外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗生理特性的影响

华智锐，崔 行，李小玲

（1.商洛学院 生物医药与食品工程学院，陕西 商洛 726000；2.陕西秦岭特色生物资源产业技术研究院有限公司，陕西 商洛 726000）

龙胆（Gentiana scabraBge），是龙胆科植物，分为条叶龙胆（Gentiana manshuricaKitag）、龙胆（Gentiana scabraBge）和三花龙胆（Gentiana trifloraPall）［1］。属多年生草本植物，高可达60 cm，种子颗粒极小，千粒质量约0.1 g。其根和根茎入药，味苦、性寒，它们具有药用价值，大多具有清热解毒、止咳清湿热、镇舒筋止痛等功效，对于治疗疾病有重大作用［2］；同时其也具有观赏价值，它属于野生蓝色花卉，而蓝色是园林花卉应用中观赏价值很高的色系。龙胆草适宜生长在有光、凉爽的环境中，我国大多数的土壤条件都可以生长龙胆［1,3］。

非生物胁迫是在特定的环境下，在整个植物生命周期中，任何非生物因素如干旱、盐碱胁迫等都对植物造成的不利影响。盐胁迫是其中之一，主要表现在渗透胁迫、离子毒害、营养失衡和氧化应激这4个方面［3］，从而阻碍植物正常的生长发育。现如今，盐碱地是陆地上分布较广泛的一种土地资源，总面积达到2000万hm2，约占总耕地面积的10%，已成为全球重要的后备土地资源［4］。目前，土壤盐渍化已经成为制约农业发展的因素之一，它导致土壤性质发生改变，使植物缺乏生长发育所需的营养元素，破坏植物的生长进程，从而导致作物减产［5］。因此，开发利用盐碱地是我们亟待解决的问题。当植物受到盐胁迫时，其生长受到抑制，代谢失调，叶片细胞结构发生显著的变化，光合作用受阻，光合速率下降，导致生物量降低，严重时会出现植株萎蔫，甚至死亡［6］。

甘氨酸甜菜碱(Glycine betaine，GB)是一种非毒性的渗透调节物质，也是一种生理抗旱剂，它广泛分布于植物、动物和细菌体内［7］。当植物遇到逆境时，其细胞膜透性、渗透调节物质、酶系统、光合指标等都会受到影响。在盐胁迫下，植物提高适应性的原理是通过提高体内甜菜碱的醛脱氢酶活性，进而提高甜菜碱含量，减少植物受伤害的程度。近年来，甜菜碱与植物抗逆性结合的研究受到广泛关注。研究者表明分别用5 mmol/L和10 mmol/L浓度的甜菜碱溶液浇灌小麦根部，小麦幼苗的相对含水量和抗旱性均会显著提高。甜菜碱可以作为酶的保护剂，在盐胁迫下保护细胞膜的完整性。李善家等［8］研究表明，在盐胁迫的逆境条件下，施加25 mmol/L浓度的甜菜碱，黑果枸杞种子的萌发率以及抗氧化物酶活性显著提高。代欢欢等［9］研究表明外源甜菜碱提高了颠茄叶片的净光合速率，幼苗保护酶体系的活性均有不同程度的提高。凌欣闻［10］研究了外源甜菜碱对草地早熟禾耐盐性的影响。

综上所述，外源甜菜碱对盐胁迫下植物的生理特性影响较大。但是，外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗生理指标的影响暂无相关研究。因此，深入研究盐分胁迫条件下喷施甜菜碱（GB）对龙胆生理生化特性的影响过程，探索喷施外源物质对龙胆适应盐分胁迫的调控机理，对于补充完善施用外源物质（如GB）对龙胆耐盐能力的调控理论具有重要的理论与实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

