干旱胁迫对紫苏生长及品质的影响

2020-06-30易家宁王康才张琪绮董雨青毛晓敏邓艳婷

核农学报 2020年6期

易家宁王康才张琪绮董雨青毛晓敏邓艳婷

(南京农业大学中药材研究所，江苏南京 210095)

随着全球变暖，水资源逐渐匮乏，干旱地区范围不断扩大，植物也因此受到不同程度的干旱胁迫。植物在受到环境胁迫时，会通过调节自身状态以及合成一些代谢物质，减轻胁迫伤害，增强环境适应能力。研究发现，茶菊中丙二醛(malondialdehyde，MDA)、脯氨酸(proline，Pro)、可溶性蛋白含量均随着干旱胁迫程度增加而增加[1]；水分胁迫抑制蒙古黄芪地上部分的生长，且胁迫程度越大，抑制越明显，但在轻度水分胁迫下，其根长及根生物量均有明显增加[2]。植物的次生代谢是植物在长期进化过程中对生态环境适应的结果，适度的环境胁迫会促进植物合成次生代谢产物，如Azhar 等[3]和Wang 等[4]研究发现，在干旱胁迫下，印度藏茴香中总酚的分泌量会增加；玄参中环烯醚萜类的合成量也会增加。

紫苏[Perilla frutescens(L.) Britt]为唇形科紫苏属一年生草本植物，药用部位为种子、叶片以及干燥茎。紫苏子主要的功效为降气化痰，止咳平喘，润肠通便；其叶片具有解表散寒、行气和胃的功效；苏梗具有理气宽中，止痛，安胎的功效[5]。同时，紫苏叶片还可食用，可解鱼蟹毒。研究表明，紫苏叶的活性成分为挥发油，药理学作用主要有抗炎、抑菌、抗氧化等[6]。近年来，随着紫苏药材需求量的逐渐增加，其栽培面积不断扩大。然而在栽培过程中发现，紫苏的生长易受干旱天气的影响。目前对紫苏的研究主要集中在紫苏的药理和化学方面，关于干旱胁迫对紫苏生长及活性成分影响的研究却少有报道。因此，本试验以紫苏实生苗为材料，研究干旱胁迫对紫苏生长及品质的影响，以期在干旱条件下，为紫苏规范化栽培与管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试种子材料采自河北安国，经南京农业大学王康才教授鉴定为唇形科紫苏[Perilla frutescens(L.)Britt]。

1.2 试验设计

试验在南京农业大学日光温室内进行。 2018 年4月27 日进行紫苏种子育苗，育苗基质是蛭石和营养土体积比为1 ∶1的混合基质。待紫苏幼苗长至四叶一心后，于2018 年5 月8 日移栽至直径25 cm、高22 cm 的塑胶盆中，每盆3 株，栽种深度5 cm。栽培基质是蛭石、营养土和珍珠岩体积比为4 ∶2 ∶1的混合基质。待紫苏长至25 cm 后，采用盆栽控水方法[7]，对紫苏进行干旱胁迫处理。本试验设置3 个干旱胁迫处理:轻度胁迫，土壤相对含水量(soil relative water content，RWC)为田间持水量的65%～70%；中度胁迫，RWC 为45%～50%；重度胁迫，RWC 为25%～30%，每个处理10 个重复。以正常供水为对照(CK)，RWC 为85%～90%。

干旱胁迫于6 月27 日开始进行，每天17:30 采用TDR100 土壤水分速测仪(美国SPectrum)测定土壤含水量，补充当天消耗的水分，使RWC 维持在设定范围内，共处理35 d，生理指标于处理21、28、35 d 时测定，生物量及品质指标于处理35 d 后统一测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 紫苏叶片相关生理指标测定超氧物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氮蓝四唑法测定，MDA 含量采用硫代巴比妥酸法测定，过氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶(catalase，CAT)活性采用高锰酸钾滴定法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定，可溶性糖含量采用3，5-二硝基水杨酸测定还原糖法测定，相对电导率采用CT303 电导仪(深圳市柯迪达电子有限公司)测定[8]。

