5种薄荷对PEG模拟干旱胁迫的生理响应与耐旱性评价

张源一，李爱，严卓立，张永杰，杨李雄

（天津农学院 园艺园林学院，天津 300392）

干旱胁迫是最常见的植物胁迫形式之一，对植物的破坏程度在许多非生物胁迫中位居第一，是限制植物生长和分布的一个重要因素。近年来，由于气候变暖、干旱的频率与严重程度持续增 加[1]，干旱胁迫给植物造成严重伤害，如细胞脱水、膜系统破坏、酶活性受影响、细胞代谢紊乱，植株生长受到抑制，进而影响产量[2]。天津市位于华北平原东部属于暖温带半湿润季风气候，冬季盛行西北风，夏季盛行偏南风，春季干旱，在中南部平原地区尤为突出[3-4]。因此，筛选耐旱植物显得尤为重要。

薄荷种质资源丰富，据报道，世界上薄荷属植物有30个种，其中变种有140多个。现如今在园艺栽培上已有600多个品种[5]。在如此庞大的群体中，被广泛栽培的有留兰香薄荷（Mentha spicataL.），胡椒薄荷（Mentha piperita），柠檬薄荷（Mentha citrata），美国薄荷（Monarda didyma）以及作为果园驱虫的芳香地被植物普列薄荷（Mentha pulegiumL.）[6-7]。当前对于薄荷的研究集中在芳香油的提取分析技术、植株栽培繁育与管理等，而采用PEG-6000模拟干旱胁迫，探讨不同薄荷耐旱程度的报道却很少。因此，本研究使用不同浓度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，对广泛栽培种植的5种薄荷种子与幼苗进行相关指标的测定，并通过隶属函数法评价不同种薄荷的耐旱能力，为干旱地区的引种与栽培提供科学的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试薄荷种子与幼苗由天津农学院苗圃提供。5种薄荷分别为胡椒薄荷、留兰香薄荷、美国薄荷、柠檬薄荷和普列薄荷。

1.2 试验方法

1.2.1 种子萌发试验

试验于2020年5月在天津农学院园艺中心实验室进行，采用高分子渗透剂PEG-6000模拟干旱胁迫，设置0（CK）、5%、10%、20% 4个不同浓度处理，每个处理进行3次重复。以直径90 mm的培养皿并均匀铺置两层滤纸为发芽床，注入等量的蒸馏水和不同浓度PEG-6000溶液，选取50粒薄荷种子均匀排布在滤纸上，置于光照培养箱中萌发。培养条件为：温度26 ℃，光强2 000 lx，光照时长12 h/d。每日定时向培养皿内滴加等量蒸馏水或PEG-6000溶液，每3 d更换一次滤纸，以保证滤纸洁净，种子萌发环境稳定。

1.2.2 幼苗胁迫处理

在Hogland’s营养液中加入PEG-6000，配制成3个不同浓度的胁迫处理溶液：轻度胁迫5%（50 g/L PEG-6000）、中度胁迫 10%（100 g/L PEG-6000）、重度胁迫20%（200 g/L PEG-6000）。将幼苗的根系浸泡在不同浓度的PEG-6000溶液中进行干旱胁迫处理，以不添加PEG-6000的等量Hogland’s营养液中培养的幼苗为对照。每个处理重复3次，在光照培养箱中胁迫处理24 h后，依据试验要求取材。

1.2.3 幼苗生理生化指标的测定

胁迫结束后称取薄荷叶片鲜重与干重测定相对含水量；采用氮蓝四唑法测定超氧化物岐化酶（SOD）活性；采用酸性茚三酮法测定脯氨酸含量；采用考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白含量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；采用95%的乙醇浸提法测定光合色素含量；采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）含量。

1.3 数据分析

根据以下公式计算种子萌发的相关指标:

种子发芽率/%（Gr）＝（萌发种子数/供试种子数）×100

种子发芽势/%（Gv）＝G1/Gn×100（G1为5 d萌发的种子数，Gn为供试种子数）

种子发芽指数（Gi）＝∑（Gt/Dt）（Gt为t日种子的萌发数，Dt是发芽天数）；

该试验采用Origin 2018绘图，SPSS 25.0进行显著性分析；运用Duncan’s测验法进行多重比较，并利用隶属函数进行耐旱性比较。隶属函数值计算公式：

反隶属函数值计算公式：

Xi：生理指标测定值，Xmin、Xmax：所有处理某一指标的最小值和最大值。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对5种薄荷种子萌发的影响

