干旱胁迫对箭叶淫羊藿生理生化的影响

许彩丽， 周易籼森， 谢乔颖， 徐庆国， 王旭军

(1. 湖南农业大学农学院， 湖南 长沙 410128； 2.中南林业科技大学林学院， 湖南 长沙 410004； 3.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

箭叶淫羊藿Epimediumsagittatum(Sieb.et Zucc.) Maxim.为小檗科Berberidaceae淫羊藿属EpimediumL.多年生草本植物，俗名三枝九叶草、仙灵脾等，广泛分布于湖南、湖北、江西等地，生长在海拔200～1 750 m的山坡草丛、林下、灌丛、水沟边或岩边石缝中，与淫羊藿、朝鲜淫羊藿和柔毛淫羊藿等的干燥叶均为《中国药典》中药材淫羊藿的基源植物，具补肾阳、强筋骨、祛风湿等功效，临床上主要用于治疗骨质疏松、更年期综合征、高血压、冠心病等[1-4]。现代药理研究还表明，箭叶淫羊藿中的黄酮类化合物对肺癌、肝癌和白血病等病症具有积极疗效，从而进一步增加了淫羊藿药材的社会需求量，由于其种植技术尚未发展成熟，导致箭叶淫羊藿的野生资源不断减少[5-7]。目前关于箭叶淫羊藿的研究主要集中于化学成分、药理作用和新药开发等方面[8]，而关于其规范化的栽培技术研究和生理生态方面的研究报道少见。作者前期研究结果表明，中度干旱胁迫处理( 60%～65% )下的箭叶淫羊藿生长较好[9]。本文进一步测定了不同干旱胁迫处理下箭叶淫羊藿叶片叶绿素、抗逆性酶和丙二醛等生理生化指标的变化规律，以期为箭叶淫羊藿规范化栽培提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点设在湖南省长沙市雨花区国家林下经济示范基地(113°01′30″E， 28°06′40″N)，海拔60～80 m。该地区属于中亚热带季风性湿润气候，四季分明，年平均气温17.2 ℃，年均日照1 496～1 550 h、无霜期264 d，年降水量1 400～1 900 mm。土壤为地带性第四纪红壤，土壤的成土母岩为第四纪网纹层母质， pH值为4.5～5.5。

1.2 试验材料

2019年1月，在下口直径为10 cm、上口直径为15 cm、高度为14 cm的塑料盆中种植生长良好且生长趋势基本相同的箭叶淫羊藿植株，并将其置于避雨棚。

1.3 试验设计

2019年8月，盆栽中的箭叶淫羊藿植株恢复生长后进行干旱胁迫试验。干旱胁迫试验采用完全随机区组设计，重复3次，参照赵丽萍等[10]研究设置3个不同处理：对照组CK、轻度干旱胁迫T1和重度干胁迫T2，其土壤含水量分别为田间最大持水量的70%～75%、60%～65%和50%～55%。

根据箭叶淫羊藿一年三出复叶的特点，以当年成熟复叶的中间叶为试验叶进行测定。2019年8月1日至9月4日，每7天取样1次。共取样5次。

1.4 测定指标与方法

叶绿素含量和丙二醛(malondialdehyde， MDA)含量测定参照李合生[11]的方法，采用苏州科铭生物技术有限公司的过氧化物酶(peroxidase， POD)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase， SOD)试剂盒分别测定POD和SOD活性。

1.5 数据处理与统计分析方法

采用Microsoft Excel 2016、SPSS 19.0和Prism 6进行数据处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对箭叶淫羊藿叶绿素含量的影响

叶绿素含量的高低直接影响到植物的光合能力，是反映植物叶片生理活性变化的主要指标之一，干旱胁迫则会影响植物叶绿素含量的变化，进而影响植物的光合作用[12-13]。

由图1可知，处理前期，箭叶淫羊藿干旱胁迫T1和T2处理的叶绿素含量低于CK处理，但并无显著差异；随着处理时间的增加，处理中期T1和T2处理的叶绿素整体显著高于CK处理(P<0.05)；在处理后期，处理T1显著低于CK处理且显著高于T2处理，处理T2显著低于CK和T1(P<0.05)。在干旱胁迫处理过程中，箭叶淫羊藿叶片中的叶绿素含量变化从整体上看，走势为先升后降，说明干旱胁迫会使箭叶淫羊藿叶绿素含量发生变化，影响其生成。