1.3.2 紫苏地上部生物量测定于7 月31 日测量紫苏株高、茎粗，采收后，每个处理随机选取6 株，清洗干净，称量单株地上部鲜重，然后于105℃杀青15 min，60℃烘干至恒重后，称其干重。

1.3.3 紫苏挥发油含量及化学成分测定挥发油的测定参照《中国药典》[5]。将阴干后的紫苏粉碎过20目筛，称取粉末50 g，置于1 000 mL 圆底烧瓶中，提取挥发油5 h，读取挥发油体积，加适量无水硫酸钠对挥发油进行干燥，求其得油率。

气相质谱联用 ( gas chromatography mass spectrometer， GC-MS)色谱条件[9]:色谱柱为HP-5 石英毛细柱(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)，进样温度280℃，初始温度60℃，以5℃·min-1升至260℃，载气为高纯氦气，进样量1 μL，分流比100 ∶1。质谱条件:电离方式为EI，离子源温度200℃，电子能量70 eV，检测电压0.8 kV，扫描范围40～450 amu。定性分析根据各色谱峰对应的质谱图经GC-MS Solution 色谱工作站数据处理系统检索进行定性，质谱数据库为NIST11 谱库。各组分的相对含量根据总离子流图由计算机采用峰面积归一化进行计算。

1.3.4 数据分析采用Excel 2013 和SPSS 20.0 软件对数据进行分析，LSD 法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对紫苏抗氧化酶活性的影响

干旱胁迫对紫苏抗氧化酶活性有显著的影响。由图1-A 可知，随着胁迫程度的加重，SOD 活性呈先升高后降低的趋势，在中度胁迫达到最大值，为118.006 U·g-1·min-1。随着胁迫时间的延长，各胁迫SOD 活性开始减弱；重度胁迫处理35 d 后，SOD 活性显著低于CK。由图1-B 可知，CAT 活性在轻度和中度胁迫下保持着较高水平，在中度干旱胁迫下达到最大值，此外，CAT 活性随着胁迫时间的延长而降低。重度胁迫处理35 d 后的CAT 活性显著低于CK。由图1-C 可知，与CK 相比，轻度和中度胁迫前期POD 活性有一定程度的增加，并随着胁迫时间的延长而降低，但在重度胁迫下，POD 活性显著低于CK。

2.2 干旱胁迫对紫苏MDA 含量和相对电导率的影响

由图2 和图3 可知，干旱胁迫对紫苏MDA 含量及相对电导率有显著影响。 MDA 含量和相对电导率均随着干旱胁迫程度的加重而逐渐升高，并随着胁迫时间的延长逐渐升高。二者都在重度胁迫处理35 d 后达到最大值，MDA 含量最高为2.589 μmol·g-1，相对电导率最大值为62.59%。

2.3 干旱胁迫对紫苏叶片渗透调节物质的影响

在干旱胁迫下，紫苏叶片的渗透调节物质含量发生了明显变化。在图4-A 中，Pro 含量在轻度和中度胁迫下显著高于CK，中度胁迫处理21 d 时达到最大值，为13.662 mg·g-1；之后随着胁迫时间的延长，Pro含量开始下降。重度胁迫处理21 d 时Pro 含量较CK有一定程度的升高，处理35 d 后，其含量显著低于CK。由图4-B、C 可知，随着胁迫程度的加重，可溶性糖和可溶性蛋白含量均表现为先增加后减少；此外，在轻度和中度胁迫下，随着胁迫时间的延长，可溶性糖含量出现明显的下降趋势；在重度胁迫下，随着胁迫时间的延长，可溶性蛋白含量显著下降，并在处理35 d 后显著低于CK。

2.4 干旱胁迫对紫苏地上部生长的影响

图1 干旱胁迫对紫苏抗氧化酶活性的影响Fig.1 Effect of drought stress on antioxidant enzyme activity of P. frutescens

