PEG-6000模拟干旱胁迫对三七幼苗生理影响及耐旱性评价

收稿日期：2024-04-16

基金项目：国家自然科学基金项目（81874334）。

作者简介：黄博原（1997-），男，湖北宜昌，硕士，研究方向：园林植物资源保护与评价；

李晓琳（1979-），女，辽宁鞍山，博士，副研究员，研究方向：中药种质资源及种子生物学。

通信作者：黄" 荟（1982-），女，云南临沧，博士，副研究员，研究方向：药用植物品质成分代谢调控机理。

摘要：为了解三七幼苗在干旱胁迫下的生理响应，并进行耐旱性评价，以一年生的一叶期三七幼苗为试材，采用不同浓度梯度（5%、10%、15%和20%）的PEG-6000溶液处理12h和24h模拟不同程度的干旱胁迫，以H2O处理0h-24h为对照，分别测定叶片的相对含水量（WC）、丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和叶绿素（Chl）含量等生理指标，以期为三七幼苗的栽培种植提供理论依据。结果表明：随着PEG-6000溶液浓度和处理时间的增加，叶片相对含水量和叶绿素含量明显减低，而丙二醛和脯氨酸含量显著上升，过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶三种抗氧化酶活性呈先上升后下降的趋势。在此基础上，构建了三七幼苗的综合耐旱性的隶属函数评价，15% PEG-6000处理24h时耐旱性最强。由此可见， 干旱胁迫较轻时，一叶期三七幼苗叶片会诱导脯氨酸和抗氧化酶以增强耐旱性，然而干旱胁迫加剧时，叶片抗氧化系统活性显著减低，导致叶片生理代谢紊乱，其耐旱性随之降低。

关键词：干旱胁迫；抗氧化酶；耐旱评价

中图分类号：Q943.1" " "文献标识码：" A" " " 文章编号：2095-7734（2024）03-0020-07

" 三七（Panax notoginseng）为五加科人参属多年生草本植物，是一种名贵的中药材，具有巨大的经济价值。[1]目前仅在我国海拔1800米左右的西部及周边地区种植三七，其中大部分产量主要来源于云南文山。[2]三七是多年生植物，在一年生一叶期时需要移栽，然而，此时是云南冬春的旱季，幼苗成活率低，致使三七产量降低。[3]

植株在干旱时，叶片中活性氧会积累，发生脂质过氧化，诱导非酶促和酶促的应答机制以减轻氧化损伤，但是随着干旱胁迫加剧，应答机制也会发生损伤。在非酶促应答中，脯氨酸能降低活性氧的损伤，其含量一般会随着干旱程度的增加而增加。[4]在酶促应答中，随着干旱程度的增加，抗氧化系统呈先上升后下降的特性。例如，在廖沛然[5]的研究中，30d苗龄的三七幼苗随着干旱胁迫的加剧，过氧化氢酶和过氧化物酶呈先上升后下降的变化趋势。此外，活性氧积累导致叶绿体质膜损伤，降低了叶绿素的含量，从而影响了叶片光合作用的能力。

" 聚乙二醇（PEG-6000）是一种无机高分子化合物，多用于模拟干旱胁迫研究。[6]本研究以云南一年生的一叶期三七幼苗为试材，以5%、10%、15%和20%的PEG-6000溶液处理12h和24h模拟不同程度的干旱胁迫，分析三七幼苗的叶片的相对含水量、丙二醛、脯氨酸、抗氧化酶系统活性和叶绿素含量等生理指标，在此基础上，构建了三七幼苗的综合耐旱性的隶属函数评价，以探究干旱胁迫对三七幼苗生理影响，为三七一叶期幼苗受到干旱胁迫时采取抗旱措施管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与处理

" 选用云南文山地区的一年生的三七一叶期幼苗，用0%、5%、10%、15%和20%浓度的PEG-6000溶液处理，在20℃、相对湿度50%、1000Lux光照环境中培养，分别培养0h，12h和24h，取叶片开展后续实验。

1.2 指标测定

" （1）相对含水量使用称重法测定；[7]（2）丙二醛含量使用硫代巴比妥酸法测定；[8]（3）脯氨酸含量使用茚三酮法测定；[8]（4）过氧化物酶活性使用愈创木酚显色法测定；[9]（5）过氧化物酶活性使用钼氨酸法测定；[9]（6）超氧化物歧化酶活性使用氮蓝四唑法测定；[9]（7）叶绿素含量采用丙酮法测定。[9]