由表1可知，在不同程度的胁迫处理下，5种薄荷种子的萌发指标不同，且各处理间有显著差异。对照组（CK）中发芽率最高的为普列薄荷，达83.33%，柠檬薄荷、留兰香薄荷、美国薄荷和胡椒薄荷分别为80.00%、76.00%、41.22%和50.89%。轻度胁迫时，5种薄荷种子的发芽率均有所下降，柠檬薄荷、留兰香薄荷和普列薄荷的发芽率相较于CK下降了35.28%、36.12%和20.66%，而胡椒薄荷下降幅度最大，为48.48%，美国薄荷下降幅度最小，为18.32%。中度胁迫时，5种薄荷种子的发芽率均显著下降，柠檬薄荷下降幅度最大，为61.66%，美国薄荷下降幅度最小，为33.96%。重度胁迫时，柠檬薄荷、留兰香薄荷和美国薄荷的发芽率相较于CK下降了85.28%、80.55%和70.09%，其中胡椒薄荷下降幅度最大，为87.35%，普列薄荷下降幅度最小，为60.66%。试验中发芽势和发芽指数的变化趋势与发芽率大致相同，随着PEG-6000浓度的上升而逐渐下降。

表1 不同浓度PEG-6000处理对种子萌发的影响

2.2 干旱胁迫对5种薄荷幼苗相对含水量的影响

如图1所示，5种薄荷在干旱胁迫下叶片的相对含水量均发生了不同程度下降。胡椒薄荷在4个不同处理下叶片含水量变化较显著，轻度、中度和重度胁迫分别比CK减少了5.04%、12.72%、24.68%。留兰香薄荷不同处理下变化差异较小，分别下降了4.34%、6.90%、13.30%。重度胁迫下，柠檬薄荷的下降幅度最大，较CK下降了27.67%。普列薄荷在中度、重度胁迫处理下相对含水量均显著下降。试验结果表明，胡椒薄荷对外界干旱环境较敏感，美国薄荷和留兰香薄荷失水程度较低，说明其具有一定的保水能力。

图1 干旱胁迫对5种薄荷幼苗相对含水量的影响

2.3 干旱胁迫对5种薄荷幼苗SOD活性的影响

如图2所示，5种薄荷SOD酶活性均随着胁迫程度的加大而呈现出先上升后下降的趋势，中度胁迫处理下均达到最高值。普列薄荷在轻度、中度胁迫处理下变化幅度大，较CK升高了22.48%和45.71%，重度胁迫时降至略低于CK。柠檬薄荷轻度胁迫时较CK上升了15.24%，而各处理间差异不显著，表明其SOD活性对5%到20%的PEG-6000浓度变化不敏感。美国薄荷、柠檬薄荷在重度胁迫下SOD酶活性水平高于CK，其他3种均下降并低于CK。

图2 干旱胁迫对5种薄荷幼苗SOD活性的影响

2.4 干旱胁迫对5种薄荷幼苗脯氨酸含量的影响

如图3所示，5种薄荷脯氨酸含量均随着干旱胁迫程度的加重，呈现出逐渐增加的趋势。5种薄荷不同处理间脯氨酸含量差异显著。各处理下普列薄荷脯氨酸含量均大幅度增加，轻度、中度和重度干旱胁迫下脯氨酸含量分别为CK的2.00、3.14、5.21倍。留兰香薄荷各处理下脯氨酸含量增加幅度较小，分别为CK的1.42、1.80、2.21倍。数据表明，5种薄荷在干旱胁迫下脯氨酸含量上升趋势相同，其中普列薄荷上升幅度最大，说明普列薄荷脯氨酸调节系统在试验浓度范围内比其他种的薄荷更活跃。留兰香薄荷变化较小，表明其脯氨酸调节系统较其他薄荷更不敏感。

图3 干旱胁迫对5种薄荷幼苗脯氨酸含量的影响

2.5 干旱胁迫对5种薄荷幼苗可溶性蛋白含量的影响

如图4所示，5种薄荷可溶性蛋白含量存在差异，总体都呈现随着胁迫处理程度的增加而逐步升高的趋势。

图4 干旱胁迫对5种薄荷幼苗可溶性蛋白含量的影响

胡椒薄荷、留兰香薄荷、美国薄荷、柠檬薄荷4种薄荷可溶性蛋白含量在各个胁迫处理间的差异显著。其中美国薄荷可溶性蛋白含量在各处理下的增幅明显高于其他薄荷，轻度、中度和重度干旱胁迫下分别为CK的2.13、3.38、5.19倍。普列薄荷在PEG-6000浓度为5%时可溶性蛋白增幅较小，相较于CK差异不显著，仅上升了37.48%。

