引发剂对黄芩种子萌发及幼苗耐旱性的影响

李小玲，华智锐，许 肖

(商洛学院 生物医药与食品工程学院，陕西 商洛 726000)

黄芩(ScutellariabaicalensisGeorigi)又名山茶根，别名为土金茶根，药用历史悠久，与丹参、连翘、桔梗、五味子并称为中国秦岭五大商药[1]，具有抗菌、消炎、调节血脂和抗艾滋病病毒等功效[2]，主产于河北、辽宁、陕西、山东、内蒙古及黑龙江等地。近年来，黄芩作为药材被广泛用于治疗临床各种疾病，市场对于药用黄芩的需求量大大增加，人们过度采挖造成野生黄芩越来越少，已不能满足市场的需求。因此，人工栽培品种成为药用黄芩的主要来源。研究发现，黄芩生长发育过程中会受到各种非生物因子的胁迫，其中干旱是制约黄芩产量和品质的主要因子之一[3]。干旱胁迫可导致植物细胞内积累大量活性氧，引起膜脂过氧化，导致膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量显著增加，严重破坏细胞膜和其他生物大分子的结构和功能[4]，从而影响黄芩的生长发育，制约黄芩产业的可持续发展。因此，近年来关于植物的抗旱生理研究备受关注[5-6]，同时也对植物的抗旱性提出了新的要求。研究植物抗旱机制时发现，通过外施某种引发剂可以提高植物的抗旱性。

种子引发是基于种子萌发生物学机制提出的一种种子处理技术[7]，其优点是可以促进种子萌发、打破种子休眠、增加种子活力、提高种子发芽潜力、提高幼苗抗性、改善营养状况[8]。研究发现，一定剂量的种子引发剂能够提高种子的发芽率和发芽势；提高幼苗的叶绿素、脯氨酸、可溶性蛋白含量；提高幼苗的过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)活性[9]。如低浓度的NaCl和Na2SO3引发剂可以促进干旱胁迫下少花蒺藜草及盐蒿种子的萌发，提高种子的发芽势、发芽率和发芽指数，缓解干旱胁迫对植物的伤害，降低MDA含量，提高叶片SOD、POD、CAT活性及叶绿素含量[10-11]。目前，关于植物种子引发的研究主要集中在农作物[12-13]、蔬菜[14-15]、黄芪[16]、桔梗[17]、白花蛇舌草[18]等，在药用植物黄芩上的报道很少，种子引发对黄芩幼苗耐旱性的影响目前也尚未见报道。前期研究表明，采用20% PEG-6000处理黄芩可以模拟干旱环境[5-6]。基于此，以商洛黄芩为材料，探讨了单引发剂(NaCl、Na2SO3、CaCl2)和复合引发剂(NaCl、Na2SO3、CaCl2不同配比浓度)对黄芩种子萌发和幼苗耐旱性的生理效应，旨在寻找适宜黄芩的种子引发剂，为干旱地区种植黄芩提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试黄芩种子及幼苗于2018年4月初购自商洛市洛南县药材种植基地。NaCl、CaCl2和Na2SO3为分析纯试剂(含量≥99.5%)，购自陕西晶博生物科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 种子引发处理 选取大小一致、饱满成熟的黄芩种子(千粒质量约10.5 mg)，用3% H2O2消毒5 min，经蒸馏水反复冲洗后，擦干其表面水分备用。采用纸上发芽床法，在洗净、烘干的培养皿(直径90 mm)中铺双层滤纸，并加入相应的引发溶液和20%PEG-6000，共计11个引发处理，具体见表1。各取预处理备用的黄芩种子42粒整齐地放入培养皿中，以加入等量蒸馏水(CK1)和20% PEG-6000溶液(干旱胁迫，CK2)分别作为对照,置入生化培养箱中培养，培养温度设昼/夜为25 ℃/18 ℃，相对湿度为75%，光照强度为200 μmol/(m2·s),光周期昼/夜为14 h/10 h。每个处理重复3次，24 h后继续喷洒20% PEG-6000及相应的种子引发剂，并及时补水，每天观察其生长状况，5 d后观察并记录种子的发芽势，7 d后观察并记录发芽率。

