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Effects of waterlogging stress on physiological and biochemical characteristics of medicinal Chrysanthemum morifolium during seedling stage

淹水胁迫对药用菊花苗期生理生化指标的影响



全 文 :淹水胁迫对药用菊花苗期生理生化指标的影响
张志远1,郭巧生1,邵清松1,2
(1.南京农业大学 中药材研究所,江苏 南京 210095;
2.浙江林学院,浙江 杭州 311300)
[摘要] 目的:了解药用菊花对水淹胁迫的反应,筛选可靠的评价耐涝性指标。方法:以小白菊、长瓣菊、红心菊为研究
对象,进行淹水处理,分析淹水胁迫对其生理生化指标的影响。结果:随淹水胁迫处理加深,各参试药用菊花类型总叶绿素含
量、叶片相对含水量呈下降趋势;丙二醛(MDA)、还原型谷胱甘肽(GSH)、可溶性糖含量总体上随胁迫程度的加深而升高;红
心菊过氧化氢酶(CAT)含量变化趋势为先升高后下降,小白菊及长瓣菊CAT含量变化趋势为先降低后升高再降低;过氧化物
酶(POD)活性总体上呈现先增后降再升高的变化趋势;淹水4d解除胁迫,3d后各生理生化指标均不能恢复到对照水平。结
论:淹水4d对参试药用菊花类型产生严重伤害;3种类型药用菊花耐涝性为红心菊 >小白菊 >长瓣菊;MDA,CAT的变化趋
势与耐涝性表现相符,可作为药用白菊花耐涝性评价的可靠指标。
[关键词] 药用菊花;苗期;淹水胁迫;生理指标
[收稿日期] 20081201
[基金项目] 国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAI06A1211)
[通信作者] 郭巧生,Tel:(025)84396591,Email:gqs@njau.edu.
cn
  植物在生长过程中常会受到各种非生物胁迫的
影响,水涝就是其中的一种。在长期的进化过程中,
一些植物如水稻、油菜等已经演化出了一套适应机
制和策略。而药用菊花等对淹水非常敏感,缺乏有
效的耐淹防御机制。因此,阐明淹水对药用菊花生
长发育造成危害的根本原因,从而合理地选择和定
向培育耐涝性品种,减轻淹水对药用菊花生产的危
害,对于我国药用菊花生产具有重要的理论指导和
现实意义。本试验选取经郭巧生[1]等系统选育出
的3种不同抗逆类型药用菊花进行耐涝性实验,从
表观形态、抗氧化酶、非酶抗氧化物、渗透调节物质
等方面的生理指标进行综合评价。
1 材料
供试材料为采自江苏省射阳县洋马镇的3种不
同抗逆性药用菊花类型,经南京农业大学郭巧生教
授鉴定为 “红心菊”ChrysanthemummorifoliumRa
mat.cv.Hongxinju、“小白菊”C.morifoliumRamat.
cv.Xiaobaiju、及“长瓣菊”C.morifoliumRamat.cv.
Changbanju。
试验于2008年7月下旬在南京农业大学校内
防雨棚内进行。试验盆钵采用聚乙烯塑料花盆,淹
水处理时外套无排水孔塑料桶。2008年4月20日
扦插育苗,6月10日选择大小基本一致的菊花苗移
植入花盆,每盆定植4株,之后进行正常管理,恢复
生长后择晴好天气进行模拟涝渍处理,每类型设正
常浇水与水涝胁迫2种处理,3次重复。淹水标准
为水层高于土层表面1cm左右,期间每隔1d取顶
部功能叶测定各项指标,保持4d后将水排尽,3d
后再次测定各指标。1周后调查存活率。
2 方法
2.1 相对生长速率 相对生长速率 =处理植株高
生长量/对照植株高生长量
2.2 生理生化指标 叶片相对含水量测定用烘干称
重法[2];叶绿素含量测定用丙酮浸提法[3];过氧化物
酶(POD)活性测定用愈创木酚法[4];过氧化氢酶
(CAT)、丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、还原
型谷胱甘肽(GSH)活性测定采用南京建成生物工程研
究所试剂盒。可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[5]。
2.3 涝害指数及存活率 根据药用菊花幼苗受害
程度分为7级:0级,生长旺盛,无叶片萎蔫;1级,顶
部2~3叶萎蔫,叶色基本正常;2级,整株萎蔫,顶
部嫩茎萎蔫下垂,上部叶叶缘泛黄;3级,叶片失水
卷曲微焦枯,叶柄下垂,色泽不正常,灰绿色;4级,
植株整体失绿,停止生长,叶片失水,发干;5级,叶
片枯死率>30%;6级,整株死亡。
涝害指数=Σ(涝害级数×各级别株数)/最高级数 ×总
株数;存活率=存活株数/总株数×100%。
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2.4 数据分析