1.3 三七幼苗耐旱性的评价方法

" 耐旱性的评价采用隶属函数综合评价法。[10]通过测定三七幼苗叶片的七项生理指标来对一叶期三七幼苗在PEG-6000模拟的不同程度干旱胁迫下耐旱性进行综合评价。根据指标与耐旱性的正负相关性，通过以下公式计算：

（1）当测定生理指标与耐旱性呈正相关时

F1=（Xi -Xmin ） / （Xmax -Xmin ）

（2）当测定生理指标与耐旱性呈负相关时

F2=〔1- （Xi -Xmin ） / （Xmax -Xmin ） 〕

" 其中，Xi代表第i个生理指标的测定值，Xmax代表该生理指标中的最大值，Xmin代表该生理指标中的最小值。

1.4 数据处理

" 使用Excel 2013进行数据处理和图表制作； 运用SPSS 20.0对各测定指标进行单因素方差分析，独立样本T检验。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对三七幼苗叶片相对含水量的影响

" 植物在遭受干旱胁迫时，根部吸水量降低，导致叶片含水量降低。[11]三七幼苗叶片的相对含水量变化如图1所示，5%PEG-6000处理对叶片的相对含水量没有显著影响。10%、15%和20%PEG-6000处理12h后，叶片的相对含水量分别下降了10.80%、17.10%、28.30%。随着处理延长至24h，相对含水量的下降速度呈加快趋势，其中，15%PEG-6000处理下降27.88%。20%PEG-6000处理下降52.50%。以上结果表明：干旱胁迫较轻时，对三七幼苗叶片的含水量没有显著影响；而干旱胁迫加剧，会显著降低幼苗叶片的含水量。

2.2 干旱胁迫对三七幼苗质膜和渗透调节物质的影响

" 在干旱胁迫下，细胞脂质过氧化加剧，最终氧化产物是丙二醛，[12]如图2所示，5%、10%、15%和20%PEG-6000处理12h后，叶片的丙二醛含量分别升高了51.10%、86.40%、102.60%，77.30%；处理延长至24h时，15%和20%PEG-6000处理时丙二醛含量上升的最显著，其中，15%PEG-6000处理相比对照上升了166.80%；20%PEG-6000处理相比对照上升了220.80%。以上结果表明：当干旱胁迫加剧，三七幼苗受到氧化胁迫加剧。

" 植物为了抵御干旱，会通过增加脯氨酸含量来减少幼苗与环境的渗透差，以减少干旱胁迫的影响。[13]三七幼苗叶片的脯氨酸含量变化如图3所示，在PEG-6000溶液处理12h时，叶片内的脯氨酸含量没有显著变化；当处理延长到24h时，叶片内的脯氨酸含量显著增加，其中5%、10%、15%和20%浓度 PEG-6000处理与对照组相比分别上升了61.40%、111.60%、313.50%和307.50%。以上结果表明：干旱胁迫较轻时，对三七幼苗叶片的脯氨酸影响不显著；随着干旱程度的加深，叶片内脯氨酸含量显著增加，以减轻干旱胁迫的影响。

2.3 干旱胁迫对三七幼苗抗氧化酶系统的影响

" 在干旱胁迫下，植物会提高抗氧化酶的活性来清除过量的活性氧。[14]三七幼苗叶片内过氧化氢酶活性的变化如图4所示，在干旱胁迫12h时，在20%PEG-6000处理相比对照升高了62.60%；在干旱胁迫24h时，幼苗叶片中过氧化氢酶活性呈先上升再下降的趋势，在15%PEG-6000处理相比对照升高了67.20%；20%浓度PEG-6000处理相比15%浓度的处理下降了33.65%。

三七幼苗叶片内过氧化物酶活性的变化如图5所示，在干旱胁迫12h时，5%、10%和15%PEG-6000处理相比对照变化不显著，但是20%浓度PEG-6000处理相比对照升高了105.90%；胁迫24h时，叶片中过氧化物酶活性先上升再下降，在15%浓度PEG-6000处理时有最大值，相比于对照升高了149.90%；然后再下降，20%浓度PEG-6000处理相比15%浓度的处理下降了10.48%。