表1 黄芩种子及幼苗引发处理Tab.1 Priming treatment settings for seeds and seedlings of Scutellaria baicalensis

1.2.2 黄芩幼苗引发处理 幼苗试验共设蒸馏水(CK1)、20% PEG-6000(干旱胁迫，CK2)2个对照以及11个引发处理(表1),11个引发处理同时采用20% PEG-6000进行干旱胁迫。选取长势基本相同的1年生黄芩幼苗，均匀分配于39个规格为15 cm×18 cm的花盆中栽培并标上序号，每盆3株，每天早上8：00给黄芩幼苗叶片正反面喷施蒸馏水、单引发剂、复合引发剂及20% PEG-6000，并于12：00进行浇水(防止水分过分流失造成黄芩幼苗死亡)，连续喷施7 d后取样测定幼苗生理指标。

1.3 测定项目

种子萌发指标测定参照王治江等[19]的方法，每天记录种子的萌发状态，计算发芽率和发芽势。

发芽率=(7 d内发芽的种子数/供试种子数)×100%，发芽势=(5 d内发芽的种子数/供试种子数)×100%。

可溶性蛋白含量测定参照张志良等[20]的考马斯亮蓝G-250法；MDA含量测定参照潘瑞炽[21]的硫代巴比妥酸法；脯氨酸含量测定参照王立红等[22]的茚三酮法；POD活性测定参照朱广廉[23]的愈创木酚显色法；叶绿素含量测定参照李合生[24]丙酮-碳酸钙法；CAT活性测定参照郝再彬等[25]的紫外吸收法；SOD活性测定参照高俊凤[26]的氮蓝四唑(NBT)光还原法。

1.4 数据处理及分析

所有处理每次测定重复3次，数据为3次测定值的平均值，用Excel 2010进行数据处理和绘图，采用SPSS 22.0软件对数据进行ANOVA方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 引发剂对黄芩种子发芽率、发芽势的影响

从表2可以看出，与正常处理(CK1)相比，干旱胁迫(CK2)下黄芩种子的发芽势和发芽率显著降低，其中，发芽势降低60.35%、发芽率降低56.77%。0.4% NaCl处理(T1)、10 mmol/L Na2SO3处理(T2)、20 mmol/L CaCl2处理(T3)的种子发芽势和发芽率均较CK2显著提高，T1处理发芽势和发芽率较CK2分别增加39.66%和29.34%，T2处理发芽势和发芽率较CK2分别增加43.72%和39.89%， T3处理发芽势和发芽率较CK2分别增加120.47%和103.66%。T1与T2处理发芽势无显著差异，但与CK2相比均达到显著水平(P<0.05)。可见，3种单引发剂处理相比，T3处理的发芽势和发芽率较干旱胁迫(CK2)增幅最大，说明单引发剂以20 mmol/L CaCl2缓解干旱胁迫不良影响的效果最佳。

表2 单引发剂对黄芩种子发芽率、发芽势的影响Tab.2 Effect of single initiator on germination rate and vigor of Scutellaria baicalensis Georgi

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference(P<0.05),the same below.

从表3可知，当加入不同配比浓度的复合引发剂后，与CK2相比，各处理发芽势和发芽率均有所增加，其中，T4处理黄芩种子的发芽势和发芽率最高，较CK2分别增加97.91%和86.94%；T6处理黄芩种子的发芽率最低(19.13%)，但仍较CK2增加4.54%；T8处理黄芩种子的发芽势最低(17.15%)，但仍较CK2增加15.88%。T6、T9、T10处理间发芽率差异不大；T5、T6、T7、T9、T10处理间发芽势无显著差异，但均较CK2显著提高。可见，0.3% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2处理(T4)可显著提高干旱胁迫下黄芩种子的发芽势和发芽率。

表3 复合引发剂对黄芩种子发芽率、发芽势的影响Tab.3 Effect of complex initiator on germination rate and vigor of Scutellaria baicalensis Georgi

