壳寡糖对干旱胁迫下信前胡生长及叶片生理特性的影响

徐芬芬,魏平慧

(上饶师范学院生命科学学院,上饶市农业技术创新研究院,江西 上饶 334000)

信前胡(PeucedanumpraeruptorumDunn)为江西道地药材信州前胡的简称,主产于江西上饶,其来源为前胡属植物白花前胡。信前胡药用部位为干燥根,临床上多用于支气管类疾病,是中医临床呼吸系统疾病的主要用药之一[1]。

水分是影响植物生长的重要环境生态因子,是植物生长过程中必不可少的物质之一。近些年,我国干旱频发,作物以及药材的生长都受到限制,过度的干旱对植物生长产生抑制作用[2]。国内外不少学者研究发现干旱胁迫对植物的生理代谢,特别是代谢产物影响巨大[3]。植物应对干旱具有不同的响应策略,如形态矮小、关闭气孔、抑制光合作用和呼吸作用、激活抗氧化酶系统以及次生代谢活跃等,上述反应均是激发植物损伤修复机制的表现。

壳寡糖是壳聚糖的降解产物,系由 β-1,4糖苷键形成的低聚糖,具有多种生物活性,可有效诱导植物产生抗性,并促进植物生长,起增产、提质和保鲜作用等。研究表明,壳寡糖可增强植物的多种抗性。李艳等[4]研究发现,壳寡糖能够通过降低植物细胞气孔限制而缓解净光合速率降低程度,从而提高干旱胁迫下油菜的抗旱性;周艳霞[5]试验证明,对轻度、中度、重度干旱胁迫下的菜心喷施低浓度壳寡糖,能提高保护酶活性,增加可溶性糖和脯氨酸的含量,从而提高菜心的抗旱性;石欣隆等[6]发现,干旱胁迫下喷施壳寡糖能促进‘凤丹’幼苗生长。可见,目前关于壳寡糖缓解植物抗旱性的研究主要针对农作物和观赏植物,而对药用植物的研究鲜见报道。本文研究了干旱胁迫下壳寡糖对信前胡生长和生理的影响,可为信前胡合理种植区划、规范化种植,特别是干旱地区信前胡的种植提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

信前胡1年生幼苗取自江西千山农林开发有限公司的信前胡种植基地。

1.2 试验方法

于2021年6月1日选择长势一致的幼苗移栽至直径为23 cm的塑料盆钵中,每盆填装3 kg营养土,每盆栽植1株幼苗。生长15 d后(2021年6月16日)开始水分处理:干旱处理保持土壤含水量为15%～20%,对照正常浇水,采用称重法控制水分,对下降到水分指标下限的盆进行定量灌水,使每盆都维持在对应处理的土壤含水量水平。处理设置:正常对照(CK)、干旱(D)、干旱+5 mg·L-1壳寡糖(DC5)、干旱+10 mg·L-1壳寡糖(DC10)、干旱+15 mg·L-1壳寡糖(DC15)、干旱+20 mg·L-1壳寡糖(DC20)。每处理重复5次。干旱处理7 d后(2021年6月23日),壳寡糖处理分别喷施等体积的5、10、15、20 mg·L-1壳寡糖(叶片上下均匀喷洒,喷施量均为每株20 ml),CK和单纯干旱处理均喷施等体积蒸馏水。3 d后再重复喷一次壳寡糖溶液。7 d后(2021年7月3日)取样测定生长指标,以后每7 d测定一次。待开花结束后(2021年8月13日)将植株(含根系)取出,分开地上部分和根系,分别称鲜质量和干质量,同时取第3叶测定相关生理指标。

1.3 测定指标

1.3.1 生长指标 每处理选取3株幼苗,每隔7 d测定株高、叶面积和展开叶片数等,待开花结束后(2021年8月13日)将植株(含根系)取出,分开地上部分和根系分别称鲜质量和干质量,并计算根冠比和植株整体含水量。叶面积用Image j软件处理得出;株高用直尺直接测量。

1.3.2 生理指标 待开花结束后取第3叶测定如下生理指标:脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法测定[7];内源H2O2含量参照刘俊等[8]的方法测定;丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸比色法[7]。以上各指标重复测定3次,结果取其平均值。