试验数据均采用 DPS705,Excel2003统计分
析软件进行方差分析。
3 结果与分析
3.1 淹水胁迫对叶绿素含量的影响 不同淹水处
理下各菊花类型叶绿素含量变化见表1。随淹水胁
迫程度加深各菊花类型总叶绿素含量呈下降趋势。
各对照类型叶绿素含量为长瓣菊 >小白菊 >红心
菊。淹水胁迫4d时,红心菊总叶绿素含量降幅最
大,小白菊降幅最小;解除胁迫3d后,3种菊花类型
叶绿素含量均下降,其中小白菊总叶绿素含量降幅
最大,长瓣菊降幅最小。
表1 淹水对药用菊花叶绿素含量的影响 mg·dm-2 
类型 处理 1d 2d 3d 4d 解除胁迫后3d 平均
红心菊 淹水 191ab 174bc 166cc 141de 133ee 160e
  对照 181c 183b 181a 188a 182b 183b
  a/% 10443 9450 9158 7648 7326 8805
小白菊 淹水 184ac 178abc 168bbc 158cd 121df 162e
  对照 173d 175c 170bc 166c 173c 172d
  a/% 10320 9865 9851 9516 6784 9267
长瓣菊 淹水 201aa 191ba 174cb 167dc 163dd 179c
  对照 192b 189a 186a 180b 189a 187a
  a/% 10409 10152 9408 9087 8430 9497
  注:大小写字母分别表示行与列上的新复极差005水平上差异显著,上标为横向极差比较,下标为纵向极差比较;a(%)表示处理的指标
值与对照的指标值之比(表2~6同)。
3.2 淹水胁迫对保护酶系统活性的影响 在整个
处理期内,红心菊CAT活性变化趋势为先升高后下
降,小白菊及长瓣菊变化趋势为先降低后升高再降
低,3种菊花类型均在水淹处理3d时达到 CAT活
性最高,随后下降。各对照CAT酶活性为长瓣菊 >
小白菊>红心菊,水淹处理后CAT增幅红心菊>小
白菊 >长瓣菊;解除胁迫后 3d,CAT活性继续下
降,长瓣菊处理的酶活最低,红心菊最高,见表2。
表2 淹水对药用菊花叶片保护酶活性的影响
项目 类型 处理 1d 2d 3d 4d 解除胁迫后3d 平均
CAT/U·g-1 红心菊 淹水 14682cc 21804ba 42376ab 14604cc 6088dd 19911b
    对照 14176c 14131c 13168f 14272c 15327c 14215d
    a/% 10357 15431 32180 10233 3972 14434
  小白菊 淹水 11156bd 8276cd 58787aa 10250bd 1966de 18087c
    对照 17504b 18498b 19471e 17462b 19673b 18522c
    a/% 6374 4474 30191 5870 999 9582
  长瓣菊 淹水 10124cd 21342ba 37226ac 2000de -3462ef 13446d
    对照 25139a 23162a 23229d 24963a 24072a 24113a
    a/% 4027 9214 16025 801 -1438 5726
POD/U·g-1·min-1 红心菊 淹水 334677dc 216015ec 467486cb 665916bc 767001ac 490219c
    对照 288349cd 263500bc 303383cd 222151e 256018e 266680e
    a/% 11607 8198 15409 29976 29959 19030
  小白菊 淹水 562555ca 294160eb 467704db 808149bb 1074516aa 641417b
    对照 269248d 286700b 258198d 286939d 331000d 286417de
    a/% 20894 10260 18114 28164 32463 21979
  长瓣菊 淹水 475059cb 633144ba 594146ba 984046aa 990464ab 735372a
    对照 306087cd 306148b 323187c 278981de 322918d 307464d
    a/% 15520 20681 18384 35273 30672 24106
  POD是植物体内清除H2O2的关键酶之一。由表
2可知,各处理菊花类型的POD活性总体上呈现先增
后降再升高的变化趋势;解除胁迫3d后,各处理的
POD酶活性均达到最高,依次为小白菊>长瓣菊>红
心菊,说明菊花受害情况并未因解除胁迫而减轻。
3.3 淹水胁迫对小麦叶片丙二醛(MDA)含量的影
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响 MDA是植物细胞膜脂过氧化作用的产物之一,
