干旱胁迫下外源硅对蒙古黄芪幼苗生理生化特性的影响

王惠珍　陆国弟　胡茹英　孙强　陈红刚　王引权

摘要：目的  研究不同處理条件下蒙古黄芪幼苗的生理特性变化，探讨干旱胁迫下外源硅对蒙古黄芪幼苗影响的生理机制。方法  采用沙培试验，设置3个聚乙二醇模拟浓度和3个硅浓度，测定不同条件下蒙古黄芪幼苗叶绿素、丙二醛、渗透调节物质、抗氧化酶指标，研究干旱胁迫下外源硅对蒙古黄芪幼苗生理生化特性的影响。结果  随干旱胁迫增加，叶绿素总量和叶绿素a呈先增加后降低趋势，叶绿素b呈降低趋势;加入外源硅使叶绿素含量呈显著增加趋势。随干旱胁迫增加，丙二醛含量呈增加趋势，重度、中度胁迫分别较对照增加53.7%、40.6%;加入外源硅可减少丙二醛含量。随干旱胁迫增加，游离脯氨酸（Pro）呈增加趋势，中度胁迫为对照的1.7倍，重度胁迫分别为对照、中度胁迫的3.5、2.1倍;加入外源硅可使重度胁迫下Pro含量显著升高。随干旱胁迫增加，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性整体呈增加趋势;加入外源硅使SOD活性降低但不显著，POD在中度胁迫下显著降低，CAT在重度胁迫下显著降低。且以硅浓度为6 mmol/L时作用最明显。结论  在干旱胁迫下，外源硅可使Pro处于更高水平，降低丙二醛含量，提高抗氧化酶活性，促进叶绿素合成，有利于蒙古黄芪幼苗生长。

关键词：蒙古黄芪;干旱胁迫;硅;渗透调节物质;丙二醛;抗氧化酶

中图分类号：R282.2    文献标识码：A    文章编号：1005-5304（2020）03-0067-04

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.201903322

Effects of Silicon on Physiological and Biochemical Characteristics of Astragalus membranaceus Seedlings under Drought Stress

WANG Huizhen， LU Guodi， HU Ruying， SUN Qiang， CHEN Honggang， WANG Yinquan

Gansu University of Chinese Medicine， Lanzhou 730000， China

Abstract： Objective To study changes of physiological characteristics of Astragalus membranaceus seedlings under drought stress; To explore the physiological mechanism of silicon on seedlings of Astragalus membranaceus under drought stress. Methods Sand culture test was adopted. The effects of silicon on physiological and biochemical characteristics of Astragalus membranaceus seedlings under drought stress were studied by measuring chlorophyll， MDA， osmotic regulators and antioxidant enzymes in three PEG-6000 simulated concentrations and three silicon concentrations. Results With the increase of drought stress， the total contents of chlorophyll and chlorophyll a of seedlings increased at first and then decreased， and chlorophyll b decreased， and the chlorophyll content increased significantly with the addition of silicon. MDA increased by 53.7% and 40.6% under severe and moderate stress compared with CK， respectively; Silicon could reduce MDA production. Proline showed an increasing trend with the increase of drought stress. Moderate stress was 1.7 times as much as CK， and severe stress was 3.5 times and 2.1 times as much as CK and moderate stress; Silicon addition could significantly increase Proline content under severe stress. The activities of three antioxidant enzymes （SOD， POD and CAT） in seedlings increased as a whole with the increase of drought stress. With the addition of silicon， the activities of SOD decreased. POD decreased significantly under moderate stress， and CAT decreased significantly under severe stress. The most significant effect appeared when the concentration of silicon was 6 mmol/L. Conclusion Under drought stress， the application of silicon can make Proline at a higher level， reduce the content of MDA， increase the activity of antioxidant enzymes， and promote chlorophyll synthesis， which is beneficial to the growth of Astragalus membranaceus seedlings under drought stress.