" 三七幼苗叶片内超氧化物歧化酶活性的变化如图6所示，在PEG-6000溶液模拟干旱胁迫12h时，叶片中的超氧化物歧化酶活性相比对照组显著上升，5%、10%、15%和20%PEG-6000处理相比对照升高了46.40%、62.90%、74.70%和105.50%；胁迫24h时，叶片中超氧化物歧化酶活性先上升再下降，在15%浓度PEG-6000处理时有最高，相比于对照升高了135.80%；然后再显著下降，20%浓度PEG-6000处理相比15%浓度的处理下降了23.50%。

" 因此，干旱胁迫较轻时，三七幼苗叶片中的过氧化氢酶，过氧化物酶活性和超氧化物歧化酶等抗氧化酶活性都呈上升趋势，以减轻氧化损伤；但干旱胁迫加剧时，以上三个抗氧化酶活性都显著下降，严重损伤了抗氧化系统，导致生理代谢紊乱。

2.4 干旱胁迫对三七幼苗叶绿素含量的影响

" 三七幼苗遭受干旱胁迫时，叶片中叶绿体质膜发生氧化损伤，导致叶绿素含量降低。[15]三七幼苗叶片中叶绿素含量的变化如图7所示，在干旱胁迫12h时，叶片中的叶绿素含量显著下降；5%、10%、15%和20%浓度PEG的处理相比于对照分别下降了8.53%、13.06%、23.69%、27.66%。随着处理延长至24h，叶绿素含量的下降趋势更快，其中，15% PEG-6000处理下降30.20%；20% PEG-6000处理下降49.20%。以上结果表明：干旱胁迫较轻时，三七幼苗叶片的叶绿素含量没有显著变化；而干旱胁迫加剧，叶片中的叶绿素含量会显著降低，光合能力严重下降。

2.5 耐旱性综合评价

已有研究证明，[16-17]相对含水量（RWC）、丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、叶绿素（chl）含量等生理指标可以作为植物在干旱胁迫中反映植物耐旱性的指标。根据隶属函数公式求出三七幼苗在干旱胁迫下生理生化特性指标的隶属函数值，并进一步计算得到抗旱性综合得分（见表1）。评分数值代表耐旱性，数值越大，则耐旱性越强。在胁迫延长至24h时，15%浓度PEG-6000溶液处理下的评分值最大，为0.846；20%浓度PEG-6000溶液处理下的评分值有所下降，为0.793。结果表明：干旱胁迫下，三七幼苗在15%PEG浓度处理24h时耐旱性最强；干旱胁迫进一步加剧时，三七幼苗的耐旱性会降低。

3 讨论与结论

" 植株遇到干旱时，叶片中含水量会降低，干旱胁迫加剧，则含水量越低，严重影响植株的生长代谢。[18]在本研究中PEG-6000处理一年生一叶期的三七叶片，会导致叶片含水量下降（见图1），尤其是在10%PEG-6000处理24h后以及15%和20%PEG-6000溶液处理12h和24h时，叶片出现萎蔫，表明随着干旱胁迫加剧，严重损伤了叶片的生理功能。在王丹丹[19]的研究中，通过用50%，15%含水量的土壤处理赤芍（Paeoniae Radix Rubra），赤芍叶片的相对含水量随着干旱时间的延长而降低，这与本研究的结果相似。

" 丙二醛是反映植物受干旱胁迫程度的生理指标[20]，幼苗体内丙二醛含量越多，细胞内的脂质过氧化程度越剧烈，幼苗受到的干旱胁迫越严重。在本试验中，在PEG-6000处理12h和24h中丙二醛的含量随着PEG-6000浓度的增加而显著增加；在干旱胁迫24h时，15%和20%浓度PEG处理中丙二醛含量上升趋势最快（见图2），表明三七幼苗叶片发生了严重的氧化损伤。脯氨酸作为一种重要的植物渗透调节物质[21]，在幼苗遭受干旱胁迫时，脯氨酸积累能减少三七幼苗与干旱环境之间渗透差，来减少干旱环境带给植物的损害。在本研究中，三七幼苗叶片中丙二醛含量随着干旱胁迫程度的增加而增加；在较轻的干旱胁迫下，三七叶片中的脯氨酸变化不显著，随着干旱胁迫的加剧，叶片中脯氨酸含量先上升再下降；在15%PEG-6000溶液处理24h时叶片中的脯氨酸含量最高，在20%浓度PEG-6000处理时下降，但是下降程度不显著（见图3）。在廖沛然[5]的研究中，对苗龄30d三七幼苗分别进行2.5%、5%、7.5%浓度的PEG-6000溶液处理，随着干旱的加剧，三七叶片中的脯氨酸和丙二醛含量不断增加，这也与本研究的结果一致。