购买的龙胆幼苗来自浙江杭州试验基地。将龙胆幼苗移栽至直径15 cm×20 cm的塑料花盆中，当幼苗长12 cm时，用营养土和普通土按照1∶1比例制成基质进行培养。为了使幼苗尽快恢复正常的生理状况，每天定时浇水、松土，使其生长在良好的环境中。每个处理的浇水量一致。每盆3株，每个处理6盆，1周后随机选取处理的幼苗用于生理指标的测定。

1.2 试验设计

选择长势良好的植株，用浓度为13.15 mmol/L的NaCl溶液处理，每盆浇灌200 mL NaCl溶液，1周浇灌1次。在此期间，对龙胆幼苗喷洒不同浓度的甜菜碱，GB设置4个处理浓度，分别为50、100、150、200 mmol/L。在叶片正反两面均匀喷施，每天处理2次，每个处理3次重复，连续处理7 d。根据试验要求将幼苗分成6组，如表1所示。

表1 不同处理下NaCl和甜菜碱的处理水平

1.3 幼苗指标测定

处理7 d后，对龙胆幼苗的生理指标及净光合速率进行测定。测定方法如下：SOD活性的测定参照李合生［12］的氮蓝四唑法；POD活性的测定参照李合生［12］的愈创木酚法；CAT活性的测定参照高俊凤［13］的紫外吸收法；叶绿素含量的测定参照张志良等［14］的丙酮-碳酸钙法；MDA含量的测定参照张志良等［14］的硫代巴比妥酸（TBA）检测法；可溶性蛋白含量的测定采用高俊凤［13］的考马斯亮蓝G-250法；脯氨酸含量的测定参照酸性茚三酮法。

光合指标使用美国LI-COR公司的LI-6400便携式光合作用测定仪测定。于上午9:00～11:00分别测定对照组和处理组叶片的净光合速率(Pn)参数，测定时外界大气CO2浓度为500 μL/L，光照强度设为1000 μmol/（m2·s）。每组测定3片不同植株叶片，取平均值。

1.4 数据处理

用SPSS 22.0软件进行数据方差分析，用Excel 2010软件作图。各项指标测定3次，求其平均值。

2 结果与分析

2.1 外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗脯氨酸含量的影响

由图1可知，只进行盐胁迫（CK1）时，脯氨酸的含量较CK显著升高（P＜0.05），涨幅为17.8%，说明NaCl胁迫对龙胆幼苗中脯氨酸的含量有显著影响。添加不同浓度的甜菜碱时，脯氨酸的含量相对于CK1来说大幅上升，增幅分别为29.5%、32.8%、99.9%、22.7%，呈现了先上升后下降的变化趋势。T3的脯氨酸含量与T1、T2、T4的差异显著。结果表明，不同浓度的甜菜碱梯度（T1、T2、T3、T4）均可以提高龙胆幼苗中脯氨酸含量，促进幼苗的生长发育。其中当GB浓度为150 mmol/L时，脯氨酸含量达到最大涨幅,作用效果最佳。

图1 甜菜碱对盐胁迫下龙胆叶片脯氨酸含量的影响

2.2 外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗抗氧化酶活性的影响

由图2可知，在13.15 mmol/L NaCl胁迫（CK1）下，POD的活性水平较CK增长了10.1%。在相同浓度NaCl胁迫下，施加不同浓度的GB（T2～T4）均使POD活性相比于CK1显著增加，增幅分别为57.0%、42.8%、29.0%。T1的POD活 性 与T3、T4差异不明显，而T2与T1、T4差异较为明显，且在GB浓度为T2（即100 mmol/L）时达到最大增幅。结果表明，GB对提高NaCl胁迫下POD活性作用显著，但并不是浓度越高效果越佳，作用效果最显著的浓度为100 mmol/L。