1.4 数据处理

数据用Excel 2003和DPS软件分析,采用邓肯氏新复极差法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 壳寡糖对干旱胁迫下信前胡单株叶片数的影响

由表1分析可知,与CK相比,干旱处理显著降低了信前胡单株叶片数(P<0.05)。与单纯干旱处理相比,壳寡糖处理后,信前胡单株叶片数均有所增加。不同壳寡糖浓度处理均以10 mg·L-1对干旱胁迫的缓解效果最佳。壳寡糖处理后第7天和第13天,10 mg·L-1和15 mg·L-1壳寡糖处理的单株叶片数均显著高于单纯干旱和CK(P<0.05);从第19天开始,所有浓度(5、10、15、20 mg·L-1)壳寡糖处理单株叶片数不但显著超过了单纯干旱处理(P<0.05),且显著超过了CK(P<0.05)。到第31天,单纯干旱处理单株叶片数较CK降低9.4%,5、10、15、20 mg·L-1壳寡糖处理后单株叶片数分别较CK增加了32.5%、50.8%、29.3%和6.3%。壳寡糖处理均显著促进了叶片数目的增加,其中,10 mg·L-1壳寡糖处理增幅显著超过了其他处理(P<0.05)。

表1 不同浓度壳寡糖对干旱胁迫下信前胡单株叶片数的影响Table 1 Effects of different concentrations of COS on the number of leaves per plant in Peucedanum pratense under drought stress

2.2 壳寡糖对干旱胁迫下信前胡单株叶面积的影响

由表2分析可知,与CK相比,干旱处理下信前胡的单株平均叶面积均显著降低(P<0.05),壳寡糖处理较单纯干旱处理单株平均叶面积均有所增加,但在第1天～第13天差异不显著,至第19天～第31天,10 mg·L-1和15 mg·L-1两处理信前胡的单株平均叶面积分别较单纯干旱处理显著提高了27.3%和20.8%(P<0.05),其中,10 mg·L-1壳寡糖处理与CK间无显著差异。说明在干旱胁迫的影响下,为了减少蒸腾作用对水分的消耗,信前胡通过降低叶面积来减少水分散失以确保生存需要。壳寡糖处理可以缓解这种抑制作用,在干旱胁迫时,用10 mg·L-1壳寡糖喷施信前胡叶片可以显著促进干旱胁迫下叶片的生长。

表2 不同浓度壳寡糖对干旱胁迫下信前胡单株平均叶面积的影响/cm2Table 2 Effects of COS on average leaf area per plant of Peucedanum pratense under drought stress

2.3 壳寡糖对干旱胁迫下信前胡株高的影响

由表3分析可知,干旱胁迫下,信前胡株高均有所降低。从第7天开始,5、10、15、20 mg·L-1壳寡糖处理的信前胡株高均较单纯干旱处理提高,且均超过了CK。到第31天,单纯干旱处理株高较CK降低8.9%,5、10、15、20 mg·L-1壳寡糖处理的信前胡株高分别较CK提高了6.9%、19.9%、8.9%和5.8%。从第19天开始,5、10、15 mg·L-1壳寡糖处理的信前胡株高均显著高于单纯干旱处理和CK(P<0.05)。从第7天开始,所有处理均以10 mg·L-1壳寡糖处理株高最大,且在第25天后显著高于其他处理(P<0.05)。

表3 不同浓度壳寡糖对干旱胁迫下信前胡株高的影响/cmTable 3 Effects of COS on plant height of Peucedanum pratense under drought stress

2.4 壳寡糖对干旱胁迫下信前胡生物量和植株含水量的影响

由表4分析可知,干旱处理信前胡地上部分干质量、根冠比和植株含水量等均较CK显著降低(P<0.05)。不同浓度壳寡糖处理后信前胡的生物量、根冠比和含水量等均有所提高。其中,5、10、15 mg·L-1壳寡糖处理信前胡地上和地下部分干质量均较单纯干旱和CK显著提高(P<0.05);5 mg·L-1和10 mg·L-1壳寡糖处理的信前胡根冠比显著高于CK和其他处理(P<0.05);5、10、15 mg·L-1壳寡糖处理的信前胡植株含水量均较单纯干旱处理显著提高(P<0.05)。由上述分析得出,5 mg·L-1和10 mg·L-1壳寡糖处理生物量、根冠比和含水量等均较单纯干旱处理显著提高(P<0.05),可以显著缓解干旱胁迫对信前胡生长的抑制作用。

