干旱胁迫对多裂叶荆芥幼苗形态和不同部位生理生化指标的影响

武 曦，张 罡，郭 华，张亚楠，周鹏程，付宝春

（1.山西农业大学 果树研究所，山西 太原 030031；2.山西农业大学，山西 太原 030031）

多裂叶荆芥（Nepeta multifidaL.）属唇形科荆芥属，为叶卵形、羽状浅裂，为多年生草本芳香植物[1]，是我国传统的重要中药材之一，也是我国八大祁药之一[2]。荆芥种植范围广，主要分布在河北、山东、河南等地区，由于不同产地干旱的生态环境和栽培技术等因素直接影响植物的生长发育，从而进一步影响荆芥的产量和质量[3]。目前，对荆芥的研究内容主要集中在其化学成分的研究、挥发油的提取、药理作用及盐胁迫等几个方面[3-7]。近年来，荆芥在医疗保健方面和园林绿化方面广受欢迎，为扩大其种植面积，使荆芥在干旱地区种植也能得到优良品质，需要进一步对其抗旱性进行深入研究。

本研究以多裂叶荆芥幼苗为试验材料，分别对干旱胁迫下幼苗叶片和根系的形态和生理指标进行分析，旨在了解和揭示多裂叶荆芥在干旱环境下的抗旱能力和适应性，为多裂叶荆芥干旱胁迫响应机制的研究奠定基础，为其广泛栽培、引种和推广提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

盆栽试验以1 年生多裂叶荆芥幼苗为研究对象，选取长势一致的健壮植株，将其幼苗从培养皿中移栽至直径为15 cm×15 cm的花盆中，栽培基质为（园土∶细沙＝2∶1（V/V））沙壤土，确保每盆质量相同、基本栽培条件统一。在荆芥幼苗分支均达到6、7个时，选取高度（20 cm左右）一致的幼苗作为干旱处理对象。

1.2 试验设计

试验地位于山西农业大学林学院苗圃的温室中。试验过程中采用盆栽称重控水法模拟干旱的方法，设置4 个水分梯度，其中将土壤含水量为田间最大持水量的75%～85%设为对照（CK），60%～65%设为轻度干旱，40%～50%设为中度干旱，25%~35%设为重度干旱，每个干旱处理设3 次重复，采用完全随机排列的方式。开始试验前1 d，将水浇足，对荆芥幼苗的控水胁迫试验正式开始。每天用电子秤（载量30 kg，感量5 g）进行称质量，来弥补植物蒸腾作用和生长代谢消耗的水分，从而使各个处理下的土壤含水量控制在设定范围内，分别于试验第0、7、14、21 天时，在试验幼苗中随机选取10 盆，分别对其叶片和根系形态指标及各项生理指标进行测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量的测定 取花盆内0～5 cm土层土样，放入已称质量的铝盒中，称出质量并记录。然后将装有土样的铝盒置于105 ℃烘箱中烘干8 h左右，再调至80 ℃烘干24 h 取出，待冷却后称质量。

1.3.2 形态指标测定 用直尺测定各处理植株的株高，于烘箱中105 ℃烘0.5 h后，在80 ℃烘箱内烘干至恒质量，测定各处理下植株地上部分和地下部分生物量干质量，记录根冠比（根生物量/地上部分生物量）。选取幼苗顶端自上而下第3～4 节上的功能叶片，将其装入采样袋带回，并使用Photoshop软件中图像处理对叶面积进行测定记录。

1.3.3 生理指标测定 取样时，对4个水分梯度下的幼苗随机取10株，将根系和地上部分冲洗、分离并装入取样袋，带入实验室备用。分别在干旱0、7、14、21 d时取植株顶端自上而下3～4节上的功能叶片和根颈2 cm以下根系，并测定各项生理指标。其中，叶片相对含水量采用鲜质量法测定，叶绿素含量采用丙酮浸提法测定，脯氨酸含量采用茚三酮显色法测定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸比色法测定，可溶性蛋白、可溶性糖含量分别采用考马斯亮蓝G-250染色法和蒽酮法测定，超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性分别采用核黄素-NBT还原法和愈创木酚还原法测定[8-9]。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0软件对数据进行单因素和相关性系数分析，用最小显著法（Duncan’s）进行多重比较，并采用Excel作图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对多裂叶荆芥形态指标的影响