图2 甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗POD活性的影响

由图3可知，在13.15 mmol/L NaCl胁迫（CK1）下，SOD的活性较CK显著提高（P＜0.05），涨幅为46.6%，说明NaCl胁迫处理对龙胆幼苗中的SOD活性有显著影响。在相同浓度NaCl胁迫下，施加不同浓度GB（T1～T4）均使SOD活性显著增加，增幅分别为12.7%、42.7%、56.3%、55.9%，呈现出先上升后下降的趋势。T3的SOD活性与T4差异不明显，而T3的SOD活性与T1、T2差异显著，即在GB浓度为150 mmol/L时，SOD活性达到最大涨幅。结果表明，当GB浓度为150 mmol/L时，对NaCl胁迫下龙胆幼苗的SOD活性的影响最显著。

图3 甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗SOD活性的影响

由图4可知，在13.15 mmol/L NaCl胁迫（CK1）下，CAT活性较CK无明显提高（P＞0.05），涨幅为0.58%，说明NaCl胁迫处理对龙胆幼苗中的CAT活性影响不大。在相同浓度NaCl胁迫下，施加不同浓度GB（T1～T4）均使CAT活性相比于CK1显著增加，增幅分别为40.6%、41.7%、167.0%、17.9%，呈现先上升后下降的趋势。T3的CAT活性与T1、T2、T4差异明显,即GB浓度为150 mmol/L时达到最大增幅。结果表明，GB对NaCl胁迫下CAT活性的影响显著，但并不是浓度越高影响越大，影响最显著的浓度为150 mmol/L。

图4 甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗CAT活性的影响

2.3 外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗膜脂过氧化的影响

由图5可知，在13.15 mmol/L NaCl胁迫（CK1）下，叶片中过氧化物MDA的含量较CK显著提高（P＜0.05），涨幅为60%，说明NaCl胁迫处理对龙胆幼苗的胁迫伤害较为严重。在相同浓度NaCl胁迫下，施加不同浓度GB（T1～T4）均使MDA含量较CK1显著减小，减幅分别为4.7%、20.6%、28.6%、26.8%。T3的MDA含量降幅与T1、T2、T4的差异显著。结果表明，NaCl胁迫（CK1）对龙胆幼苗MDA的含量影响显著，但添加不同浓度GB可以缓解NaCl胁迫下龙胆幼苗膜脂过氧化伤害程度，其中GB最佳处理浓度为150 mmol/L。

图5 甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗MDA含量的影响

2.4 外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗叶绿素含量的影响

由图6～图8可知，NaCl胁迫（CK1）的龙胆幼苗体内的总叶绿素、叶绿素b含量与CK相比均显著降低（P＜0.05），说明NaCl胁迫处理对龙胆叶片的光合色素含量有显著影响。在盐胁迫下会改变光合色素的含量，进而造成光合性能的改变，最终影响植物的生长发育。由图6可知，喷洒不同浓度的甜菜碱显著提升了叶绿素的含量，相对于NaCl胁迫处理来说大幅上升，增幅分别为46.0%、47.5%、64.0%、43.0%，呈现先上升后下降的趋势。其中在GB浓度为T3时达到最大涨幅，叶绿素含量变化最显著。从图7与图8中也可以看出，GB浓度为T3时叶绿素a和叶绿素b积累效果最佳。综合表明，添加外源甜菜碱可以显著提升幼苗的光合能力，且GB浓度为150 mmol/L处理效果最佳。

图6 甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗叶绿素含量的影响

图7 甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗叶绿素a含量的影响

图8 甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗叶绿素b含量的影响

2.5 外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗光合速率（Pn）的影响

由图9 可知，在13.15 mmol/L NaCl 胁迫（CK）下，光合速率较CK 显著下降（P＜0.05），减幅为25.0%，说明NaCl 胁迫处理对龙胆幼苗的光合速率有显著影响。在相同浓度NaCl 胁迫下，施加不同浓度GB（T1～T4）均使光合速率Pn 较CK1有不同程度的提高，涨幅分别为20.7%、14.4%、65.6%、13.2%，大致呈现先上升后下降的趋势。其中T3 组表现最好，即在GB 浓度为150 mmol/L 时达到最大增幅，T3 的光合速率与T1、T2、T4 的差异显著，结果表明，GB 对提高NaCl 胁迫下的光合速率Pn 效果显著。

