g，重度胁迫组达到最大值1 220.32g/g，各处理间均达到了差异显著水平（P＜0.05）。

图5 干旱胁迫对西洋参幼苗脯氨酸含量的影响Fig.5 Effect of drought stress on proline content of American ginseng

3 讨论

植物叶绿素含量是反映植物光合能力的重要指标之一，因此，可在一定程度上反映植物在干旱胁迫下光合作用的变化。大多数研究表明，干旱胁迫条件下叶绿素含量会降低[15，16]，但也有研究表明，叶绿素含量随土壤含水量降低呈先升高后降低的变化趋势[17，18]。本研究表明，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素均随土壤水分含量的降低呈先升高后降低的趋势。邹春静等[19]报道，叶绿素含量增加的原因可能与植物对环境因子的补偿和超补偿效应有关，随着胁迫强度的增加，超过了其补偿能力，叶绿素含量下降。此外，叶绿素含量的增加也可能与叶片含水量下降有关。

干旱胁迫下，植物体内活性氧自由基产生和清除的动态平衡被破坏，导致自由基的积累和膜脂质过氧化，从而破坏膜系统的结构和功能。MDA含量和细胞质膜透性的变化是反映干旱胁迫下细胞膜脂质过氧化和质膜损伤程度的重要指标[11]。本研究结果表明，随着干旱程度的增加，西洋参幼苗叶片MDA含量和电导率均高于适宜水分处理，并随着干旱程度的增加呈不断增加趋势，表明干旱胁迫下膜系统均受到一定损伤，并随着干旱程度的增加而加剧，这与季杨等[11]对鸭茅的相关研究结果一致。李永洁等[10]研究表明，随着干旱胁迫时间的延长，丙二醛含量先增后减再逐渐增加。这可能与材料本身特性或取样时间有关。

在胁迫条件下，植株体内会产生对植物有毒害作用的物质，如O2、H2O2等。为了防御、减少氧化损害，植物需要合理调节体内抗氧化酶防御系统，SOD、POD、CAT就属于这一系统中的关键酶[20]，其中SOD能将氧自由基清除形成H2O2，而POD与CAT可把H2O2变为H2O，它们协调一致的作用可使活性氧维持在一个较低水平[21]。在干旱条件下，抗氧化酶可清除活性氧自由基，但当胁迫强度增加到一定程度时，抗氧化酶活性降低，清除效率也随之下降[22]。本研究表明，干旱胁迫下，西洋参叶片SOD、POD、CAT活性先升高后降低，这与大多数研究结果一致。说明西洋参幼苗体内具有防御活性氧的抗氧化系统，它们在清除自由基等方面起着重要作用。

综上所述，西洋参幼苗可通过提高渗透调节物质含量来维持细胞稳定性，抵御干旱[23]，通过增强体内的抗氧化酶活性及抗氧化物含量使之相互协调来提高其抗旱能力，减轻膜脂过氧化作用的伤害，从而减轻干旱胁迫造成的伤害。但它们是如何协同调节西洋参的抗旱性，还有待于进一步深入研究。