由表1 可知，随着胁迫时间的延长，幼苗株高呈现先增长后降低的趋势，且在14 d 时最高，其中轻度胁迫下的株高达到最高；而随着干旱程度的增加，其他处理下的株高与CK 之间没有显著差异。除了在中度干旱下的根冠比随时间的延长呈现逐渐降低的趋势外，其他处理下均呈先增后减的趋势，说明前中期多裂叶荆芥根深；而随着干旱程度的增加，轻度干旱处理与CK的根冠比在7 d下的差异显著（P＜0.05），中度干旱处理与CK 在0、7、21 d下差异显著（P＜0.05），而重度干旱处理下与CK的差异不显著。多裂叶荆芥叶面积同株高的变化趋势一致，且均在14 d 达到最大；而随着干旱程度的增加，叶面积与CK的差异均不显著（P＞0.05）。综上可见，干旱对多裂叶荆芥的株高和叶面积影响不显著，对根冠比的影响显著（P＜0.05）。

表1 干旱胁迫对多裂叶荆芥形态指标的影响Tab.1 Effects of drought stress on morphological indexes of Nepeta multifida L.

2.2 干旱胁迫对多裂叶荆芥幼苗生理相关指标的影响

2.2.1 干旱胁迫对多裂叶荆芥叶片相对含水量的影响 由图1可知，多裂叶荆芥幼苗叶片相对含水量随着干旱胁迫的加剧差异不显著；值得注意的是，仅轻度干旱下不同时间下叶片含水量存在差异（P＜0.05），其余处理下不同时间的叶片含水量无显著差异，说明干旱对叶片含水量影响较小。

2.2.2 干旱胁迫对多裂叶荆芥光和色素含量的影响 从图2 可以看出，叶组织中，随胁迫程度的增强，在14、21 d 时，干旱胁迫下叶绿素总含量与CK之间差异不显著；值得注意的是，0 d时各干旱胁迫下叶绿素总含量均显著高于CK；7 d中度和重度干旱均显著高于CK（P＜0.05），说明干旱胁迫对前期叶绿素的含量影响显著。在4个水分梯度下，随胁迫时间的延长，CK 和重度处理的叶绿素总含量在14 d时显著高于0 d（P＜0.05）；中度胁迫14 d时叶绿素总含量显著高于0、21 d，轻度胁迫14 d时叶绿素总含量显著高于7 d（P＜0.05），其他胁迫时间之间差异不显著（P＞0.05），叶绿素总含量在胁迫14 d 时上升至最高，在胁迫21 d 时均出现下降，说明长时间的干旱对多裂叶荆芥叶绿素的合成产生抑制作用。

2.2.3 干旱胁迫对多裂叶荆芥叶、根渗透调节物质的影响 由图3-A 所示，在各个水分梯度下，叶组织中可溶性糖含量和脯氨酸含量均在胁迫7 d时下降至最低，而重度干旱下可溶性蛋白含量在此时达到最高，显著高于其他胁迫时间下的含量（P＜0.05）；各干旱处理下可溶性糖含量在胁迫21 d 时显著增加（P＜0.05），达到峰值，含量分别为6.551、7.332、8.206、8.252 mg/g；在CK、轻度和中度3 个干旱处理下，可溶性蛋白含量在0 d时最高，21 d时显著下降（P＜0.05），达到最低值，说明在干旱胁迫前期叶片中可溶性蛋白发挥了调节作用，而在后期叶片通过调节可溶性糖和脯氨酸含量来增强叶片的保水能力。在胁迫0、14 d时，重度干旱下叶片的可溶性蛋白含量减少到最低，显著低于其他处理的含量（P＜0.05）。值得注意的是，在0、14、21 d时的可溶性糖含量，7、14 d时脯氨酸含量均在重度干旱下积累最多，胁迫21 d时，轻度、重度胁迫下可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量分别高于CK，说明不同时期，多裂叶荆芥叶片中可溶性糖含量和脯氨酸含量对干旱逆境的抵抗能力较强。