其含量的高低可以反应逆境胁迫下植物伤害程度的
大小,见表3。淹水胁迫使 MDA含量呈持续增加趋
势,其中红心菊在解除胁迫后MDA含量有所下降,而
小白菊和长瓣菊则继续升高。处理期间MDA平均含
量为红心菊 >小白菊 >长瓣菊;MDA增幅为长
瓣菊>小白菊>红心菊。说明在正常生长条件下红
心菊及小白菊体内MDA维持在一个较高的水平,对
MDA有一定的耐受性,而在处理期间MDA升幅较小
说明相对受害较轻。
表3 淹水胁迫对药用菊花叶片MDA含量的影响 nmol·g-1 
类型 处理 1d 2d 3d 4d 解除胁迫后3d 平均
红心菊 淹水 4400ca 4536cb 6831ba 7788aa 6998bb 6111a
  对照 4610a 5070a 4667b 4868d 4742d 4792c
  a/% 9544 8946 14635 15999 14758 12776
小白菊 淹水 3510db 3737dc 4587cbc 5686bc 6369ac 4778c
  对照 3631b 3687c 4221cd 4241e 3609e 3878d
  a/% 9667 10137 10867 13409 17645 12345
长瓣菊 淹水 3513db 3665dc 4851cb 6529bb 10493aa 5810b
  对照 3865b 3729c 4050d 3693f 3849e 3837d
  a/% 9091 9828 11978 17680 27263 15168
3.4 淹水胁迫对药用菊花叶片GSH含量的影响 
GSH是植物体内一个重要的抗氧化剂,见表4。各菊
花类型GSH含量总体上随胁迫程度的加深而升高,
在淹水胁迫3d后,GSH含量明显升高。GSH含量平
均值为长瓣菊>红心菊>小白菊;GSH含量增幅为红
心菊>长瓣菊>小白菊。
表4 淹水胁迫对药用菊花叶片GSH含量的影响 mg·g-1 
类型 处理 1d 2d 3d 4d 解除胁迫后3d 平均
红心菊 淹水 014db 019cb 019cc 043bb 061ab 031b
  对照 013bc 014c 015d 015e 014e 014e
  a/% 10670 14022 12859 28053 45140 22149
小白菊 淹水 012ec 019db 024cb 033bc 036ac 025c
  对照 013bc 014c 015d 013f 012e 013f
  a/% 9179 14115 15836 25296 31541 19194
长瓣菊 淹水 013ebc 031da 028ca 048ba 072aa 038a
  对照 020a 018b 020c 019d 017d 019d
  a/% 6706 16501 14446 24904 42017 20915
3.5 药用菊花幼苗在淹水胁迫后的株高生长相对生
长速率比较 药用菊花3种栽培类型幼苗在淹水胁
迫后的株高生长相对生长速率分别为红心菊 018,
小白菊002及长瓣菊003,可见红心菊在水淹胁迫
下相对于小白菊及长瓣菊具有较高的生长速率,说明
红心菊对水淹胁迫具有较强的适应性。
3.6 淹水胁迫对药用菊花叶片可溶性糖含量的影响
 淹水胁迫下,各类型菊花叶片可溶性糖含量显著增
加,3个供试类型均在胁迫处理第4天达到最高值;
解除胁迫后可溶性糖含量随之下降。3个类型菊花
对照处理中,红心菊可溶性糖含量始终高于小白菊和
长瓣菊,且差异显著(P<005);而在淹水处理中红
心菊可溶性糖升幅小于后两者,见表5。
3.7 淹水胁迫对药用菊花叶片相对含水量(RWC)
的影响 各处理菊花类型相对含水量随胁迫的加深
而呈下降趋势,淹水3d以后,相对含水量降低大小
顺序为长瓣菊(35%)>小白菊(20%)>红心菊
(11%),按 Hsiao[6]的标准划分:叶片 RWC降低
10%~20%属中度缺水,降低20%以上为严重缺水。
长瓣菊已严重缺水,小白菊处在严重缺水的临界点
上,红心菊为中度缺水。解除胁迫后3d,3个类型
菊花全部严重缺水,见表6。由此说明,与长瓣菊
相比红心菊在短期水涝胁迫下能维持一个较高的相
对含水量来维持生命活动的正常进行,而在淹水4d
以后植物体受损害严重,短时期无法恢复正常生理
机能。
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表5 淹水胁迫对药用菊花叶片可溶性糖含量的影响 mg·g-1 
类型 处理 1d 2d 3d 4d 解除胁迫后3d 平均
红心菊 淹水 2676ebc 5371da 6021ca 10784aa 9603ba 6891a
  对照 3771a 4147b 3269c 4243d 4659d 4018c
  a/% 7096 12949 18421 25416 20613 16899