Keywords： Astragalus membranaceus; drought stress; silicon; osmotic regulators; malondialdehyde; antioxidant enzymes

蒙古黃芪Astragalus membranaceus（Fish）Bge. var. Mongholicus（Bunge）Hsiao为十大陇药之一，具有补气升阳、固表止汗、利水消肿、敛疫生肌等功效[1]，目前主要分布在中国西北部干旱和半干旱地区，90%来源于人工栽培。干旱为西北地区影响植物体生长发育的主要因素，对植物造成的损失在所有非生物因素中居首位。甘肃省是蒙古黄芪的重要产区，干旱缺水严重影响蒙古黄芪产量和质量，是制约其产业发展的主要因素之一。硅是植物生长的有益元素，研究表明，硅可在一定程度上缓解干旱胁迫对植物生长发育造成的影响，施用硅肥有望成为提高干旱或半干旱地区作物产量的重要手段[2]。已有在甘草[3]、番茄[4]、水稻[5]、早熟禾[6]、紫花苜蓿[7]、草莓[8]、野生大豆[9]及小麦[10]等植物上进行硅对植物抗旱性影响的研究报道，而硅参与蒙古黄芪抗旱性的研究鲜见。因此，本试验以2年生蒙古黄芪种子为材料，探讨干旱胁迫下介外源硅的加入对蒙古黄芪幼苗生理特性的影响，为干旱及半干旱区蒙古黄芪的规范化种植及硅肥的施用提供参考。

1  仪器与试药

UV759型紫外可见分光光度计，青岛智汇谷信息技术有限公司;RXZ-1000智能型人工气候箱，宁波江南仪器厂。

于甘肃省陇西县蒙古黄芪田间采收种子，种子千粒重约5.35 g，长3.19～3.33 mm，宽2.47～2.58 mm，厚0.96～1.08 mm，经甘肃中医药大学李成义教授鉴定为蒙古黄芪Astragalus membranaceus（Fish）Bge. var. Mongholicus（Bunge）Hsiao种子。丙酮、硫代巴比妥酸、蒽酮、酸性茚三酮、愈创木酚、氮蓝四唑、过氧化氢等试剂均为分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

2  方法

2.1  试验设计

采用二因素完全随机设计：一因素为聚乙二醇（PEG-6000）浓度，设3个水平，分别为0%（对照）、10%（中度胁迫）和20%（重度胁迫）;另一因素为硅浓度（K2SiO3作为硅源，SiO2换算），设3个水平，分别为0、3、6 mmol/L。共9个处理组合，各3次重复。种子以浓硫酸浸蚀20 min打破硬实现象，并用次氯酸钠消毒2 min，蒸馏水冲洗3 min，用滤纸吸干多余水分，置于垫有高温灭菌消毒细沙、直径11 cm培养皿中，每个培养皿精选大小均匀一致种子80粒，摆放间距为种子大小的2倍，置于25 ℃恒温、12 h光暗交替、相对湿度70%的RXZ智能型人工气候箱内培养。釆用称重法每日定时补充蒸散的水分以维持溶液渗透势恒定，将培养皿每日按一定的空间顺序上下交换位置，第10日取样测定幼苗生理特性指标。

2.2  指标测定

采用丙酮提取法测定叶绿素含量，硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量[11-12]，蒽酮比色法测定可溶性糖（SS）含量[12-13]，酸性茚三酮比色法测定游离脯氨酸（Pro）含量[12，14]，愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性[12，15]，氮蓝四唑（NBT）法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性[12，16]，过氧化氢分解法测定过氧化氢酶（CAT）活性[17]。

2.3  统计学方法

采用SPSS22.0统计软件进行分析。计量资料用 x（—）±s表示，组间比较采用新复极差法（SSR法）做显著性测验。P<0.05表示差异有统计学意义。

3  结果

3.1  干旱胁迫下外源硅对叶绿素含量的影响

随干旱胁迫程度增加，叶绿素含量整体呈降低趋势，其中叶绿素b在3个处理间差异无统计学意义，叶绿素a、叶绿素a/叶绿素b在重度胁迫下较对照分别降低13.6%、28.0%（P<0.05），中度胁迫与对照比较差异无统计学意义，见表1。在干旱胁迫基础上，外源硅的加入使叶绿素含量均呈不同程度增加趋势：在重度胁迫下，叶绿素总量和叶绿素a在6 mmol/L硅浓度下较0 mmol/L分别增加28.7%和18.8%（P<0.05），叶绿素a/叶绿素b在6、3 mmol/L硅浓度下较0 mmol/L分别增加23.0%、40.9%（P<0.05），叶绿素b在不同硅浓度处理间变化不显著，见表2。