由图3-B 所示，各个水分梯度下，根系中的脯氨酸含量在胁迫7 d 时，下降至最低值，相反，可溶性蛋白含量大幅度上升，并达到峰值；在胁迫21 d时，各个水分梯度下的根系中可溶性糖含量大幅度上升至峰值，CK、轻度处理下可溶性蛋白和脯氨酸显著低于0 d（P＜0.05），中度和重度处理下脯氨酸积累量显著上升（P＜0.05），达到峰值，分别为对照的1.88倍和1.74倍，说明在胁迫后期叶片和根系中可溶性蛋白受抑制，通过调节可溶性糖和脯氨酸含量适应干旱环境。在胁迫0 d 时，轻、中、重度下可溶性糖含量均显著高于CK；在胁迫7 d 时，中度处理下可溶性蛋白和脯氨酸含量均显著高于CK（P＜0.05），相反，中度下可溶性糖含量低于CK，值得注意的是，轻度和重度处理下可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量均高于CK；在胁迫14、21 d 时，中度和重度胁迫下脯氨酸和可溶性糖含量分别显著高于CK（P＜0.05）。由此可见，干旱环境下根系中脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白通过互相协调来提高自身的抗旱能力。

2.2.4 干旱胁迫对多裂叶荆芥叶、根中MDA 含量的影响 由图4 可知，在各个胁迫程度下，叶片和根系中MDA含量均在胁迫7 d时下降至最低，且与0、14、21 d 之间差异显著（P＜0.05），说明在胁迫前期，多裂叶荆芥叶片和根系通过降低MDA 含量协同抵抗干旱逆境。在CK、轻度和重度处理下，MDA积累量在14 d 时显著上升至最高（P＜0.05），分别为 0 d 时的 1.39、1.49、2.15 倍，而根系中 MDA 含量在胁迫21 d时达到峰值，与其他胁迫时间之间差异显著（P＜0.05），说明在胁迫后期，叶片和根系中膜脂过氧化程度加重，细胞膜系统受损。在胁迫0 d时，叶片在重度下MDA 积累量显著低于CK（P＜0.05），相反，在7、14、21 d时，重度干旱下MDA积累量显著高于其他处理（P＜0.05），说明根系与叶片中细胞受胁迫程度严重。在胁迫14、21 d 时，叶片和根系在重度胁迫下MDA积累量显著高于CK（P＜0.05），说明土壤含水量越少，叶片根系中MDA积累量越多，抗旱能力越弱。

2.2.5 干旱胁迫对多裂叶荆芥叶、根中保护酶活性的影响 由图5-A 所示，各个水分梯度下，荆芥叶片中SOD 活性在胁迫21 d 时显著升高至峰值（P＜0.05），分别是0 d 的2.16、1.66、1.48、1.04 倍，相反，各处理下POD活性在21 d时降到最低值，分别比0 d下降了 83%、87%、75%、62%，且差异显著（P＜0.05），说明叶片在胁迫后期，长时间干旱抑制了叶片中POD 的活性，通过增强SOD 活性来提高对逆境的适应能力。在胁迫0 d 时，SOD 活性随胁迫程度增强显著升高（P＜0.05），而POD 活性在0、14 d时，随土壤含水量的减少显著降低（P＜0.05）；胁迫21 d时，叶中SOD活性先升后降，相反，POD活性先降后升，且重度与CK差异显著（P＜0.05），可见，叶片中SOD和POD活性呈现互补的趋势。