" 植物在受到干旱胁迫时，活性氧过量积累会破坏生物膜的结构及功能。植物含有清除自由基的抗氧化系统，其中，超氧阴离子被超氧化物歧化酶歧化变成氧化氢和氧气。过氧化物酶和过氧化氢酶又能将过氧化氢分解为水和氧气[22]。在本研究中，过氧化物酶（见图4）、过氧化氢酶（见图5）、超氧化物歧化酶（见图6）含量在干旱12h，24h时均呈现上升趋势；在干旱逐渐加剧下，上述三种抗氧化酶都有显著下降，这说明该时期的干旱胁迫已经破坏了幼苗的抗氧化酶系统，对三七幼苗造成了不可逆的伤害。在徐若[23]的研究中，对一年生三七进行不灌溉的干旱处理45d。结果显示，过氧化物酶对干旱的响应最为敏感，过氧化氢酶和超氧化物歧化酶表现为不敏感；在本研究中，过氧化物酶对PEG-6000溶液的处理也是最敏感的，但是过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性也出现了显著的升高和降低，这可能是自然干旱与模拟干旱存在的差异所导致的，也可能是干旱时间之间的差异所导致的。

" 光合作用是植株获得能量的主要来源，叶绿素是决定光合作用速率的重要指标[24]。在干旱胁迫下，植株体内水分的亏损导致植株叶片生长发育与新陈代谢受阻，导致叶片中叶绿素合成变慢与降解，光合作用受阻，所以如本研究的结果所示（见图7），在12h、24h的干旱胁迫下，叶片中叶绿素含量随着干旱程度的增加而降低。这与廖沛然[5]在两年生三七中叶绿素含量随着干旱加剧而减少的结论一致。

综上所述，通过三七幼苗在不同干旱胁迫程度和时间的生理数据，初步构建了三七幼苗的耐旱模型。随着干旱胁迫程度的加深，一叶期的三七幼苗对干旱的感知越敏锐，通过综合干旱评价表可得知，三七幼苗在15% PEG模拟干旱24h耐旱性最强，隶属函数的评分值为0.846。当干旱胁迫进一步加深时，抗氧化系统活性严重降低，隶属函数的评分值降低，耐旱性也进一步降低。在一年生的一叶期幼苗移栽后或是遭受严重的干旱情况，应该注意这个时期之前的水分管理。

参考文献：

[1]" 夏鹏国，崔秀明，韦美膛等.三七的生物学特性研究进展

[J].中药材，2012，35（05）：831-835.

[2]" 崔秀明，黄璐琦，郭兰萍等.中国三七产业现状及发展对

策[J].中国中药杂志，2014，39（04）：553-557.

[3]" 于璐.云南地区季节性干旱特征分析[J].农业与技术，

2018，38（07）：149-150.

[4]" 蒋明义，郭绍川，张学明.氧化胁迫下稻苗体内积累的脯

氨酸的抗氧化作用[J].植物生理学报，1997，（04）：347-352.

[5]" 廖沛然. 三七对不同水分条件的生理响应及其机理研

究[D].昆明：昆明理工大学，2017.

[6]" 柳政戎，马明呈，吕才忠等.PEG-6000模拟干旱胁迫对陕

甘花楸耐旱性生理指标的影响[J].天津农林科技，2024，

（01）：22-26.

[7]" 高俊凤．植物生理学实验指导 [M]．北京：高等教育出版

社，2006.

[8]" 张治安，陈展宇．植物生理学实验技术 [M]．长春：吉林大

学出版社，2008.

[9]" 叶尚红，张志明，陈疏影，等．植物生理生化试验教程

[M]．昆明：云南农业大学，2003.

[10] 韩瑞宏，卢欣石，高桂娟等.紫花苜蓿抗旱性主成分及隶

属函数分析[J].草地学报，2006，（02）：142-146.

[11] 邢钰坤，曹恭祥，元光，等.干旱胁迫下不同种源文冠果幼

苗叶片的抗旱生理响应特征[J].内蒙古林业科技，2021，

47（04）：25-30.

[12] 张清航，张永涛.植物体内丙二醛（MDA）含量对干旱的响

应[J].林业勘查设计，2019，（01）：110-112.