3.2  干旱胁迫下外源硅对丙二醛含量的影响

对照、中度胁迫、重度胁迫下蒙古黄芪幼苗丙二醛含量分别为（0.19±0.01）、（0.32±0.03）、（0.41±0.00）μmol/g，随干旱胁迫程度增加，丙二醛含量呈增加趋势，重度、中度胁迫较对照分别升高40.6%、53.7%（P<0.05）。在干旱胁迫基础上加入外源硅可降低丙二醛含量：在中度胁迫下，3、6 mmol/L硅浓度较0 mmol/L分别降低25.0%、21.9%（P<0.05）;在重度胁迫下，3、6 mmol/L硅浓度较0 mmol/L分别降低22.0%、51.2%（P<0.05）。见表3。

3.3  外源硅对干旱胁迫下渗透调节物质的影响

随干旱胁迫程度增加，Pro含量呈增加趋势。中度胁迫下Pro含量为对照的1.7倍，重度胁迫下Pro含量分别为对照、中度胁迫的3.5、2.1倍。在干旱胁迫基础上加入外源硅使Pro含量呈增加趋势，重度胁迫下变化最为显著，硅浓度为6 mmol/L时分别较0、3 mmol/L增加30.9%、12.9%（P<0.05），3 mmol/L较0 mmol/L增加15.9%（P<0.05）。见表4。随干旱胁迫程度增加，SS与Pro变化基本一致，呈曲折增加趋势。外源硅对渗透调节物质总量的影响见表5。可以看出，中度胁迫下硅浓度的作用效果不显著，而在重度胁迫下，6 mmol/L硅浓度可显著增加渗透调节物质总量。

3.4  干旱胁迫下外源硅对抗氧化酶活性的影响

随干旱胁迫程度增加，3种抗氧化酶活性整体呈增加趋势。重度、中度胁迫下SOD活性分别较对照增加25.5%、15.1%（P<0.05）;重度胁迫下POD活性分别较对照、中度胁迫增加42.8%、89.7%（P<0.05）;重度胁迫下CAT活性分别较对照、中度胁迫增加113.9%、250.3%（P<0.05）。见表6。在干旱胁迫基础上，外源硅的加入对不同抗氧化酶的影响不一致：SOD活性呈降低趋势但不同处理间差异无统计学意义，POD活性在中度胁迫下有显著减低趋势，CAT活性在中度胁迫下胁迫下显著增加而在重度胁迫下显著降低。见表7。

4  讨论

叶绿素是参与光合作用的重要色素，其含量反映光合作用强弱。本试验结果表明，随干旱胁迫加剧，叶绿素总量、叶绿素a含量呈先升高后降低的趋势，说明中度干旱胁迫有利于叶绿素的积累，而重度干旱胁迫使叶绿素合成受阻或降解;外源硅可使叶绿素含量显著升高，尤其在重度胁迫下效果显著。可能由于外源硅提高了植物抗逆性，从而降低叶绿素的降解。

体内活性氧增高能启动膜质过氧化作用，丙二醛是膜系统受伤害的重要指标之一，其含量可反映膜脂过氧化程度[18]。本试验结果表明，丙二醛含量在干旱胁迫下显著增加，说明细胞内自由基的产生与清除不平衡，导致细胞膜系统损伤;外源硅有保护细胞膜脂过氧化的作用，且6 mmol/L较3 mmol/L作用显著。这与王惠珍等[12]对党参的研究结果不一致，推测其原因，蒙古黄芪在重度干旱胁迫下仍对高浓度硅有一定吸收，表明蒙古黄芪抗旱性优于党参。

渗透调节是植物适应干旱胁迫的重要生理机制，在干旱胁迫下通过积累溶质来降低渗透势以维持膨压，从而维持植株正常的生理过程。SS、Pro是植物体内重要的渗透调节物质[19]。本试验结果表明，渗透调节物质随干旱胁迫程度增加而成倍增加，说明蒙古黄芪遇到干旱胁迫可通过迅速增加体内渗透调节物质维持渗透势，具有一定的抗旱性。外源硅可促进蒙古黄芪渗透调节物质总量增加，且对Pro的增加作用优于SS，原因可能是硅直接参与植物生理生化过程而促进物质合成。