图9 甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗光合速率Pn的影响

2.6 外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗可溶性蛋白含量的影响

由图10可知，在13.15 mmol/L NaCl胁迫（CK1）下，其可溶性蛋白含量较CK显著下降（P＜0.05），降幅为77.5%，说明NaCl胁迫处理对龙胆幼苗的可溶性蛋白含量有显著影响。在相同浓度NaCl胁迫下，施加不同浓度GB（T1～T4）均使可溶性蛋白含量较CK1有不同程度的提高，涨幅分别为12.1%、39.0%、53.0%、23.7%，呈现先上升后下降的趋势。其中T3组表现最好，达到最大增幅,T3的可溶性蛋白含量与T1、T2、T4的差异显著，结果表明GB对提高NaCl胁迫下可溶性蛋白含量的效果显著，其中处理效果最显著的浓度为150 mmol/L。

图10 甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗可溶性蛋白含量的影响

3 讨论

3.1 外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗抗氧化酶活性的影响

植物在处于逆境胁迫时，体内的活性氧簇（ROS）显著增强，为了抵抗盐胁迫的迫害，植物体内的抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性增强，以便清除产生的活性氧，维持体内活性氧的平衡，抵御盐胁迫对植物细胞膜结构的破坏。本实验研究表明，在13.15 mmol/L NaCl胁迫下，龙胆幼苗体内的SOD、POD、CAT活性均有显著提高，说明在逆境胁迫下，植物体可通过自身调节保护酶的活性，防御自由基对细胞的侵害。李善家等［8］研究发现，在100 mmol/L NaCl胁迫下，黑果枸杞幼苗体内的保护酶活性与对照组相比，呈现了不同程度的上升趋势；代欢欢等［9］研究表明，盐胁迫显著提高了颠茄幼苗体内SOD、POD、CAT的活性；上述结果与本实验研究结果一致。添加不同浓度的外源甜菜碱可以有效缓解盐胁迫的伤害。在本实验中，施加GB浓度为100 mmol/L时，POD活性最显著；GB浓度为150 mmol/L时，SOD、CAT活性最显著，均呈现先上升后下降的趋势，表明甜菜碱可以提高植物自身抵御非生物胁迫的能力。代欢欢等［9］研究表明20 mmol/L甜菜碱处理能够提高3种抗氧化酶的活性。赵金莉等［17］研究表明，向黄瓜叶面喷施甜菜碱能够提升盐胁迫下抗氧化酶的活性。本实验研究结论与前人一致，说明外源GB可以调节保护酶系统，提高幼苗抵御NaCl胁迫的迫害。在NaCl浓度为13.15 mmol/L、GB浓度为150 mmol/L时效果最佳；但POD活性的最大增幅的浓度与CAT、SOD不同。在正常情况下，3种抗氧化酶活性在盐胁迫的环境下，呈现先上升后下降的趋势，即在本实验中正好在GB浓度为150 mmol/L时出现峰值，SOD、CAT活性也在此浓度下涨幅最大；而POD活性在GB浓度为150 mmol/L时未呈现最大涨幅，原因可能是在测量POD活性时取材时间较晚。

3.2 外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗膜脂过氧化的影响

当植物处于逆境胁迫时，体内含有大量的活性氧自由基，造成细胞膜过氧化，而丙二醛是膜脂化的产物，其含量可衡量植物受伤害程度的大小。陆安桥等［5］发现湖南稷子幼苗叶片，在经过盐胁迫处理后MDA含量显著增加；张天鹏等［18］研究表明，根灌浓度为13.15 mmol/L甜菜碱，显著降低了NaCl胁迫下小麦的MDA的含量，并且随着浓度的增加有先下降后上升的趋势。李善家等［8］研究发现，20 mmol/L甜菜碱处理颠茄幼苗，能显著降低MDA含量，呈现先上升后下降的趋势。本研究表明13.15 mmol/L NaCl胁迫下龙胆幼苗的MDA含量较对照组显著增加，添加不同浓度的GB均可显著降低NaCl胁迫下MDA含量，并在GB浓度为150 mmol/L时达到最低值，这与前人的研究结论一致。说明外源甜菜碱可以缓解膜脂过氧化程度，提高龙胆幼苗的耐盐性。