小白菊 淹水 2507dbc 3256cc 6013ba 7193ac 6871ab 5168b
  对照 2331c 2329d 1815d 2248e 2124e 2169d
  a/% 10756 13979 33134 31993 32347 24442
长瓣菊 淹水 2372ebc 3510dc 5319cb 9007ab 6235bc 5289b
  对照 3022b 2118d 2147d 2120e 2751f 2432d
  a/% 7847 16576 24774 42480 22665 22868
表6 淹水胁迫对药用菊花叶片RWC的影响
类型 处理 1d 2d 3d 4d 解除胁迫后3d 平均
红心菊 淹水 094aa 083bc 081cd 059dd 058ec 075b
  对照 088d 089a 093a 089a 088b 089a
  a/% 10657 9348 8743 6604 6540 8378
小白菊 淹水 087be 089aa 070ce 062dc 045ed 070c
  对照 090b 087b 089c 089ab 090a 089a
  a/% 9653 10217 7781 7007 4940 7920
长瓣菊 淹水 080af 080ad 066bf 052ce 043de 064d
  对照 089c 088a 091b 088b 088b 089a
  a/% 9002 9039 7273 5923 4907 7229
3.8 药用菊花幼苗在淹水胁迫后的表型 小白菊幼
苗在淹水24h后,部分植株主茎顶部2~3叶萎蔫;淹
水48h,全部植株顶叶萎蔫,叶缘泛黄,部分植株顶部
嫩茎下垂;在淹水后72h,植株叶柄完全下垂,叶片失
绿,顶部嫩茎进一步下垂;淹水后96h,植株整体失
绿,心叶卷曲,叶缘焦枯;解除胁迫后3d,大部分植株
下部叶片枯死,未能恢复生长。红心菊受害症状表现
比小白菊晚1d左右,长瓣菊受害症状表现比小白菊
早1d左右。
根据菊花幼苗叶片受害程度,药用菊花淹水2d
后受害明显加重,小白菊与长瓣菊间的耐淹水胁迫能
力差异较小,红心菊相对较强,见表7。随着淹水时
间的延长,受害指数越来越大。
表7 药用白菊花幼苗在淹水胁迫后的受害指数及存活率
类型
受害指数
1d 2d 3d 4d
解除胁
迫后3d
解除胁迫
1周后
存活率/%
红心菊 00000 01000 04000 06667 08333 30
小白菊 00167 02333 06000 06667 08333 10
长瓣菊 01111 03333 05926 07222 09259 0
4 讨论
随淹水胁迫程度加深各类型菊花总叶绿素含量
呈下降趋势,在解除胁迫后亦继续下降未能有所恢
复,其中小白菊降幅最大,为对照的678%;长瓣菊降
幅最小,为对照的843%。说明小白菊恢复能力较
差,而长瓣菊稍强。按Hsiao的标准,在淹水第3天,
长瓣菊已严重缺水,红心菊中度缺水。解除胁迫后3
d,3个类型菊花全部严重缺水。淹水条件下,植株的
可溶性糖不仅可提供必要的能量,还能调节体内代
谢,因而能在一定程度上减轻淹水的危害。实验中不
同类型药用菊花淹水胁迫下叶片可溶性糖含量均随
着淹水时间的延长而升高,这可能是由于淹水胁迫造
成了光合色素下降,光合产物降低,于是植物体内贮
藏营养分解增加了可溶性糖含量,可能是药用菊花适
应淹水胁迫的一种反应。这与王三根[7]在小麦和大
麦、吴林[8]在越橘中的研究结果基本一致。
淹水条件下红心菊、小白菊MDA升高幅度较小,
而长瓣菊升高幅度较大,处理期比对照平均升高15
倍,从本实验结果看,可以用淹水逆境下丙二醛含量
上升的幅度作为衡量药用菊花品种耐淹水能力强弱
的指标。本实验中,淹水胁迫下GSH含量持续上升,
这与齐付国[9]在小麦上的研究结果相似,而与晏
斌[10]等在玉米上的研究结果相反。
本实验中,3种药用菊花类型 SOD变化趋势各
异,其中红心菊变化趋势为先升后降,小白菊变化趋
势为降升降升,长瓣菊变化趋势为先降后升,并且
在变化幅度上小白菊 >红心菊 >长瓣菊(005水平
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上均差异显著),这与抗涝性的外观表现上不尽一致,
因此,是否把SOD做为药用菊花耐涝性的评价指标
还有待于进一步的探讨。POD变化趋势则为先升高
后降低再升高,长瓣菊POD含量显著高于其他2种
菊花,同时积累的MDA升高幅度也是最大的,说明脂
膜过氧化加剧并未因此而得到缓解;CAT变化趋势为
先降后升再降低,在解除胁迫3d后,与长瓣菊相比,
红心菊维持了较高的CAT含量,同时MDA升幅也是
最小的,由此说明CAT在清除活性氧方面起到了重
要的作用。
本实验表明,3种类型药用白菊花耐涝性强弱顺
序为红心菊>小白菊>长瓣菊,这与何先元[11]的试
验结果一致,MDA,CAT的变化趋势与耐涝性表现相
