3.6　干旱胁迫对红茂草幼苗生理特性的影响

红茂草是生长在西北干旱地区生境中的植物，干旱胁迫可导致其生长代谢紊乱，使细胞过氧化物体、氧化代谢、SOD同工酶、渗透调节物质、MDA等物质种类数量及活性均有不同程度的变化，其中部分物质的数量和活性变化规律明显，被用来作为综合评定干旱地区植物抗旱特性的指标。红茂草在逆境胁迫下的生理指标变化，未见有详尽的报道。综合分析抗氧化物酶活性、渗透调节物质等指标，评价红茂草等旱生植物的抗旱性能。

以不同浓度PEG溶液对红茂草幼苗进行胁迫处理，测定胁迫10d、20d、30d后，叶片组织的生理指标变化，探讨干旱胁迫条件下红茂草与抗氧化物酶活性、渗透性调节物质水平以及膜脂过氧化程度的关系，为揭示红茂草抗旱机理提供理论依据。

3.6.1　材料与方法

（1）实验材料

实验材料为红茂草幼苗，种子是采集的野生红茂草。先在实验室内播种，15d后出苗，将幼苗移栽于口径30cm、高28cm的圆形塑料花盆内，栽培基质为农田土壤。每盆15株，每3盆一组作为3个重复，用Hoagland全营养液浇灌，在温室中培养。待移栽成活，生长正常后，进行PEG溶液胁迫实验。

（2）实验设计

幼苗移栽成活后，生长旺盛，外观整齐一致，即开始处理。采用PEG溶液胁迫，处理浓度为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%，以Hoagland全营养液为溶剂，Hoagland营养液为对照（CK）。处理期间的温度、光照等条件相同。

胁迫开始时，以相应浓度的PEG溶液进行透灌，为保持土壤介质中PEG浓度的均衡，首次处理和每次取样后，PEG处理液的浇灌量为土壤持水量的4倍，约3/4的处理液从盆底流出。待土壤水分稳定后，准确称出各盆质量，以后每2d称重1次，用蒸馏水补加至原质量。实验过程中无雨水落入。

处理后10d、20d、30d分别采样，每次采集茎中部以上叶片30枚左右，用滤纸吸干表面水分，纱布袋分装，放入液氮中保藏，3次采样结束后，置-80℃冰箱中保藏待用。

（3）测定指标和方法

SOD、CAT、POD粗酶液的制备参考Azevedo Neto方法。SOD活性测定参考Giannopolitis and Ries方法。CAT活性测定参考Beers and Sizer方法。POD活性测定参考Urbanek方法。MDA、Pro、SP含量测定参考邹琦方法。SS含量测定参考李合生的方法。

（4）数据处理和分析

用Excel 2007软件进行数据处理。采用SPSS 17.0进行单因素方差分析和最小显著差异法进行多层比较。

3.6.2　结果与分析

（1）干旱胁迫下幼苗叶片SOD、CAT和POD变化

红茂草幼苗在干旱胁迫下，在同一胁迫时期随浓度增加，SOD活性呈先升高后下降的变化特点，胁迫时期不同而高峰出现的浓度不同。胁迫10d和20d时，SOD活性在25%达到最高，分别为336U/g FW和380.7U/g FW[1U=1mmol/min，FW为样品鲜重（g）]，是CK的2.39倍、3.11倍。胁迫至30d，SOD活性在15%达到最高，为303.9U/g FW，是CK的2.7倍，浓度高于15%活性逐渐下降（图3-12）。在同一胁迫浓度不同时期，在低浓度（5%～15%）胁迫下，SOD活性10d<20d<30d，中浓度（20%～25%）胁迫下，SOD活性20d>10d>30d，高浓度（30%～35%）胁迫下，SOD活性10d>20d>30d。

在相同胁迫时期，CAT活性随PEG浓度增加呈先升高后下降的趋势，3个胁迫时期CAT活性变化趋势相同，高峰均出现在25%。从相同浓度不同胁迫时期分析，CAT活性为10d>20d>30d（图3-13）；说明在同一浓度胁迫下，随PEG胁迫时间的延续，CAT活性呈现逐步下降趋势。

胁迫10d时，红茂草幼苗叶片POD活性随PEG浓度的增加呈上升趋势，胁迫20d和30d后，POD活性随PEG浓度的增加呈先升高后降低的趋势，均在20%时达到最大值（图3-14）。从相同胁迫浓度不同时期分析，5%～15%时，POD活性随胁迫时间延续而增大，即10d<20d<30d，30%～35%时则相反，POD活性10d>20d>30d。

（2）干旱胁迫下幼苗叶片MDA含量变化

随PEG浓度的增加，红茂草幼苗叶片MDA含量在不同胁迫时期均呈上升趋势，在35%达到最大值（图3-15）。相同浓度不同胁迫时期下，随胁迫时间的延续，MDA含量逐渐上升，10d<20d<30d，10～20d MDA含量上升幅度较大（P<0.05），20～30d上升较小（P>0.05）。

