外源钙对干旱胁迫下甘草生理特性的影响△

安钰，刘华，李明，李生兵，张清云

1.宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所，宁夏 银川 750002；2.宁夏盐池县科学技术局，宁夏 盐池 751500

甘草作为一种常用大宗中药材，具有补脾益气、清热解毒、祛痰止咳、缓急止痛及调和诸药等功效[1]。甘草除具有药用价值外，还具有耐寒、耐热、耐盐碱、耐沙埋等优良特性，可起到防风固沙的作用，是我国西部干旱、半干旱荒漠地区生态环境保护的重要植物之一[2]。此外，甘草及其提取物可作为添加剂使用，可广泛用于烟草、食品和日用化工等行业[3]。

水资源短缺是西北地区典型的气候特征之一，甘草是干旱、半干旱地区重要的药用植物资源，在生产过程中容易受到干旱灾害的制约。提高干旱胁迫下甘草的产量和质量对我国甘草产业的发展具有非常重要的意义。Ca2+除作为细胞壁的结构物质外，也可以作为第二信使参与植物体内的许多生理活动，减轻环境胁迫对植物细胞膜造成的伤害，进而提高植物的抗逆性[4-6]。关于甘草抗旱生理的研究较多[7-9]，但关于外源钙提高甘草抗旱能力的研究相对较少。本研究以1年生甘草种苗为材料，通过分析氯化钙(CaCl2)对干旱胁迫下甘草生理特性的影响，探讨了外源钙对干旱胁迫下甘草生长的缓解作用，为缓解干旱胁迫对甘草生长的影响提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为1年生甘草种苗，由宁夏农林科学院荒漠化治理研究所李明研究员鉴定为乌拉尔甘草GlycyrrhizauralensisFisch.的种苗。

1.2 试验设计

2017年4月下旬，在宁夏盐池县沙边子试验基地开展盆栽试验，选取大小、长势基本一致的甘草种苗移栽花盆内(盆口直径30 cm，盆底直径25 cm，高30 cm)，每盆移栽10株，土壤为沙壤土，定期浇水保持土壤湿润，于7月甘草枝叶生长盛期进行试验处理。

本试验设置干旱胁迫3个水平，分别为轻度(60%～65%)、中度(45%～50%)、重度(30%～35%)，采用称重法控制土壤相对含水量；钙处理两个水平，分别为0 mmol·L-1(对照)、10 mmol·L-1CaCl2溶液，共6个处理，每组处理重复6次。进行干旱胁迫处理的同时，用不同浓度CaCl2溶液喷施甘草叶片2 d，每天早晚各喷施1次，时间为上午9：00和下午6：00，以叶片湿润而不滴水为标准。喷施CaCl2溶液7 d后，采集生长健康、无病虫害叶片，液氮冷冻，-80 ℃保存，用于抗氧化酶活性及丙二醛含量的测定。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 抗氧化酶活性及丙二醛测定 采用氮蓝四唑(NBT)法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性，采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性，采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量[10]。

1.3.2 光合生理指标测定 喷施CaCl2溶液7 d后，在上午9：00—11：00采用美国PP System公司生产的TPS-2便携式光合仪测定叶片中净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度，采用SPAD-502型叶绿素计测定叶绿素相对含量。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0软件对试验数据进行统计分析，对组间数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，采用Duncan法进行差异统计学意义分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 外源钙对干旱胁迫下甘草叶绿素含量的影响

叶绿素是植物进行光合作用中光能吸收和传递的重要物质。由图1可以看出，甘草叶片叶绿素含量随着干旱胁迫程度的增加持续下降；施用外源钙后，各干旱胁迫下甘草叶片叶绿素含量均有不同程度的提高，在轻度、中度干旱胁迫下，施用外源钙的甘草叶片叶绿素含量较对照增加4%和5%，差异无统计学意义(P>0.05)。表明适宜浓度的外源钙能提高干旱胁迫下甘草叶片叶绿素含量。

注：LS.轻度胁迫，MS.中度胁迫，HS.重度胁迫；不同大写字母表示未施钙处理间差异具有统计学意义(P<0.05)；不同小写字母表示施钙处理间差异具有统计学意义(P<0.05)；ns表示同一干旱处理下未施钙与施钙间差异不具有统计学意义(P>0.05)；下同。图1 外源钙对干旱胁迫下甘草叶绿素含量的影响

2.2 外源钙对干旱胁迫下甘草光合特性的影响

光合作用与植物的生长发育、产量形成以及次生代谢产物的合成积累关系密切[11]。从图2可以看出，随着干旱胁迫程度的加重，甘草叶片净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度均呈先上升后下降趋势，中度和重度胁迫下净光合速率显著高于轻度胁迫(P<0.05)。施用外源钙后，不同干旱胁迫处理甘草叶片净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度均明显升高，轻度胁迫下叶片净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度显著高于对照(P<0.05)。蒸腾速率随着干旱胁迫程度的加重呈下降趋势。施用外源钙后，不同干旱胁迫处理甘草叶片蒸腾速率均有不同程度升高，轻度胁迫下蒸腾速率显著高于对照(P<0.05)。说明外源钙在不同干旱胁迫下可使甘草叶片的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率升高，从而提高甘草光合气体交换能力，减轻干旱胁迫对甘草生长造成的伤害。

注：A.净光合速率；B.气孔导度；C.胞间CO2浓度；D.蒸腾速率；*表示同一干旱处理下未施钙与施钙间差异不具有统计学意义(P<0.05)；下同。图2 外源钙对干旱胁迫下甘草光合特性的影响