符,可以做为耐涝性评价的可靠指标。本试验还表
明,随着淹水时间的延长,药用白菊花受害不断加剧,
在水淹3d时各生理指标发生大幅变化,经过4d的
水淹处理,解除水淹恢复3d后各项指标均达不到对
照的水平,说明较短时间的淹水对药用菊花的损害也
是致命的。因此,在生产上特别要注意水分管理,杜
绝水涝胁迫给药用菊花生产带来的危害。
[参考文献]
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Efectsofwaterloggingstressonphysiologicalandbiochemicalcharacteristics
ofmedicinalChrysanthemummorifoliumduringseedlingstage
ZHANGZhiyuan1,GUOQiaosheng1,SHAOQingsong1,2
(1.InstituteofChineseMedicinalMaterials,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;
2.ZhejiangForestryUniversity,Hangzhou311300,China)
[Abstract] Objective:TostudytheefectofwaterloggingstressonmedicinalChrysanthemummorifoliumduringtheseedling
stageandbuildareliableevaluationoffloodingtoleranceindicatorsystem.Method:Thethreecultivars:C.morifoliumcv.Hongxinju,
C.morifoliumcv.XiaobaijuandC.morifoliumcv.Changbanjuwerestudiedfortheandtheefectofwaterloggingstressontheirphysio
logicalandbiochemicalchracteristics.Result:Withtheextensionofwaterlogging,thecontentofchlorophylandrelativeleafwaterpo
tentialweredecreased,meanwhilemalonaldehyde(MDA),glutathione(GSH)andsolublesugarwereincreased.Thecatalase(CAT)of
C.morifoliumcv.HongxinjuroseatfirstandthendroppedandCATofC.morifoliumcv.XiaobaijuandC.morifoliumcv.Changbanju
declinedatfirstbeforedecreased,andthendroppedagain.Theperoxidase(POD)rosefirstlybeforedecreaseandthenincreasesagain.
Afterthewaterloggingtreatmentswhichlastfor4days,thephysiologyandbiochemistrycharacteristicscannotrestoretothecomparison
(CK)within3days.Conclusion:FourdayswaterloggingtreatmenthadmadeseriousdamageonmedicinalChrysanthemum.Among
threecultivars,C.morifoliumRamat.cv.Hongxinjushowedthehighesttoleranceability,whileC.morifoliumcv.Changbanjuwasthe
lowest,andC.morifoliumcv.Xiaobaijuwasinthemiddle.Themalonaldehyde(MDA)andcatalase(CAT)couldbethemainphysio
logicalandbiochemicalindexestoreflectthetoleranceabilityagainstwaterlogging.
[Keywords] medicinalChrysanthemummorifolium;seedlingstage;waterloggingstress;physiologicalindex
[责任编辑 吕冬梅]
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第34卷第18期
2009年9月
                           
Vol.34,Issue 18
 September,2009