由图5-B所示，各水分梯度下根系中SOD活性在胁迫21 d时达到峰值，相反，POD活性降至最低，与叶片出现一致的互补趋势。CK、中度和重度胁迫下POD活性在胁迫14 d时上升至峰值，显著高于胁迫0 d时的活性（P＜0.05）。可见，根系与叶片通过调节保护酶活性来适应长时间的干旱逆境。胁迫0 d 时，中度和重度处理下根系中SOD 活性显著下降（P＜0.05）；在胁迫7、14 d时，随胁迫程度增强，SOD 活性先降后升，且重度处理显著高于CK（P＜0.05），POD 活性在胁迫14 d 时也出现相同的变化趋势，但重度干旱与CK 差异不显著。在胁迫21 d时，随水分梯度下降，根系中SOD 活性也出现下降趋势，相反，POD 活性逐渐升高，中、重度显著高于CK（P＜0.05）。

2.3 干旱胁迫下多裂叶荆芥幼苗各生理生化指标的相关性

从表2各生理生化指标的相关系数可以看出，叶片叶绿素总含量与POD 活性呈显著正相关（P＜0.05）；SOD活性分别与POD活性、可溶性蛋白呈极显著负相关（P＜0.01），与可溶性糖含量、MDA含量呈极显著正相关（P＜0.01）；POD 活性与可溶性蛋白含量呈极显著正相关（P＜0.01），与可溶性糖含量呈显著负相关（P＜0.05）；可溶性蛋白含量分别与可溶性糖含量、MDA 含量呈极显著负相关（P＜0.01）；MDA、可溶性糖和脯氨酸含量三者之间呈极显著正相关（P＜0.01）。

表2 多裂叶荆芥叶片各生理生化指标的相关性分析Tab.2 Correlation coefficient of physiological and biochemical indexes in leaf of Nepeta multifida L.

由表3可知，根系中MDA、可溶性糖、脯氨酸含量同叶片一样，三者之间呈极显著正相关（P＜0.01），而三者与可溶性蛋含量呈极显著负相关关系（P＜0.01），与POD活性呈负相关，与SOD活性均呈正相关，此外SOD活性与可溶性蛋白含量呈极显著负相关（P＜0.01），与MDA 含量呈极显著正相关（P＜0.01）。

表3 多裂叶荆芥根系中各生理生化指标的相关性分析Tab.3 Correlation coefficient of physiological and biochemical indexes in root of Nepeta multifida L.

3 结论与讨论

研究表明，干旱胁迫对多裂叶荆芥幼苗株高和叶面积的影响较小，而对根冠比影响显著，其中CK、轻、中、重度干旱胁迫下分别在7、14、0、7 d 达到最大，说明此期间植物体内积累的有机物大部分用于根部的生长，较长的根系有利于植物吸收到更多的水分，缓解、修复水分胁迫带来的伤害以维持植株的生长代谢[10]；但是在21 d 时轻度、重度处理下根冠比均显著低于0 d，表明干旱环境下，随着胁迫时间的延长，植物的生物量下降，会抑制多裂叶荆芥幼苗的生长形态。此外，叶片相对含水量在各个干旱处理下仍能维持在一个较高的水平上，这与陈爱萍等[11]对伊犁绢蒿幼苗的研究结果一致，说明荆芥在干旱条件下，叶组织内通过重新分配体内的水分来维持动态平衡，避免因严重失水而对自身造成伤害。同时，各个干旱胁迫程度下，叶绿素总含量在胁迫14 d 时达到峰值，显著高于0 d，在胁迫21 d 时下降，但差异不显著，这与罗杰等[12]、靳月等[13]的研究结果趋势一致，表明在胁迫后期叶片的光合潜力未受到明显抑制。