表4 不同浓度壳寡糖对信前胡生物量和植株含水量的影响Table 4 Effects of COS on the biomass and water content of Peucedanum pratense

2.5 壳寡糖对干旱胁迫下信前胡叶片生理特性的影响

由表5分析可知,干旱胁迫下信前胡叶片脯氨酸含量和H2O2含量均较CK显著提高(P<0.05),表明干旱促进了信前胡叶片脯氨酸和H2O2的积累。添加壳寡糖后信前胡叶片H2O2含量均较单纯干旱处理显著降低(P<0.05),以10 mg·L-1壳寡糖处理最低;脯氨酸含量以10 mg·L-1壳寡糖处理的显著高于其他处理(P<0.05);MDA含量也以10 mg·L-1壳寡糖处理最低(P<0.05)。表明10 mg·L-1壳寡糖可以显著缓解信前胡叶片的细胞膜质受伤害程度,且显著提高脯氨酸含量。

表5 壳寡糖对干旱胁迫下信前胡叶片相关生理指标的影响Table 5 Effects of COS on physiological indexes of Peucedanum pratense leaves under drought stress

3 讨论与结论

石欣隆等[6]研究表明,在断水的第15天,喷施外源壳寡糖能增加干旱胁迫下‘凤丹’苗高和生物量,以40 mg·L-1效果最佳。赵肖琼等[9]研究发现,在喷施10、100、200 mg·L-1壳寡糖48 h后小麦幼苗株高、根长、地上部干质量均显著增加。目前关于壳寡糖影响植物抗旱性生长指标的研究主要集中在株高、根长和生物量等,未见对叶面积和根冠比的研究,而根冠比是衡量植物抗旱性的重要指标[10]。因此,本研究通过测定信前胡的株高、生物量、含水量、叶面积和根冠比等生长指标,研究了5、10、15、20 mg·L-1壳寡糖处理对干旱胁迫下信前胡生长的影响。结果表明,10 mg·L-1和15 mg·L-1壳寡糖处理可显著提高干旱胁迫下信前胡的叶片数、叶面积、株高、根冠比和含水量等(P<0.05),以10 mg·L-1壳寡糖处理效果最好。可见,壳寡糖是通过提高信前胡的根冠比,增加深土层根系分布的比例,促进干旱下植株吸水,同时增大叶面积以提高光合效率来缓解信前胡干旱胁迫的。

在壳寡糖抗旱生理机制方面,前人研究表明:壳寡糖可通过增强小麦[9]和甘蔗[11]叶片的保护酶活性,提高可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量等渗透调节物质的含量,从而增强植株对干旱胁迫的抵抗能力。壳寡糖可显著提高唐古特白刺植株的相对含水量、叶绿素含量、渗透调节物质含量和抗氧化酶活性,同时明显降低了叶片电解质外渗率和丙二醛含量[12]。本研究结果表明,10 mg·L-1壳寡糖处理的信前胡叶片脯氨酸含量较其他处理显著提高,MDA含量较其他处理显著降低(P<0.05)。说明10 mg·L-1壳寡糖能通过促进干旱胁迫下信前胡叶片的脯氨酸积累,来增强保水能力,这是10 mg·L-1壳寡糖处理可显著提高信前胡植株含水量的原因(表4)。植物抵抗外界胁迫的能力与渗透调节物质含量密切相关,脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质[13]。脯氨酸能促进蛋白质的水合作用,形成具有一定保水能力的聚合物,维持细胞渗透平衡[14]。因此,可以认为游离脯氨酸积累是信前胡为了对抗干旱胁迫而采取的一种保护性措施。另外,壳寡糖能通过降低信前胡叶片的H2O2含量和MDA含量降低植株的氧化损伤,从而促进干旱胁迫下信前胡的生长,缓解干旱胁迫。