稀土微肥对干旱胁迫下黄芪幼苗生理特性的影响

韩多红，王恩军，张 勇

(1. 河西学院 生命科学与工程学院，甘肃 张掖 734000； 2. 甘肃省河西走廊特色资源利用省级重点实验室，甘肃 张掖 734000)

现代农业中，干旱胁迫成为限制农作物产量和质量的重要危害之一，特别是近几年气候变化使现在的干旱强度增强和频率升高，严重影响了正常的农业生产[1]。黄芪是一种药食同源植物，药典中规定蒙古黄芪(Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge.var.mongholicus(Bge.)Hsiao)或膜荚黄芪(Astraglusmembranaceus(Fisch.)Bge.)的干燥根入药，为中药材黄芪[2]。目前，我国的黄芪种植区域主要在东北、华北及西北等地区。但大部分北方地区干旱频发，严重影响和制约了我国大宗中药材黄芪的生长和生产，因此研究提高黄芪对干旱环境的适应性，增强其抗旱性对实际生产具有重要意义。

稀土微肥(Rare earth elements，REE)是稀土元素(原子序数从57到71的镧系元素，以及与镧系元素性质极为相似的钇、钪等共17种元素)肥料的简称[3]。近年来，REE已广泛应用于农业领域，实践表明REE可促进植物生长发育，提高种子萌发能力，增加产量，增强抗逆性。研究表明，适量的REE可促进植物的生长发育[4]，缓解重金属胁迫[5]，提高耐盐性[6-7]，抗旱性[8]，减轻酸雨的胁迫毒害作用[3]等。目前，关于REE调控植物生长的研究主要集中在农作物上，但在中药材方面的研究还未见报道。本试验以蒙古黄芪和膜荚黄芪为材料，研究根施REE对干旱胁迫下黄芪幼苗生理指标的影响，探讨REE缓解干旱胁迫的调节机制，以期为干旱半干旱地区黄芪的种植提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

蒙古黄芪和膜荚黄芪种子于2019年10月采自甘肃省张掖市诚泰药业有限公司黄芪种植基地大田中，自然阴干备用。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设置处理

供试REE为水溶肥，由包头市华农士稀土肥业有限公司提供(稀土含量≥38%)。利用10%的PEG-6000模拟干旱胁迫，试验共设置6个处理：CK(蒸馏水)、P(PEG 10%)、Tl(PEG 10%+REE0.05%)、T2(PEG 10%+REE0.15%)、T3(PEG 10%+REE0.30%)、T4(PEG 10%+REE0.50%)。

1.2.2 种子预处理及幼苗胁迫处理

由于黄芪种子是硬实种子，种皮坚硬且不透水，发芽较为困难，因此要进行种子预处理。选取籽粒饱满、大小一致的种子用98%的H2SO4处理2.5 min破除硬实，清水冲洗30 min后，用2% NaClO消毒5 min，蒸馏水冲洗干净。选取预处理后的黄芪种子，放入恒温培养箱中浸种催芽，待种子露白后播种于口径高为8 cm×8 cm装有蛭石的育苗钵内，在人工光照气候室内培养，培养温度(22±1)℃，湿度70%，光照3000 Lx，用1/4 Hoagland营养液等量浇灌。幼苗二叶期时定苗，每钵定苗15株，在幼苗生长51 d，10 cm高时进行1.2.1处理。早8:00和晚18:00分别根施处理液5 ml，每组处理3重复，处理7 d后，剪取所有叶片测定生理指标。

1.2.3 生理指标的测定

相对叶绿素含量采用TYS-A型叶绿素测定仪测定[9]；脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮显色法测定[9]；丙二醛(MDA)含量采用TBA法测定[9]；相对质膜透性采用电导仪法测定[9]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)显色法测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定[9]。

1.3 数据处理

应用SPSS16.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，Duncn's新复极差法进行多重比较(P<0.05)，Origin 8.0绘图。

2 结果与分析

2.1 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗叶绿素含量的影响

由图1可以看出，在P(干旱胁迫)处理下，蒙古黄芪和膜荚黄芪幼苗的叶绿素含量显著降低，较CK下降了28.86%、25.02%。干旱胁迫下根施REE后，2种黄芪幼苗的叶绿素含量均出现升高，在T1处理时升至CK水平，在T3处理时达到最大值，蒙古黄芪和膜荚黄芪分别较P处理升高了103.27%、99.53%；在T4处理时，2种黄芪幼苗叶绿素含量较干旱胁迫处理的升幅较小，且均低于CK。

图1 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗叶绿素含量的影响Fig. 1 Effects of REE on chlorophyll contents of A. membranaceus seedlings under drought stress

2.2 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗叶片渗透调节物质含量的影响

干旱胁迫会引起黄芪幼苗中可溶性糖和Pro等渗透调节物质含量的变化。由图2可以看出，在P～T4处理下，2种黄芪幼苗的Pro含量呈现“先上升，后下降”的趋势，在T3处理时达到最大值，然后开始下降。在P处理下，2种黄芪幼苗的Pro含量均高于CK，与CK间均存在显著性差异(P<0.05)。T3处理时，蒙古黄芪中的Pro含量与P处理相比，增加了122.38%，膜荚黄芪增加了107.27%。T1、T4处理时，2种黄芪幼苗的Pro含量差异不大(P>0.05)。

图2 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗Pro含量的影响Fig. 2 Effects of REE on proline contents of A. membranaceus seedlings under drought stress