增加低分子量的水溶性化合物，如脯氨酸和可溶性糖等，是植物抵抗不同胁迫条件的常用防御策略，这些渗透调节物质在稳定酶结构方面有积极作用[14-16]。逆境下可溶性蛋白含量积累可以防止生物膜遭到破坏，进一步提高植物自身的抗旱能力[17]。LIU 等[18]研究表明，费菜胁迫后期可溶性蛋白和可溶性糖含量均增加，而本研究表明，14～21 d 时的干旱胁迫下，多裂叶荆芥叶片中可溶性糖含量显著高于CK，但可溶性蛋白含量显著下降，可能是由于长时间的干旱环境抑制了蛋白质的合成，并加速其分解，叶片通过调节可溶性糖含量来提高自身的保水能力，从而维持生长所需的水分[19-21]。各水分梯度下，根系中可溶性蛋白含量随胁迫时间的延长呈现先升后降的变化趋势，这与崔颖等[22]的研究结果相似，各处理下可溶性蛋白含量在胁迫7 d 时显著上升至峰值，而脯氨酸含量显著降至最低，可能胁迫前期根系细胞膜结构还未完全受到破坏，植物自身为了维持其生理代谢需要，又合成干旱诱导蛋白来提高植物的耐旱能力。在胁迫14、21 d 时，根系中可溶性蛋白显著降低，而可溶性糖显著升高，且轻、中、重度处理下可溶性糖显著高于同时期的CK，中、重度下脯氨酸含量在21 d 时显著上升，而罗巧玉等[23]对发草植株中Pro 含量的研究中发现，在前中期Pro 含量升高，在21 d 前后不再增加甚至有下降趋势。本研究表明，胁迫后期，中度和重度下根系通过积累可溶性糖和脯氨酸含量来缓解干旱逆境带来的损伤。由此可见，不同植物的渗透调节物质抵抗干旱胁迫的能力也不尽相同。

SOD活性的高低与植物抗旱性强弱呈正相关，在植物遭受干旱逆境的过程中，体内积聚大量对植物体有害的活性氧，SOD作为清除活性氧系统的首道防线，可通过清除体内过多的O2-，保护细胞膜系统免受氧自由基的伤害[24-25]。张彦妮等[26]研究表明，在干旱中期，大花飞燕草叶片中SOD 活性逐渐上升到峰值。本研究中，在各个干旱胁迫程度下，多裂叶荆芥不同部位中SOD 活性在胁迫21 d 时达到最高，而POD 活性降到最低，这与孙路等[27]对棉花根系POD 活性的研究结果一致；倪川等[28]、韩瑞莲等[29]研究结果表明，MDA含量在胁迫后期出现过多积累，与本研究中MDA积累量在14~21 d显著增高趋势相同。综合来看，多裂叶荆芥幼苗根系和叶片在胁迫后期均通过增强SOD 清除活性氧自由基的能力来适应环境[30]，POD 活性受到抑制，并参与活性氧的形成，引发膜脂过氧化反应，导致积累过多 MDA[22-23，31]。相关研究表明[32]，多种酶之间相互协调作用可以维持保护酶体系的正常运转。本研究中，在干旱胁迫下SOD 和POD 活性变化出现互补的趋势，这种通过不同酶之间相互协调作用来维持体内活性氧代谢的平衡过程，也是植物抵抗干旱胁迫的重要表现之一。

本研究通过对不同干旱胁迫（CK、轻、中、重度）下的多裂叶荆芥幼苗在0、7、14、21 d 下的形态和生理指标进行统计分析，结果发现，干旱对幼苗的株高和叶面积影响较小，对根冠比的影响显著；且干旱对幼苗的叶片含水量和叶绿素影响差异不显著。根、叶中的6个生理指标随干旱胁迫程度增强在不同时段的变化差异显著，特别注意的是，根和叶中的可溶性糖含量与脯氨酸和MDA含量呈极显著正相关，与可溶性蛋白含量呈极显著负相关，与SOD 活性呈显著正相关，而SOD 与POD 呈极显著负相关；且可溶性糖、脯氨酸、MDA 含量和SOD 活性均在21 d达到最大，此时可溶性蛋白含量和POD活性最低。在本研究中，多裂叶荆芥幼苗表现出一定的耐旱性和适应性。整体而言，根系较叶片对干旱逆境的响应更为敏感，在北方或降水较少的地区进行园林绿化栽植、药用植物栽培时，可对裂叶荆芥在短时间内将其土壤含水量控制在50%～65%，有利于节约用水，提高水分利用率。若要提高其对干旱胁迫反应的准确性，须进一步对多裂叶荆芥的叶片解剖、光合生理、分子生物学等方面进行深入研究，为提高其栽培质量和产量提供更精确的依据。