2.6 干旱胁迫对5种薄荷幼苗可溶性糖的影响

可溶性糖作为高等植物的主要渗透调节物质，在植物抵御干旱胁迫时起重要作用。

如图5所示，不同种薄荷可溶性糖含量不同，总体随着胁迫处理程度的加重而呈现持续性升高的趋势。胡椒薄荷在轻度和中度胁迫下增幅较小，比CK升高了13.42%、35.90%。普列薄荷在中度胁迫下达到最高值，为CK的3.43倍，在重度胁迫不再继续上升而小幅度下降。留兰香薄荷、美国薄荷和柠檬薄荷在不同干旱处理下可溶性糖含量均显著高于CK，且不同处理间差异显著。

图5 干旱胁迫对5种薄荷幼苗可溶性糖含量的影响

2.7 干旱胁迫对5种薄荷幼苗光合色素含量的影响

如表2所示，在胁迫处理下5种薄荷光合色素含量均随着胁迫程度的加重呈现先升高后降低的变化趋势。在中度胁迫下，胡椒薄荷、留兰香薄荷、美国薄荷、柠檬薄荷和普列薄荷的光合色素总量达到峰值，均显著大于CK，上升幅度分别为18.54%、30.06%、30.54%、28.34%和27.88%，其中美国薄荷的上升幅度最大。在重度胁迫下，留兰香薄荷和普列薄荷的光合色素总量降至略低于CK的水平，下降幅度分别为2.70%和4.22%，差异不显著；胡椒薄荷和柠檬薄荷的光合色素总量显著低于CK，下降幅度分别为12.12%和8.42%；美国薄荷的光合色素总量有所降低，但仍显著高于CK，较CK提高了10.80%。

表2 干旱胁迫对5种薄荷幼苗光合色素含量的影响

叶绿素a含量变化趋势与光合色素总量相似，随胁迫程度加重而呈现先升后降的趋势。中度胁迫下，5种薄荷的叶绿素a含量最高，均显著大于CK，上升幅度分别为14.00%、11.08%、29.25%、13.56%和27.52%，其中美国薄荷上升幅度最大且含量最高。在重度胁迫下，柠檬薄荷和普列薄荷的叶绿素a含量降至略低于CK，与CK差异不显著，下降幅度分别为3.28%和4.73%；胡椒薄荷和留兰香薄荷的叶绿素a含量降低至显著低于CK的水平，下降幅度分别为10.80%和1.78%；美国薄荷的叶绿素a含量有所降低，但略高于CK 5.61%，不存在显著差异。

中度胁迫下，胡椒薄荷、留兰香薄荷、美国薄荷、柠檬薄荷和普列薄荷的叶绿素b含量达到最高，均显著大于CK，上升幅度分别为45.60%、69.47%、48.59%、52.43%和41.09%，其中留兰香薄荷的上升幅度最大。重度胁迫下，胡椒薄荷、留兰香薄荷、柠檬薄荷和普列薄荷的叶绿素b含量低于CK，差异不显著，相较于CK降低了25.36%、5.61%、6.63%和7.57%。美国薄荷的叶绿素b含量在重度胁迫下低于中度胁迫，但仍显著高于CK，增加了36.33%。

类胡萝卜素含量在不同处理下的变化趋势同其他光合色素相似，在中度胁迫下达到最高，重度胁迫下下降。中度胁迫下，胡椒薄荷、留兰香薄荷、美国薄荷、柠檬薄荷和普列薄荷的类胡萝素含量相较于CK提高了6.59%、59.20%、15.72%、56.99%和3.32%，其中留兰香薄荷上升幅度最大。重度胁迫下，胡椒薄荷、留兰香薄荷、柠檬薄荷的类胡萝卜素含量降至略低于CK，降低幅度分别为2.27%、2.68%、18.49%，差异不显著。美国薄荷和普列薄荷的类胡萝卜素含量在重度胁迫处理下有所降低，但仍高于CK 4.45%和2.40%。

2.8 干旱胁迫对5种薄荷幼苗丙二醛的影响

植物遭受干旱胁迫后积累过量的氧自由基致使膜脂过氧化，进而产生膜脂过氧化产物丙二醛。植物细胞内保护机制将丙二醛含量维持在一定的水平，因此丙二醛含量可以在一定程度上反映植物抵御干旱胁迫能力的强弱。