2.2 引发剂对黄芩幼苗SOD、CAT、POD活性的影响

植物体内的保护酶系能够清除生物体在新陈代谢过程中产生的有害物质。但在干旱条件下，植物体内积累大量的活性氧最终会影响膜的通透性。从表4、表5可以看出，干旱胁迫下(CK2)黄芩幼苗体内SOD、CAT、POD活性较对照(CK1)显著降低，当喷施一定量的引发剂后黄芩幼苗保护酶系活性均有所提高。

从表4可知，干旱胁迫下(CK2)，黄芩幼苗的SOD、CAT、POD活性均较对照(CK1)显著降低，喷施不同的单引发剂后，黄芩幼苗SOD、CAT、POD活性均较CK2显著上升。0.4%NaCl处理(T1)黄芩幼苗SOD、CAT、POD活性较CK2分别增加41.75%、82.24%、80.29%；10 mmol/L Na2SO3处理(T2)黄芩幼苗SOD、CAT、POD活性较CK2分别增加26.25%、25.98%、34.31%；20 mmol/L CaCl2处理(T3)黄芩幼苗SOD、CAT、POD活性较CK2分别增加32.64%、54.19%、44.53%。其中，T2处理POD活性与CK1无显著差异，但显著高于CK2。可见，3种单引发剂相比， T1处理的增幅最大，说明喷施0.4% NaCl处理缓解干旱胁迫的不良影响效果最佳，黄芩体内SOD、CAT、POD活性相对较高，可显著降低黄芩体内活性氧的积累，从而减轻对细胞的伤害。

表4 单引发剂对黄芩幼苗SOD、CAT、POD活性的影响 Tab.4 Effects of single initiator on activities of SOD,CAT and POD in Scutellaria baicalensis seedlings

从表5可知，喷施不同配比浓度的复合引发剂后，黄芩幼苗SOD、CAT、POD活性均较CK2显著增加。其中，以复合引发剂0.4% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2处理(T8)效果最佳，SOD、CAT、POD活性较CK2分别增加34.42%、64.80%、65.69%，可见，喷施0.4% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2可显著提高干旱胁迫下黄芩幼苗叶片中SOD、CAT、POD的活性。

表5 复合引发剂对黄芩幼苗SOD、CAT、POD活性的影响Tab.5 Effect of complex initiator on activities of SOD,CAT and POD in Scutellaria baicalensis seedlings

2.3 引发剂对黄芩幼苗叶绿素含量的影响

从图1可以看出，干旱胁迫(CK2)下黄芩幼苗叶绿素含量较CK1降低46.22%，喷施不同单引发剂后，黄芩幼苗叶绿素含量明显上升，具体表现为T1、T2、T3处理较CK2分别增加147.75%、121.35%、107.30%。综合分析认为，3种单引发剂中以0.4%NaCl处理缓解干旱胁迫不良影响的效果最佳，叶绿素含量增幅最大。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05) Different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05),the same below图1 单引发剂对黄芩幼苗叶绿素含量的影响Fig.1 Effect of single initiator on chlorophyll content of Scutellaria baicalensis seedlings

从图2可知，喷施不同配比浓度的复合引发剂后，黄芩幼苗的叶绿素含量均较CK2显著增加，其中，T8处理黄芩幼苗的叶绿素含量最高(3.82 mg/g)，较CK2增加114.61%；T11处理黄芩幼苗的叶绿素含量最低(2.32 mg/g)，但仍较CK2增加30.34%；CK1与T5处理间无显著差异，但均显著高于CK2(P<0.05)。可见，喷施0.4% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2(T8处理)可显著提高干旱胁迫下黄芩幼苗的叶绿素含量。

图2 复合引发剂对黄芩幼苗叶绿素含量的影响Fig.2 Effect of complex initiator on chlorophyll content of Scutellaria baicalensis seedlings