由表1 可知，经过35 d 的胁迫处理后，在不同程度干旱胁迫下，紫苏地上部生物量有显著差异。株高和茎粗均随着胁迫程度的加重而减小，株高在重度胁迫下达到最小值，为70.817 cm，与CK 相差达28.583 cm，降低29%。茎粗和株高变化趋势相似，在CK 达到最大值，为5.873 cm，重度胁迫下其茎粗最小，为3.672 cm。干鲜比的趋势则与株高和茎粗相反，随着胁迫程度的加重而增大，并在重度胁迫下达到最大值，为0.526，CK 的干鲜比最小。

图2 干旱胁迫对紫苏MDA 含量的影响Fig.2 Effect of drought stress on MDA content of P. frutescens

图3 干旱胁迫对紫苏电导率的影响Fig.3 Effect of drought stress on conductivity of P. frutescens

表1 干旱胁迫对紫苏地上部分生物量的影响Table 1 Effect of drought stress on P. frutescens biomass

2.5 干旱胁迫对紫苏叶片挥发油主要成分含量的影响

图4 干旱胁迫对紫苏脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量的影响Fig.4 Effect of drought stress on Pro， soluble protein，soluble sugar content of P. frutescens

由表2 可知，紫苏叶片挥发油主要成分律草烯和石竹烯相对含量以CK 最高，分别为1.051% 和12.764%，二者均随着干旱胁迫程度的加重逐渐减小；芳樟醇的相对含量在重度胁迫下最高，CK 最低；紫苏酮相对含量在轻度胁迫下最高，达到69.491%。挥发油总含量随着胁迫程度的加重呈先升高后降低的趋势，在轻度胁迫下达到最大值。

3 讨论

3.1 干旱胁迫对紫苏抗氧化酶活性的影响

SOD、POD 和CAT 共同组成了植物的保护酶系统。 SOD 是清除自由基的关键酶，通过与活性氧发生歧化作用，减少活性氧与植物生物大分子物质发生氧化作用，缓解植物的胁迫伤害[10]。 POD 和CAT 能够协助SOD 清除活性氧自由基，也是植物抗性指标之一[11]。细茎石斛在短时间干旱胁迫下，其CAT 活性明显降低，但POD 活性明显增加[12]。刘金龙等[13]研究发现，短期胁迫下，SOD、POD、CAT 均能够有效清除蒙古冰草、蒙农杂种冰草、沙生冰草、新麦草以及无芒雀麦叶片中的过氧化物，维持其正常的生理活动，但随着胁迫时间的延长，叶片SOD、POD、CAT 活性开始降低，牧草对干旱胁迫的抵抗能力也开始下降。牛素贞等[14]对喀斯特地区野生茶树幼苗进行干旱胁迫研究，发现SOD 活性随着胁迫程度的加重呈先增加后逐渐减弱的趋势，POD 活性则呈持续增加的趋势。本研究发现，随着干旱胁迫程度的加重，紫苏叶片中SOD、POD 和CAT 活性都呈先升后降的趋势，且POD 活性随着胁迫时间的延长差异不明显，而SOD、CAT 活性则随着胁迫时间的延长逐渐降低。表明在短时间干旱环境下，紫苏可通过增强自身抗氧化酶活性有效地清除体内自由基，维持其正常生长。但长时间干旱胁迫会导致紫苏体内活性氧的形成和清除系统的平衡被打破，致使抗氧化酶的结构与功能遭到破坏，活性显著下降。这与郭鹏辉等[15]的研究结论一致。

表2 干旱胁迫对紫苏叶片挥发油主要成分含量的影响Table 2 Effect of drought stress on the relative content of chemical component in P. frutescens leaves oil /%