2.2 干旱胁迫对箭叶淫羊藿过氧化物酶(POD)活性的影响

POD是细胞活性氧保护酶系统的成员之一，其作用是清除H2O2，保护植物体免受伤害[14]。从图2可以看出，在8月21日之前，各处理的POD活性无显著差异；随着处理时间的延长，在处理中期，处理T1的POD活性与处理CK无显著差异，但高于处理CK，而处理T2的POD活性显著高于处理CK和T1，说明随着干旱胁迫时间的延长和程度的增加，箭叶淫羊藿细胞膜系统遭受到的伤害程度也逐渐加大，植物通过增加POD 活性来降低自由基大量产生造成的过氧化伤害；在8月21日之后，处理T1和T2的POD活性迅速下降，8月28日与8月21日相比POD活性分别下降86.38%和93.48%，9月4日与8月21日相比POD活性分别下降96.05%和99.41%，8月21日之后的POD基本无活性，且均显著低于处理CK，处理T2与T1无显著差异，但T1的POD活性较高于T2，胁迫处理的POD变化趋势与夏鹏云等[15]在大叶冬青叶片的研究中S3处理相似，但箭叶淫羊藿的下降要更加剧烈。表明在长时间的干旱胁迫条件下，植物细胞忍受活性氧的程度很有可能存在阈值，一旦超过了这个阈值，将会使植物遭受到极大的伤害[15]。

2.3 干旱胁迫对箭叶淫羊藿超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

细胞在维持正常生长和发育的过程中，离不开起着着非常重要作用的自由基清除剂SOD[16]。从图3可以看出，随着处理时间的延长，3个处理水平 SOD 活性表现趋势不同。CK处理与T2处理SOD 活性走势一致，均为先迅速上升后急剧下降，8月21日达到峰值，处理CK与T2在各个处理时期均无显著差异；T1处理中的SOD 酶活性不断增强，在处理前期和CK处理无显著差异，在处理后期却显著高于处理CK和T2。说明，在8月21日之前，植物激活并不断产生SOD清除大量的自由基；在8月21日之后，随着胁迫时间的增加，T2处理的箭叶淫羊藿植株受到伤害，SOD的产生受到抑制，T2处理SOD 活性开始并持续降低；T1处理的箭叶淫羊藿能够继续产生SOD来清除干旱胁迫产生的自由基，降低伤害。

2.4 干旱胁迫对箭叶淫羊藿丙二醛(MDA)含量的影响

MDA作为膜脂过氧化作用的最终产物，可以和酶结合、交联使酶失活，从而破坏生物膜的结构和功能，膜脂过氧化强弱一般用于表示评价逆境下自由基对细胞膜的伤害度，细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的高低，也是膜系统受伤害的重要标志之一[17-18]，MDA含量越高，膜被伤害程度越重。

由图4可知，3个处理水平丙二醛含量的变化趋势整体上是一致的，呈双峰型，均为有规律地上下波动。随着处理时间的增加，MDA含量开始不断增加，8月21日MDA含量下降，此时保护酶POD和SOD活性增加，说明POD和SOD同时作用，在受到干旱胁迫后箭叶淫羊藿植株进行自我调整；随胁迫时间的增加，各胁迫处理的MDA含量继续增多，说明干旱胁迫对箭叶淫羊藿植株的影响增大，使得箭叶淫羊藿叶片中的保护酶活性降低，进而活性氧大量积累，膜脂过氧化严重，MDA含量增多；最后通过再次调节使得MDA含量在9月4日下降，处理T1的MDA含量显著低于处理CK、T2，说明干旱胁迫对细胞膜产生了一定的伤害，但箭叶淫羊藿植株仍能通过自我调整降低伤害，且处理T1的受伤害程度低于对照处理CK和处理T2。

3 讨论

3.1 干旱胁迫对箭叶淫羊藿叶绿素含量的影响

光合色素不仅作为植物将无机物变成有机物的关键介质，而且也是反映植物光合能力和营养作用的重要指标之一，光合色素含量与各组分之间的比例对植物光合作用影响很大，并在一定程度上影响植株的正常生长及抗逆性[19]。

有研究表明，干旱胁迫导致植物叶片上的气孔关闭或植物叶肉细胞损伤、光合酶的活性降低，活性氧大量积累，抑制叶绿素的合成，破坏叶绿体结构，加速其分解，引起叶绿素含量降低，光合速率降低，影响对光能的吸收和利用[20-22]。