如图6所示，5种薄荷丙二醛含量均随胁迫浓度增大而升高，在重度胁迫处理下达到最高值。

图6 干旱胁迫对5种薄荷幼苗丙二醛含量的影响

胡椒薄荷、美国薄荷和普列薄荷丙二醛含量在不同处理间存在显著差异。胡椒薄荷增幅最大，丙二醛含量在轻度、中度和重度胁迫处理下相较于CK上升了79.37%、147.86%和235.61%。留兰香薄荷在轻度胁迫处理下丙二醛含量上升但变化幅度小，相较于CK仅提高了2.82%。

2.9 5种薄荷的隶属函数值与综合排序

薄荷属植物抗旱能力不仅仅由单个指标所决定，因此，本研究利用3个种子萌发指标和7种幼苗生理生化指标进行隶属函数分析，对5种薄荷的抗旱能力进行综合评价和排序。如表3所示，不同薄荷的抗旱能力有所差异，美国薄荷的平均值最高，胡椒薄荷的平均值最低，抗旱性顺序为：美国薄荷＞普列薄荷＞留兰香薄荷＞柠檬薄荷＞胡椒薄荷。

表3 5种薄荷的隶属函数值

3 讨论与结论

土壤中水分含量是影响植物种子萌发的重要环境因素。干旱胁迫能够明显抑制种子萌发，并会影响植物幼苗的生长发育[8-9]。在本研究中，随着PEG-6000浓度的升高，5种薄荷种子的各项萌发参数降低且在重度胁迫时下降幅度较大，这与温日宇等[10]对藜麦种子的研究结果相一致。

SOD可通过催化超氧化物的歧化反应，从而有效减少植物细胞中活性氧积累所产生的毒害作用[11]。本研究中，5种薄荷SOD活性随PEG-6000浓度的提高而呈上升趋势，在重度胁迫时下降。这一结果与丁龙等[12]研究5种西北旱区植物在干旱胁迫下SOD的变化趋势相似，表明植物在干旱胁迫下通过提高SOD活性，进一步增强清除活性氧自由基的能力。

植物的渗透调节可以使植物主动适应外界的干旱胁迫，在植物适应缺水环境的过程中，扮演着十分重要的角色。在干旱胁迫下，植物体内的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白会主动积累，以此提高细胞液的浓度，调节细胞内的水势从而稳定细胞的膨压而保持细胞的活性[13-14]。本试验中，5种薄荷的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白的含量全部呈现不断上升的趋势，与刘洋等[14]的试验结果相似，表明这5种薄荷都具有一定的耐旱能力，大量积累的渗透调节物质可以有效防止植株脱水，使各器官保持正常的生理功能。

许多学者开展了干旱胁迫下植株光合色素含量的研究，任磊等[15]发现茶菊随着干旱胁迫的加强，叶绿素含量表现为不断升高的趋势。陈叶等[16]发现，唐古特瑞香幼苗在不同干旱处理下叶绿素含量均显著小于对照组，认为干旱胁迫与叶绿素含量呈现负相关的关系。本试验中，5种薄荷的叶绿素和类胡萝卜素均呈现先上升后下降的趋势，这与聂永雄等[17]研究六堡茶和任瑞芬等[18]研究柠檬薄荷的结果一致，可能因为随着干旱程度的增强，植株的相对含水量不断下降，进而导致光合色素浓缩，含量上升，但是随着干旱程度的不断增强，植物受到的伤害不断加大，以至于光合色素的合成途径受阻，并开始分解，光合色素含量不断下降[19]。

MDA作为衡量细胞膜完整性的一个重要指标，可以用于表现活性氧对细胞膜的损伤程度[20]。本试验中，所有薄荷的MDA含量均随着干旱胁迫的加强呈现显著上升的趋势，这与周鑫胜等[21]对百里香相关研究结果相似。本试验中，胡椒薄荷MDA含量增幅最大，表明胡椒薄荷细胞膜损伤程度最大，受到干旱胁迫的伤害较大。

植物在干旱胁迫下的生理响应十分复杂，很难靠单一指标精准评价5种薄荷的抗旱能力。许多研究认为利用模糊数学原理分析出植物不同性状指标的隶属函数值，可以作为植物抗性的一种评估方法[22-23]。本试验采用隶属函数法对5种薄荷种子萌发指标和幼苗生理指标进行抗旱性综合评价，抗旱能力大小依次为：美国薄荷＞普列薄荷＞ 留兰香薄荷＞柠檬薄荷＞胡椒薄荷。