2.3 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗叶片活性氧相关物质代谢的影响

干旱胁迫对黄芪幼苗叶片中的MDA含量和相对质膜透性均有一定的影响。由图3可以看出，P处理导致蒙古黄芪和膜荚黄芪幼苗的MDA含量大幅升高，分别比CK增加171.38%、206.71%。干旱胁迫下根施REE后，蒙古黄芪和膜荚黄芪幼苗的MDA含量开始下降，在T3处理时降幅最大，分别较P处理下降了62.11%、58.69%，降至CK值附近，且T3处理与CK间不存在显著性差异(P>0.05)。

图3 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗MDA含量的影响Fig. 3 Effects of REE on MDA contents of A. membranaceus seedlings under drought stress

由图4可以看出，在P处理时，蒙古黄芪和膜荚黄芪幼苗相对质膜透性达到最大值，分别为CK的184.38%、180.24%。干旱胁迫下根施REE后，2种黄芪幼苗相对质膜透性均出现了“先降后升”的现象，在T1～T3处理时逐渐下降，但在T4处理后升高。T4处理时，膜荚黄芪幼苗相对质膜透性升至P处理的91.31%，两者间无显著性差异(P>0.05)。

2.5 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

干旱胁迫及增施REE对黄芪幼苗叶片中的SOD、POD和CAT活性均有一定程度的影响。由图5可以看出，P～T4处理下的蒙古黄芪和膜荚黄芪幼苗中SOD活性均呈“先上升后下降”的趋势，其中T3处理时SOD活性最大，与P处理相比升高了38.13%、43.47%。在T4处理时，蒙古黄芪幼苗SOD活性较P处理升高了5.92%，膜荚黄芪幼苗升高了2.26%，2种黄芪幼苗中的SOD活性均与P处理间无显著性差异(P>0.05)。

图4 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗相对质膜透性的影响Fig. 4 Effects of REE on relative plasmas membrane permeability of A. membranaceus seedlings under drought stress

图5 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗SOD活性的影响Fig. 5 Effects of REE on SOD activities of A. membranaceus seedlings under drought stress

图6 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗POD活性的影响Fig. 6 Effects of REE on POD activities of A. membranaceus seedlings under drought stress

由图6可以看出，P～T3处理下的蒙古黄芪和膜荚黄芪幼苗中POD活性均不断升高，T3处理时POD活性达到最大值，与P处理相比升高了57.77%、71.28%。T4处理时，2种黄芪幼苗POD活性低于T3处理，两者间存在显著性差异(P<0.05)。

由图7可以看出，在P～T4处理下，蒙古黄芪和膜荚黄芪幼苗中CAT活性均呈“先上升后下降”的趋势，在T3处理时达到最大值，分别较P处理升高了47.99%、44.86%。在T4处理时CAT活性下降，蒙古黄芪和膜荚黄芪幼苗中CAT活性较P处理增加了2.11%、-1.02%，T4处理与P处理间均无显著性差异(P>0.05)。

图7 REE对干旱胁迫下黄芪幼苗CAT活性的影响Fig. 7 Effects of REE on CAT activities of A. membranaceus seedlings under drought stress

3 讨论与结论

叶绿素是植物光合作用中最重要的物质之一，也是反映叶片损伤程度最直接的指标[10]。本研究表明，经过干旱胁迫后，2种黄芪幼苗叶绿素含量与对照相比均大幅下降，说明干旱胁迫破坏了光合色素的合成，这与吴嘉雯等的研究结论相似[11]。施加0.05%～0.50%REE后，2种黄芪幼苗的叶绿素含量均出现升高，以0.30%REE处理下升幅较大，说明适量REE可以保护黄芪叶绿体结构的完整性，有利于植物的正常生长；Pro是植物内重要的渗透调节物质，干旱条件下，Pro的含量增加能提高植物抗渗透胁迫的能力[12]。本研究表明，干旱胁迫下2种黄芪幼苗Pro含量迅速增加，施加0.05%～0.50%REE后，Pro含量进一步大量累积，在0.30%REE处理下达到最大值，说明适量的REE能够调控黄芪幼苗中Pro的合成，增强渗透调节能力，提高抗旱性。

质膜相对透性和MDA含量是反映细胞膜系统受到伤害程度和膜脂过氧化程度的重要指标[13]。本研究表明，干旱胁迫下2种黄芪幼苗的质膜相对透性和MDA含量均大幅升高；施加0.05%～0.50%REE后，2种黄芪幼苗的质膜相对透性和MDA含量均出现下降，说明适量的REE能够缓解膜脂过氧化反应，减轻膜损伤，保护膜系统功能。

干旱胁迫会造成植物细胞膜损伤，呼吸速率降低，同时产生大量活性氧(ROS)[14]。SOD、POD和CAT是与植物抗逆相关的抗氧化关键酶，植物通过调节这些酶活性，保持活性氧代谢平衡，以减缓细胞内活性氧自由基积累和膜脂过氧化伤害[15]。本研究表明，干旱胁迫下2种黄芪幼苗的SOD、CAT、POD活性均出现升高，说明黄芪幼苗可通过调节自身抗氧化酶的活性来缓解一定程度的干旱胁迫伤害；在施加0.05%～0.50%REE后，2种黄芪幼苗的SOD、CAT、POD 活性均呈“先上升，后下降”的趋势，说明REE能够协同调控抗氧化酶系统，减少氧化伤害，但调控作用具有一定的阈值，过量REE的调控作用会减弱。

综上所述，干旱胁迫会对2种黄芪幼苗的正常生长造成抑制，适量的REE能有效缓解抑制作用，提高幼苗的抗旱性。其中，以根施0.30%稀土微肥处理的缓解效果较好。