（3）干旱胁迫下幼苗叶片渗透调节物质变化

图3-16显示，3个胁迫时期红茂草叶片Pro含量随着PEG胁迫浓度的增加持续上升，在35%时达到最大值，胁迫10d、20d和30d的最大值分别是为CK的1.78倍、2.06倍和2.14倍。相同浓度下，随着胁迫时间的延长，红茂草叶片组织中Pro含量呈上升的趋势，10～20d Pro上升幅度大，差异显著（P<0.05），20～30d小幅上升，差异不显著（P>0.05）。

图3-17显示，随着PEG浓度的上升，红茂草叶片中SS含量虽有小幅度的上升，但在20%以上时，出现显著下降趋势，35%降到最低，且明显低于对照组，分别为CK的55%、44%和25%。在相同浓度不同胁迫时期，低浓度（5%～15%）时，SS含量随胁迫时间增加而上升，10d<20d<30d，高浓度（25%～35%）时，呈现相反趋势，10d>20d>30d。

干旱胁迫下，植物体内代谢发生变化，诱导SP的形成，是植物抵御干旱胁迫的保护机制之一。图3-18所示，同一胁迫时期，红茂草叶片SP含量随PEG胁迫浓度增加，呈先增加后下降的变化趋势。胁迫至10d和20d，PEG浓度10%时SP分别比CK增加24.8%和29.5%，之后持续下降，35%时的SP含量比对照分别下降了47%和32%。胁迫至30d时，SP含量依NaCl浓度的升高基本呈现持续下降趋势，35%浓度时的含量相对CK下降67%，与胁迫10d和20d相比，相同浓度下，胁迫时间越长，SP含量下降幅度越大。

3.6.3　结论

（1）干旱胁迫与幼苗叶片抗氧化酶活性及膜脂过氧化的关系

植物细胞中分布的酶类抗氧化防御系统主要为SOD、CAT、POD和抗坏血酸-谷光甘肽还原酶等。SOD是植物抗氧化系统中极为重要的金属酶，是植物活性氧代谢的关键酶，SOD作为抗氧化损伤的第一道防线，催化超氧化物基团歧化产生O2和H2O2，与植物抗逆性有密切关系，干旱胁迫可显著增强植物体内的SOD活性。

CAT促进H2O2生成H2O，清除生物体内的过氧化氢，保护细胞免受损伤，是生物防御体系的关键酶之一。POD的主要生理功能是催化过氧化氢及某些酚类的分解，抑制过氧化物对细胞膜的伤害，维持细胞膜的稳定性和完整性，提高植物抗逆性。

干旱胁迫条件下，SOD、CAT、POD活性的增强是植物抗旱的途径之一，也是反映植物体内的活性氧清除系统效率高低的重要指标。实验结果表明，三种酶的活性呈现大致相似的趋势，同一胁迫时期的各处理中，低浓度下活性上升，高浓度下活性下降。在同一处理下，高浓度（30%～35%）胁迫下，SOD、CAT、POD活性全部呈现10d>20d>30d；低浓度（5%～15%）胁迫下，SOD和POD活性呈现10d<20d<30d，CAT则相反；中浓度（20%～25%）胁迫下，3种酶活性变化规律不明显。

SOD、CAT、POD是植物体内酶促抗氧化系统的主要酶类，植物在干旱胁迫下，电子传递和酶代谢紊乱，导致活性氧的水平升高，产生大量氧自由基，引起膜脂过氧化。酶促抗氧化系统的3种酶协同作用，催化氧自由基的歧化反应，生成过氧化氢，再转化为无害的分子氧和水，而避免活性氧自由基的积累，减弱其对细胞的伤害。3种酶活性出现低浓度上升、高浓度下降的原因可能是：低干旱浓度胁迫下，受植株体内· 刺激，酶活性增强，以消除和转化. 及H2O2，维持正常代谢水平。高浓度NaCl胁迫下，代谢紊乱进一步加剧，产生更多的·及H2O2，使酶促抗氧化系统的酶大量消耗，另一方面，·的积累导致红茂草幼苗叶片发黄、生长受阻，影响酶的分泌和激活过程，使酶的活性下降，因此，高干旱浓度胁迫下，同一浓度处理下的红茂草幼苗叶片SOD、CAT、POD活性随胁迫时间的延长而全部呈现下降趋势。

研究表明，植物体内的抗氧化酶SOD、CAT和POD活性与植物抗逆性有重要关系，其活性的增加，可反映出植物对干旱胁迫环境的适应性，3种酶的协同作用对活性氧的清除发挥着重要作用。实验结果说明，干旱胁迫下，红茂草幼苗叶片SOD、CAT和POD活性呈现基本一致的规律，5%～20%PEG胁迫下抗氧化酶活性持续上升，20%～35%PEG胁迫下活性明显下降。低浓度PEG胁迫下，诱导SOD、CAT、POD活性显著升高，使胁迫产生的过量. 和H2O2得到及时清除分解，所以，20%以下的PEG胁迫未对红茂草幼苗组织造成明显的氧化伤害，外观生长正常，MDA含量与对照相比变化不明显。20%～35%浓度下，随胁迫浓度加大，过氧化物累积，抗氧化酶大量消耗，SOD、CAT、POD活性明显下降，对过氧化产物不能及时清除，膜脂氧化伤害程度增大，组织中MDA含量较大幅度升高。由此可见，酶促抗氧化系统的3种酶SOD、CAT、POD对干旱胁迫下红茂草幼苗叶片组织活性氧的清除具有重要作用。