2.4 引发剂对黄芩幼苗脯氨酸含量的影响

由图3可知，干旱胁迫(CK2)下黄芩幼苗的脯氨酸含量较CK1显著降低，当喷施不同单引发剂后黄芩幼苗的脯氨酸含量增加，具体表现为T1、T2、T3处理较CK2分别增加166.47%、72.36%、112.84%。3种单引发剂相比，T1处理增幅最大，说明单引发剂中0.4% NaCl处理黄芩幼苗的脯氨酸含量最高，缓解干旱胁迫的效果最佳。

图3 单引发剂对黄芩幼苗脯氨酸含量的影响Fig.3 Effect of single initiator on proline content of Scutellaria baicalensis seedlings

从图4可知，喷施不同配比浓度的复合引发剂后黄芩幼苗的脯氨酸含量均较CK2显著增加，其中，T8处理黄芩幼苗的脯氨酸含量最高(16.34 μg/g)，较CK2增加146.83%；T11处理黄芩幼苗的脯氨酸含量最低，但仍较CK2增加8.76%。综上，喷施0.4% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2(T8处理)可显著提高干旱胁迫下黄芩幼苗的脯氨酸含量。

图4 复合引发剂对黄芩幼苗脯氨酸含量的影响Fig.4 Effect of complex initiator on proline content of Scutellaria baicalensis seedlings

2.5 引发剂对黄芩幼苗可溶性蛋白含量的影响

从图5可以看出，干旱胁迫(CK2)下黄芩幼苗的可溶性蛋白含量较CK1显著降低，喷施不同单引发剂后黄芩幼苗的可溶性蛋白含量增加，具体表现为0.4% NaCl(T1)、10 mmol/L Na2SO3(T2)、20 mmol/L CaCl2(T3)处理较CK2分别增加182.47%、101.30%、130.52%。3种单引发剂相比，T1增幅最大，说明单引发剂处理中以0.4%NaCl缓解干旱胁迫效果最佳，黄芩叶片中可溶性蛋白含量与其他处理相比最高。

图5 单引发剂对黄芩幼苗可溶性蛋白含量的影响Fig.5 Effect of single initiator on soluble protein content of Scutellaria baicalensis seedlings

从图6可知，与CK1相比，干旱胁迫下(CK2)黄芩幼苗叶片内的可溶性蛋白含量降低，当喷施不同配比浓度的复合引发剂后黄芩幼苗叶片的可溶性蛋白含量均增加，增幅均达到显著水平(P<0.05),且在T8时黄芩幼苗叶片的可溶性蛋白含量达到最大值(1.52 mg/g)，较CK2增加146.75%，效果最明显。而T9与T10处理之间无显著差异，但与CK2相比均达到显著水平(P<0.05)。结果表明，喷施0.4% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2可显著提高干旱胁迫下黄芩幼苗叶片中可溶性蛋白的含量。

图6 复合引发剂对黄芩幼苗可溶性蛋白含量的影响Fig.6 Effect of complex initiator on soluble protein content of Scutellaria baicalensis seedlings

2.6 引发剂对黄芩幼苗MDA含量的影响

从图7可看出，干旱胁迫(CK2)下，黄芩幼苗MDA含量较CK1显著升高；喷施不同的单引发剂后黄芩幼苗MDA含量降低，具体表现为T1、T2、T3处理较CK2分别降低65.94%、54.38%、59.71%。3种单引发剂相比，T1处理黄芩幼苗MDA含量降幅最大，说明单引发剂中以0.4% NaCl处理缓解干旱胁迫的效果最佳，MDA含量最低。

从图8可知， 喷施不同配比浓度的复合引发剂后，干旱胁迫下黄芩幼苗MDA含量均显著降低,其中，T8处理黄芩幼苗MDA含量最低(5.62 nmol/g)。可见，喷施0.4% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2可显著降低干旱胁迫下黄芩幼苗MDA含量。

图7 单引发剂对黄芩幼苗MDA含量的影响Fig.7 Effect of single initiator on malondialdehyde content of Scutellaria baicalensis seedlings

图8 复合引发剂对黄芩幼苗MDA含量的影响Fig.8 Effect of complex initiator on malondialdehyde content of Scutellaria baicalensis seedlings