2.3 外源钙对干旱胁迫下甘草抗氧化酶活性的影响

SOD、POD、CAT是清除植物体内活性氧的3种重要的抗氧化保护酶，能及时有效地清除代谢过程产生的活性氧，保护细胞膜系统免受活性氧的伤害[12]。干旱胁迫下，外源钙对甘草抗氧化酶活性均产生影响(见图3)。甘草叶片SOD、POD活性随着干旱胁迫程度的增加呈先增加后下降的趋势；施用外源钙后，甘草叶片SOD、POD活性有不同程度的提高，表现出相似的变化趋势，在轻度胁迫时施用外源钙的POD活性显著高于对照(P<0.05)。与SOD和POD活性的变化规律不同，甘草叶片CAT活性随着干旱胁迫的增加呈上升趋势，且处理间差异不具有统计学意义(P>0.05)；施用外源钙后，甘草叶片CAT活性在中度胁迫和重度胁迫明显上升，在重度胁迫下CAT活性显著高于轻度和中度胁迫(P<0.05)；与对照组相比分别上升了28%和49%，差异无统计学意义(P>0.05)。可见，外源钙能明显增加SOD、POD、CAT这3种酶活性，避免活性氧大量积累，减轻细胞膜受到伤害。表明外源钙可通过提高保护酶系统活性而缓解干旱胁迫对甘草生长造成的伤害。

注：A.SOD活性；B.POD活性；C.CAT活性。图3 外源钙对干旱胁迫下甘草抗氧化酶活性的影响

2.4 外源钙对干旱胁迫下甘草MDA含量的影响

MDA是植物细胞膜脂过氧化反应最主要的产物之一，能引起细胞膜代谢紊乱，其含量高低反映了植物受损伤的程度[13]。由图4可以看出，甘草叶片MDA含量随着干旱胁迫程度的增加升高，说明干旱胁迫下甘草叶片的细胞膜受到了不同程度的损坏。施用外源钙后，甘草MDA含量与对照相比有所下降，不同干旱胁迫下分别下降了17.6%、13.5%及11.9%。表明外源钙可以减少甘草叶片细胞膜脂过氧化产物MDA的积累，缓解了干旱胁迫对甘草叶片细胞膜造成的伤害。

图4 外源钙对干旱胁迫下甘草MDA含量的影响

3 结论与讨论

干旱作为制约植物生长发育的主要逆境因素之一[4]，对植物的影响主要体现在生长、生理、光合等指标的改变。钙不仅是植物生长发育所必需的营养元素，对于植物稳定细胞壁和细胞膜、产生体内酶与调控活性具有非常重要的作用[13]，也是植物的第二信使，参与植物体内的多种生理活动[5]。研究表明，植物可以通过提高体内的保护酶活性、渗透调节物质等来减轻干旱胁迫带来的伤害；施加适宜浓度的外源钙可以进一步升高植物体内保护酶活性，降低蒸腾速率，维持植物生长、生理和光合能力，增强植物对干旱的适应能力[14]。干旱胁迫条件下(土壤含水量50%和35%)，用10 mmol·L-1CaCl2浸种处理，提高了苜蓿叶片相对含水量、叶绿素含量及POD活性，降低了细胞膜透性[15]。陈莹等[16]研究表明，施加外源钙能缓解干旱胁迫对木豆种子造成的伤害，提高木豆苗期抗旱能力。

光合色素是叶片进行光合作用的物质基础，植物叶片中叶绿素含量的多少决定了其光合作用的强弱和光合速率的高低[17]。本研究中，甘草叶片叶绿素含量随着干旱胁迫程度的增加呈下降趋势，这与在干旱胁迫时水稻叶绿素含量持续下降的研究结果一致[18]，可能是甘草通过降低叶片中叶绿素含量从而使其免受干旱胁迫伤害的一种生理反应。植物依靠光合作用来积累同化物和能量，光合作用的强弱通过净光合速率来表示。本研究中，甘草叶片净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度均随着干旱胁迫程度的加剧呈先上升后下降趋势，蒸腾速率呈下降趋势，表明重度干旱胁迫导致甘草叶片气孔关闭，减少植物水分的蒸腾，进而导致通过气孔进入叶片的CO2减少，降低光合效率。施用外源钙后，甘草叶片叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率在各干旱胁迫下均有不同程度提高，表明Ca2+维持了叶片叶绿素的合成，参与了调节和控制气孔运动，增加了叶片的气孔导度及蒸腾速率，改善了CO2的供应，进而提高了叶片的光合速率。

植物受到逆境胁迫时体内会产生大量的活性氧，若不能及时清除活性氧，就会对植物的生物膜系统造成破坏，进而严重伤害植株。MDA含量的高低反映了干旱胁迫对生物膜的破坏程度[19]。本研究中，甘草叶片MDA含量随着干旱胁迫程度的加剧持续升高，而施用外源钙后，各干旱胁迫下甘草MDA含量与对照相比均有所下降，表明外源钙能在一定程度上减缓干旱胁迫对细胞膜造成的伤害。此外，甘草抗氧化酶活性随着干旱胁迫的增加表现为：SOD、POD活性呈先增加后下降的趋势，CAT活性呈上升趋势。而施用外源钙后，干旱胁迫下甘草叶片SOD、POD、CAT活性有所提高，在轻度胁迫时施钙的POD活性显著高于对照(P<0.05)，表明外源钙可有效调节活性氧代谢的平衡，抵御来自环境的氧化胁迫，这也是甘草适应干旱逆境的一个重要生理机制。

因此，外源钙可使干旱胁迫下甘草叶片的叶绿素含量增加，净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度提高，MDA含量下降及抗氧化酶活性升高，以缓解干旱胁迫对甘草造成的伤害，增强甘草对干旱胁迫的适应能力。但甘草对干旱胁迫的适应是一个十分复杂的生理生化过程，其生理指标的变化与形态结构的变化是密不可分的，其抗旱机理还有待于进一步深入研究。