3.2 干旱胁迫对紫苏MDA 含量和相对电导率的影响

作为细胞膜脂过氧化的主要产物之一，MDA 可以衡量植物受逆境伤害的程度。相对电导率是衡量细胞膜稳定性的一个重要指标。邓辉茗等[16]研究发现，在干旱条件下，绵毛水苏叶、根的相对电导率和MDA 含量均较CK 显著升高。裴斌等[17]对沙棘进行研究发现，随着土壤干旱胁迫逐渐加重，沙棘叶片的MDA 含量表现出逐级递增趋势；季杨等[10]研究发现，干旱条件下2 种基因型鸭茅根系及叶片的MDA 含量和电导率均显著升高。贾文杰等[18]对东方百合研究发现，在干旱胁迫前期，MDA 含量无显著变化，但在干旱处理12 d 后，MDA 含量开始迅速增加。本研究结果表明，随着干旱胁迫程度的加重，紫苏叶片的MDA 含量和电导率较CK 显著上升，说明干旱对紫苏造成了胁迫伤害。在中度和重度胁迫条件下，随着胁迫时间的延长，其MDA 含量及电导率进一步显著上升，这可能是随着胁迫处理时间的延长，紫苏抗氧化酶活性下降导致的。

3.3 干旱胁迫对紫苏叶片渗透调节物质的影响

渗透调节是植物适应不良环境的重要调节机制，当受到外界环境胁迫时，植物通过主动积累渗透调节物质来改变渗透势，从而降低水势，维持细胞膨压[19]。植物体内重要的渗透调节物质主要包括Pro、可溶性糖、可溶性蛋白等。有研究表明，随着干旱胁迫时间的延长，2 种基因型鸭茅根系及叶片的渗透调节物质可溶性糖和游离Pro 不断积累，而可溶性蛋白含量则呈先上升后下降趋势[10]。苗期芝麻的Pro 含量则随着土壤水分含量的增加呈先下降后上升的变化趋势，并且随着处理时间的延长，各水分处理下其Pro 含量逐渐增加[20]。靳军英等[21]对牛鞭草、高丹草、拉巴豆3种牧草进行研究发现，干旱胁迫大幅度增加了3 种牧草的Pro、可溶性蛋白及可溶性糖含量。本研究发现，在干旱胁迫处理21 d 时，随着胁迫程度的增加，紫苏叶片的Pro、可溶性糖、可溶性蛋白含量呈先升后降的趋势，之后随着胁迫时间的延长，各渗透调节物质含量均下降。表明紫苏在短时间干旱条件下，可通过调节渗透物质来维持细胞内外的渗透压，保持植物的正常生长。

3.4 干旱胁迫对紫苏地上部生长的影响

逆境胁迫下，植物会通过改变形态适应环境的变化。植株的生物量可作为衡量植物抗旱性的一个指标。研究发现，黄茅在轻度干旱胁迫下快速生长，而重度胁迫则会对黄茅产生负面影响。黄茅地上部生物量随着胁迫程度的增加而减小[22]。一年生文冠果幼苗在干旱胁迫下，其地上部生物量、根生物量以及总生物量均显著下降[23]。刘长利等[24]发现，随着干旱胁迫程度的加重，甘草地上地下各器官生长均受到抑制，但对地上器官的生长抑制更加明显。谢瑞娟等[7]研究发现，荩草在轻度干旱胁迫下叶生物量显著下降，在重度干旱胁迫下降为对照组的40%。本研究中，紫苏地上部分株高和茎粗随着胁迫程度的加重而减小，干鲜比逐渐上升，说明干旱胁迫会抑制紫苏生长。

3.5 干旱胁迫对紫苏叶片挥发油主要成分含量的影响

干旱胁迫在一定程度上会促进植物分泌次生代谢产物[25]。研究表明，柴胡在中度水分胁迫会增加下柴胡皂苷a 和b 的含量[26]；随着干旱胁迫的加剧，百里香的干物质产量大幅下降，但其精油含量却增加，且在轻度干旱胁迫下植物获得的精油产量最高[27]；在不同水分灌溉条件下，莳萝的挥发油含量有明显差异，且在中度干旱胁迫中获得的挥发油比例最高[28]。本试验发现，胁迫处理35 d 后，不同干旱程度对不同活性成分的影响不一，紫苏酮含量轻度胁迫下较高；而芳樟醇含量在重度胁迫下最高。但紫苏叶片挥发油总含量在轻度胁迫下达到最大值。结果表明适度的干旱胁迫能够刺激紫苏次生代谢产物的合成及积累，有利于紫苏药材品质的提高，这与Cheng 等[29]关于黄芩的研究结果类似。