3.3 外源甜菜碱对盐胁迫下龙胆幼苗叶绿素含量、净光合速率的影响

光合反应是植物最重要的生理反应之一，它对植物的生长发育有重要影响。光合色素是衡量植物光合能力强弱的重要因素之一［19］。本实验研究发现，在13.15 mmol/L NaCl胁迫下，龙胆幼苗的叶绿素b和总叶绿素含量相比于对照组（CK）显著下降，表明盐胁迫伤害了植物的叶绿体结构，导致光合色素减少。而添加不同浓度的甜菜碱溶液，可以缓解盐胁迫的迫害。代欢欢等［9］研究表明，20 mmol/L的GB溶液可以有效提高颠茄幼苗的光合色素,促进光合作用的进行；米永伟等［4］研究表明，外源甜菜碱有助于增强盐胁迫下黑果枸杞幼苗的光合作用。本试验研究结果与前人的研究结果一致。说明在GB浓度为150 mmol/L时，盐胁迫下的龙胆幼苗可以维持较高的光合色素含量。

3.4 外源甜菜碱对盐胁迫下渗透调节物质的影响

植物在受到干旱、盐胁迫时，自身会产生一种基础的调节方式：渗透调节［20］。在生理水平上，渗透调节是参与干旱和盐度耐受的适应性机制［21］。渗透调节物质主要包括无机和有机两种形式，脯氨酸、可溶性蛋白是渗透调节物质，可溶性蛋白是植物抗旱性的重要指标之一。本实验研究表明，在13.15 mmol/L NaCl胁迫下龙胆幼苗中游离脯氨酸的含量显著升高，极大程度地抵御伤害，这与代欢欢等［9］的研究结果一致。添加不同浓度的外源甜菜碱可以促进脯氨酸、可溶性蛋白的积累，促进植物的生长发育，这与赵金莉等［17］在黄瓜上的研究结果一致。说明在GB浓度为150 mmol/L时，脯氨酸的含量积累最多，缓解盐胁迫的效果最好。

4 小结

在试验处理下，龙胆幼苗中POD、SOD、CAT活性的变化趋势相同，在13.15 mmol/L NaCl 胁迫下，相比于对照组显著增加。在相同盐胁迫下，添加不同浓度的外源甜菜碱溶液后，抗氧化酶活性显著提升，呈现先上升后下降的趋势。POD 活性在GB 浓度为100 mmol/L 时表现最好，SOD、CAT活性在GB 浓度为150 mmol/L 时表现最显著。MDA 是膜脂化产物，脯氨酸是渗透调节物质，在盐胁迫下两者含量显著增加；添加甜菜碱后，MDA、脯氨酸含量逐渐减少，在GB 150 mmol/L下表现显著，减幅最大，表明外源甜菜碱可以有效缓解盐胁迫对细胞膜的伤害。光合色素受逆境的影响，在13.15 mmol/L NaCl 胁迫下，叶绿素b含量、净光合速率逐渐降低，施加甜菜碱后，呈现先上升后下降的趋势。当受到胁迫时，可溶性蛋白质含量先升后降，在添加甜菜碱后，可溶性蛋白大量积累，保护植物免受破坏。

综上所述，外源甜菜碱作为渗透调节物质，通过添加不同浓度的处理，可以有效缓解盐胁迫对龙胆幼苗的伤害，其中甜菜碱浓度为150 mmol/L 处理时效果最佳。