王铭涵等[23]和沈思言等[24]对茶树研究结果表明干旱胁迫下叶绿素含量增高，而郭春芳[25]和刘玉英等[13]对茶树的研究结果表明干旱胁迫下叶绿素含量减少。本研究中，干旱胁迫处理下的箭叶淫羊藿叶绿素整体呈先升高后降低的趋势，分析可能是土壤体积含水量和箭叶淫羊藿叶片的相对含水量在干旱胁迫处理前期时均下降到较低水平，叶片中的叶绿素表现为浓缩状态，使得单位叶鲜重中叶绿素含量增加，随着干旱胁迫时间的延长和程度的增加，箭叶淫羊藿细胞内生理生化发生改变，叶绿体小部分降解，并且进一步抑制了部分叶绿素合成酶的活性，使叶绿素合成受阻，导致叶绿素合成量明显降低。这与曲东等[26]人进行的干旱胁迫下硫对玉米叶绿素含量的影响研究结果一致。在处理后期重度干旱胁迫下叶绿素合成量显著低于中度和对照组，重度干旱胁迫下箭叶淫羊藿植株叶绿素合成受胁迫影响最大，中度干旱胁迫影响较小。

3.2 干旱胁迫对箭叶淫羊藿SOD、POD 活性和MDA 含量的影响

当植物在无胁迫环境中生长，细胞中自由基的产生和清除表现为动态平衡；在干旱胁迫下，植物体内积累过量的活性氧自由基，引发细胞膜脂过氧化，终产物 MDA 含量增加，细胞膜的完整性被破坏，细胞代谢紊乱，植物组织造成损伤，为了缓解干旱胁迫下引起的伤害，体内会迅速启动抗氧化的消除系统，激发SOD、POD等保护酶[17，27]。本研究中，箭叶淫羊藿POD、SOD保护酶活性和MDA含量在干旱胁迫处理期间均有变化，POD活性总体趋势为先升高后下降，这与贾鑫等[27]人对蒙古黄芪的研究结果与张翠梅等[28]人对苜蓿的研究结果基本一致；SOD活性除处理T1为持续上升外，处理CK与处理T2均先增加后降低，MDA含量的三个处理均呈双峰曲线。

当干旱胁迫发生时，箭叶淫羊藿为了避免细胞膜遭受氧化伤害，激发保护酶，在一定程度上能提高保护酶 SOD和POD的活性，积极应对干旱胁迫形成的威胁，缓解自由基大量产生而造成植物细胞过氧化损伤，但是箭叶淫羊藿植株的POD、SOD仅在一定范围上保持有清除自由基的能力，在长时间和重度干旱胁迫下，箭叶淫羊藿植株的保护酶 SOD和POD活性最后均逐渐降低，其抗氧化能力将逐渐衰退；而中度干旱胁迫下的箭叶淫羊藿植株仍然能够激发保护酶，继续积极应对干旱胁迫。

MDA含量对SOD活性有抑制作用，抑制效应与MDA含量成正比，随着MDA含量的增大抑制效应而增强[29]。在干旱胁迫处理时，MDA整体上不断积累且不可逆地抑制 SOD活性，中度干旱胁迫处理T1在处理中后期MDA含量较重度干旱胁迫处理T2小，对处理T1的SOD活性抑制度不够强，处理T1的SOD曲线持续增加；重度干旱胁迫处理T2中高浓度MDA抑制SOD活性，SOD曲线降低，这可能是SOD活性与POD活性变化趋势在干旱胁迫处理过程中不一致的原因。而对照组CK的MDA含量始终高于干旱胁迫处理，暗示了除了膜脂过氧化作用以外，在植物生长过程中还有别的生理过程参与质膜透性的改变。

4 结论

箭叶淫羊藿干旱胁迫处理下叶绿素含量均受到影响，且重度干旱胁迫处理的箭叶淫羊藿植株叶绿体降解较为严重，抑制了部分叶绿素合成酶的活性，叶绿素明显降低。POD、SOD保护酶和MDA有协同作用，能够通过自我调节来应对不利环境，减少损伤，中度干旱胁迫下的箭叶淫羊藿植株仍然能够激发保护酶、继续积极应对干旱胁迫，而重度干旱胁迫处理较中度干旱胁迫处理膜脂过氧化作用强，重度干旱胁迫处理受到的伤害最大。