干旱胁迫下，植物体内产生大量活性氧，活性氧积累会导致细胞膜通透性增加，严重者致植物死亡。植物体内抗氧化酶系协同作用以抵抗膜质过氧化，其中SOD是清除氧自由基的关键酶，将氧自由基歧化为H2O2和H2O，CAT和POD协同清除体内过多的H2O2[20]。本试验结果表明，随着干旱胁迫程度增加，抗氧化酶（SOD、POD、CAT）整体呈增加趋势，与丙二醛测定结果一致，说明蒙古黄芪遇到干旱胁迫可迅速增加抗氧化酶活性来清除活性氧和过氧化物，避免细胞受到危害。外源硅的加入使抗氧化酶活性降低，原因可能是硅参与保护细胞免受过氧化作用，降低丙二醛含量，保护质膜，降低O2-和H2O2产生速率。

综上所述，在干旱胁迫下，外源硅的加入可使蒙古黄芪幼苗体内Pro处于更高水平，降低丙二醛含量，提高抗氧化酶活性，促进机体叶绿素合成，且以硅浓度6 mmol/L作用最显著。本研究可为指导生产实践提供依据。

参考文献：

[1] 国家药典委员会.中华人民共和国药典：一部[M].北京：中国医药科技出版社，2015：302.

[2] 石玉.外源硅对番茄幼苗水分胁迫伤害的缓解效应及机理研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2014.

[3] 张文晋，解植彩，张新慧，等.硅对不同程度干旱胁迫下甘草种子萌发和幼苗生长的影响[J].世界科学技术-中医药现代化，2016，18（12）：2125-2131.

[4] 曹逼力，徐坤，石健，等.硅对番茄生长及光合作用与蒸腾作用的影响[J].植物营养与肥料学报，2013，19（2）：354-360.

[5] 明东风.硅对水分胁迫下水稻生理生化特性、亚显微结构及相关基因表达的调控机制研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[6] 余群.干旱胁迫下硅肥对草地早熟禾苗期生长发育的影响[D].兰州：兰州大学，2014.

[7] 吳淼，刘信宝，丁立人，等.PEG模拟干旱胁迫下硅对紫花苜蓿萌发及生理特性的影响[J].草地学报，2017，25（6）：1258-1264.

[8] 王耀晶，马聪，张薇，等.干旱胁迫下硅对草莓生长及生理特性的影响[J].核农学报，2013，27（5）：703-707.

[9] 郑世英，郑晓彤，耿建芬，等.硅对干旱胁迫下野生大豆幼苗生长和生理特性的影响[J].大豆科学，2018，37（2）：263-267.

[10] 李季平，古红梅，吴诗光，等.聚乙二醇（PEG）处理对小麦萌发种子生理生化特性的影响[J].河南农业科学，2002（6）：4-6.

[11] 覃鹏，刘叶菊，刘飞虎.干旱胁迫对烟草叶片丙二醛含量和细胞膜透性的影响[J].亚热带植物科学，2004，33（4）：8-10.

[12] 王惠珍，杜弢，陆国弟，等.硅提高干旱胁迫下党参种子萌发潜力研究[J].甘肃中医学院学报，2015，32（1）：30-33.

[13] 熊福生，高煜珠.植物组织可溶性糖含量（蒽酮法）最佳测定条件的选择[J].扬州大学学报：农业与生命科学版，1988，9（3）：8-9.

[14] 职明星，李秀菊.植物体内游离脯氨酸含量测定方法的改良[C]//中国科学技术协会.中国科协青年学术年会论文集，2004：287-288.

[15] 蒋德安，朱诚.植物生理学实验指导[M].成都：成都科技大学出版社， 1999：83-87.

[16] 高俊凤，植物生理学实验技术[M].西安：世界图书出版公司，2000：194.

[17] 曹慧，王孝威，曹琴，等.水分胁迫下新红星苹果超氧物自由基累积和膜脂过氧化作用[J].果树学报，2001，18（4）：196-199.

[18] 杨祎辰，牛惠杰，张跃进，等.干旱胁迫对蒙古黃芪种子萌发及生长生理的影响[J].种子，2015，34（3）：30-35.

[19] 贾鑫，孙窗舒，李光跃，等.干旱胁迫对蒙古黄芪生长和生理生化指标及其黄芪甲苷积累的影响[J].西北植物学报，2018，38（3）：501-509.

[20] 韩多红，张勇，晋玲.碱性盐及混合盐碱胁迫对蒙古黄芪种子萌发和幼苗生理特性的影响[J].中草药，2013，44（12）：1661-1666.

（收稿日期：2019-03-25）

（修回日期：2019-04-17;编辑：陈静）