（2）干旱胁迫与幼苗叶片MDA含量及渗透调节物质的关系

MDA作为细胞膜过氧化的产物，可反映细胞膜受氧化伤害的程度，干旱胁迫诱导植物体MDA含量的变化，其变化幅度可作为衡量逆境对植物氧化损害的指标。实验结果表明，随PEG浓度的增加，MDA含量持续上升，表明红茂草叶片组织细胞膜的氧化伤害越来越大。低浓度（5%～15%）胁迫下，MDA含量的增加趋势平缓，表明植物体内过氧化物开始积累，对膜脂产生氧化伤害。高浓度（20%～35%）胁迫下，MDA含量增加趋势显著，表明膜脂过氧化加剧，对细胞膜的伤害程度显著增加。从相同浓度不同胁迫时期分析，20d与30d相比MDA含量无显著差异，表明在该浓度条件下，达到了其氧化胁迫调节的极限，膜脂氧化伤害达到了最大程度。

渗透调节是植物抗旱的生理机制，PEG胁迫下，诱导渗透调节物质增加，降低了细胞内水势，调整细胞内外水势差，使细胞能在更低的水势条件下吸水，维持正常的细胞膨压。Pro作为抗逆生理指标，在一定程度上可以反应植物材料的耐旱特性。Pro是植物体内主要的渗透调节物质，干旱胁迫条件下，在植物体内的含量明显提高，其累积量与植物对胁迫的耐受能力呈正相关。实验结果表明，红茂草幼苗在PEG胁迫下，叶片Pro含量在持续胁迫10d、20d、30d后，均随PEG浓度的增高而上升，且同一浓度条件下，随胁迫时间的增长而上升，与前人对旱生植物上的研究结果一致。

SP含量在PEG胁迫下，除5%～10%浓度下胁迫10d、20d呈小幅上升外，其余全部呈下降趋势。SP含量下降的可能原因，首先是蛋白酶活性增强，蛋白质水解加剧，其次是膜脂过氧化加剧及RNA含量减少，致使蛋白质合成受到抑制。因此，胁迫浓度越高、胁迫时间越长，下降越多。另外，Pro含量的上升和积累有一个重要的机制，就是干旱胁迫抑制了蛋白质的合成，并加剧了蛋白质分解，形成Pro的积累，所以，随着Pro的积累，导致可溶液性蛋白质含量下降。

SS是逆境胁迫下植物的渗透调节物质之一。实验结果表明，SS在干旱胁迫下的积累随浓度的增加，先升后降，低浓度下小幅上升，高浓度下较大幅度下降。大多数研究认为，干旱胁迫诱导植物细胞内SS含量发生变化，引起荒漠植物体内SS的积累，降低细胞渗透势，提高组织持水力，但红茂草幼苗叶片中的SS含量在PEG胁迫下，低浓度略呈上升，浓度较高时呈显著下降趋势，表明SS在PEG胁迫条件下，没有作为渗透调节主要物质来调节和维持叶片细胞膨压。叶片中SS含量下降有多种原因，有实验表明，干旱胁迫程度加重，可促使一些植物根和茎中的SS呈明显的增加趋势，叶片SS呈下降趋势，由于胁迫诱导植物体内糖分向根茎部位聚集，以此加大根部的渗透调节能力，促进根系吸收水分，维持植物体的水分供应。红茂草叶片中SS下降，是否与此同理，尚需进一步研究。干旱胁迫下SS的积累是在生长停止情况下发生的，随着生长恢复，糖分还可被再度利用，因此SS被认为是一个不稳定的渗透调节剂，它与Pro等渗透调节物质相辅相成，互相补充，维持和调节植物体内的渗透平衡，其他干旱地区旱生植物生理研究上也曾有相似的结果。

在不同浓度PEG胁迫10d、20d、30d的条件下，红茂草幼苗叶片抗氧化物酶活性随胁迫浓度的增大呈现相似的规律性变化，SOD、CAT和POD均在低浓度PEG胁迫（5%～20%）下活性增加，高浓度PEG胁迫（25%～35%）下，超氧自由基积累，抗氧化酶大量消耗，其活性下降。

MDA含量PEG浓度增加持续上升，高浓度（25%～35%）胁迫下，细胞膜氧化伤害加剧，MDA含量显著增加，相同浓度下，20d与10d相比，MDA含量显著增加，与30d相比差异不显著，说明氧化伤害程度已达到最大。

Pro均随PEG浓度的增高而持续上升，同一浓度条件下，10～20d上升幅度较大、20～30d上升幅度较小，它是植物体内起主要调节作用的渗透物质。SP合成受阻、水解加快，其含量呈现整体下降趋势。SS在低浓度胁迫时上升，在高浓度胁迫时下降。Pro是维持渗透压平衡的主要物质，SS和SP对渗透压平衡具有辅助调节作用。