[13] 肖小辉，李天成，周湘林，等.干旱胁迫对闽楠幼苗的生长

及生理特性的影响[J].中国农业文摘-农业工程，2023，35

（03）：17-21.

[14]" 杨舒贻，陈晓阳，惠文凯，等.逆境胁迫下植物抗氧化酶系

统响应研究进展[J].福建农林大学学报（自然科学版），

2016，45（05）：481-489.

[15]" 杨凤军，李天来，臧忠婧，等.等渗NaCl、干旱胁迫对番茄

幼苗光合特性及叶绿体超微结构的影响[J].应用生态学

报，2017，28（08）：2588-2596.

[16] Cruz de Carvalho MH. Drought stress and reactive

oxygen species： Production， scavenging and signaling.

Plant Signal Behav. 2008 Mar;3（3）：156-65.

[17] Mardeh， A. Sio-Se et al. “Evaluation of drought

resistance indices under various environmental

conditions.” Field Crops Research 98 （2006）：222-229.

[18] 罗芳芳，周睿，苏文华等.干旱对滇中高原典型植物含水

量的影响[J].安徽农业科学，2012，40（26）.

[19] 王丹丹，王鹏，韩智阳，等.干旱胁迫对赤芍生理特性影响

及相关基因的克隆表达[J].干旱地区农业研究，2022，40

（05）：71-80.

[20] Wang JJ， Lin WH， Zhao YT， Meng C， Ma AW， Xue

LH， Kuang Y， Tian P. Physiological and biochemical

responses of Festuca sinensis seedlings to temperature

and soil moisture stress. Funct Plant Biol. 2017 Oct;44

（10）：1007-1015.

[21] 李志刚，刘威，林彰文等.芦笋在PEG模拟干旱条件下的

生理生化变化[J].生态科学，2006，（01）：21-24.

[22] 赵丽英，邓西平，山仑.活性氧清除系统对干旱胁迫的响

应机制[J].西北植物学报，2005，（02）：413-418.

[23] 徐若，张秀芬，李艳冰，等.干旱胁迫对三七生理指标的影

响及转录组分析[J].中国农学报，2021，37（16）：51-58.

[24] 张秋英，李发东，刘孟雨.冬小麦叶片叶绿素含量及光合

速率变化规律的研究[J].中国生态农业学报，2005，（03）：

95-98.

Physiological Effects and Drought Resistance Evaluation of Panax Notoginseng Seedlings under Drought Stress by PEG-6000

HUANG Boyuan， LI Xiaolin， DENG Zhijun， HUANG Hui*

（Hubei Key Laboratory of Biologic Resources Protection and Utilization， Hubei Minzu University， Enshi 445000，Hubei; China Academy of Chinese Medical Sciences， Beijing 100700；Key Laboratory of Research and Utilization of

Ethnomedicinal Plant Resources of Hunan Province， College of Biological and Food Engineering，

Huaihua University， Huaihua 418000，Hubei， China）

Abstracts： In order to study the physiological response of Panax notoginseng seedlings under drought stress and evaluate their drought resistance， one-year-old seedlings at the single-leaf stage were used as materials in our study. PEG-6000 solutions （5%， 10%， 15%， and 20%） were used to simulate different degrees of drought stress to treat P. notoginseng seedlings for 12 h and 24 h， with H2O treatment at 0 hours as the control. The relative water content， the levels of malondialdehyde （MDA）， proline and chlorophyll， and the activities of catalase， peroxidase and superoxide dismutase of leaves were measured to provide theoretical basis for the cultivation and planting of P. notoginseng seedlings. The results showed that with the increasing of PEG-6000 concentration and treatment time， the relative water content and chlorophyll content of leaves decreased significantly， while the MDA and proline contents increased significantly. The activities of antioxidant enzymes showed an initial increase followed by a decrease trend. Based on those results， the subordinate function values and" drought resistance evaluation was preformed， showing that the strongest drought resistance under 15% PEG-6000 treatment for 24 h. Thus， these results indicated that P. notoginseng seedlings at the single-leaf stage increased proline content and antioxidant enzymes activities to enhance drought resistance under mild drought stress. However， as drought stress intensifies， the activity of the antioxidant system significantly decreases， leading to physiological metabolic disorders and a decrease in their drought tolerance.

Key words： drought stress; antioxidant enzymes; drought resistance evaluation