3 结论与讨论

在正常情况下，植物体内的渗透调节及各项调节机能维持着一个相对平衡的状态。当受到外界逆境胁迫后，其各项调节功能遭到破坏，严重时会影响植物的生长发育。本研究结果表明，在干旱胁迫下，黄芩幼苗的可溶性蛋白、叶绿素、脯氨酸含量明显降低，保护酶活性也受到严重影响。

黄芩种子在干旱环境下的萌发特性是决定黄芩能否在干旱胁迫下成功栽培的关键因素之一。本研究发现，干旱胁迫降低了黄芩种子的发芽势和发芽率，当外施一定浓度的单引发剂和复合引发剂后，黄芩种子的发芽势和发芽率均有明显提高，这与何军等[16]的研究结果相似。从试验结果可以看出，单引发剂20 mmol/L CaCl2处理和复合引发剂0.3% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2处理效果最好。说明一定浓度的引发剂可以打破种子的休眠状态，调节体内的渗透压平衡，促进种子的呼吸作用，提高体内的调节酶活性，促进植物种子的萌发，使种子的发芽速度和整齐度得到根本改善[27]。

MDA含量是植物细胞膜脂过氧化程度的体现，一般情况下，MDA含量越高说明植物细胞膜脂过氧化程度越高，细胞受到的伤害越大。本研究表明，干旱胁迫下黄芩幼苗MDA含量明显升高，加入不同引发剂后MDA含量明显下降，其中，单引发剂中以0.4% NaCl处理黄芩幼苗MDA含量最低；复合引发剂处理黄芩幼苗以0.4% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2处理效果最佳，黄芩幼苗MDA含量低于其他复合引发剂处理，这与王治江等[19]的研究结果一致。由此可见，一定浓度的引发剂能够抑制膜脂过氧化，减轻对细胞的损伤，从而提高植物的耐旱性。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，叶绿素含量的高低直接决定植物光合作用能力的高低，同时也是评判植物耐旱能力的重要指标。脯氨酸和可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质，能增强植物保持水分的能力，保证植物的正常代谢。本试验结果表明，单引发剂中以0.4% NaCl处理效果最佳，黄芩幼苗叶绿素、脯氨酸、可溶性蛋白含量最高；采用复合引发剂处理黄芩幼苗，其中以0.4% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2处理效果最佳，黄芩幼苗叶绿素、脯氨酸、可溶性蛋白含量较其他复合引发剂处理高；2种引发剂相比较，以单引发剂处理黄芩幼苗效果最好。可见，一定浓度的引发剂可以提高干旱胁迫下黄芩幼苗叶片叶绿素、脯氨酸、可溶性蛋白含量，这与马超等[13]的研究结果相似。

在正常生理状态下，植物体内活性氧的产生和清除保持着相应的动态平衡，当遭受到逆境胁迫时这个平衡被破坏，此时植物体内的保护酶系统会起到一定的抵抗作用，其中SOD是将氧自由基分解为H2O2和水的关键酶[1]，CAT和POD起协同作用，共同作用清除体内的H2O2。本研究表明，单引发剂中以0.4% NaCl处理效果最佳，复合引发剂处理黄芩幼苗以0.4%NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2处理效果最佳，2种引发剂相比较以单引发剂处理效果最好，黄芩幼苗保护酶活性最高，表明一定的引发剂可提高干旱胁迫下黄芩幼苗叶片的保护酶活性。

本研究结果表明，施用不同的引发剂可以不同程度地缓解干旱胁迫对黄芩种子和幼苗所造成的伤害。单引发剂处理种子以20 mmol/L CaCl2效果最好，复合引发剂处理种子以0.3% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2效果最佳，2种引发剂相比以单引发剂处理效果较佳。单引发剂处理黄芩幼苗以0.4% NaCl效果最佳，复合引发剂处理黄芩幼苗以0.4% NaCl+5 mmol/L Na2SO3+15 mmol/L CaCl2效果最佳，2种处理比较以0.4% NaCl处理效果较佳，黄芩幼苗的叶绿素、可溶性蛋白、脯氨酸含量以及SOD、POD、CAT活性均高于其他引发剂处理。