郑清岭，杨忠仁，张凤兰，张晓艳，郝丽珍

(内蒙古农业大学 农学院，内蒙古野生特有蔬菜种质资源与种质创新重点实验室，呼和浩特 010019)

沙芥属(PugioniumGaertn)植物属于十字花科二年生草本植物，为亚洲中部蒙古高原沙地所特有，包含沙芥[Pugioniumcornutum(L.) Gaertn.]和斧形沙芥(PugioniumdolabratumMaxim.) 2个种[1]，多生长在干旱或半干旱地区的荒漠沙地上。该属植物根系发达且分布较深，叶片披针状线形，果实为具翅刺短角果，属于肉质多浆类旱生植物，能适应干旱环境，为典型的沙生植物类群[2]，是一类优质抗旱种质资源，也是一类集食用、饲用、药用、保健和防风固沙等功能于一体的沙生蔬菜[3]。迄今，前人的研究多集中于沙芥叶片解剖结构[4]、光合特性[5]、根系形态[6]、转录组水平[7]等对干旱胁迫的响应，有关沙芥属模式种沙芥和珍稀濒危种斧形沙芥的抗旱性比较的研究较少，仅限于自然干旱胁迫条件下沙芥和斧形沙芥幼苗生长指标以及叶片生理特性的比较，并利用其平均隶属度和综合抗旱系数评价二者抗旱性[8]，而本研究从沙芥属植物活性氧清除系统方面深入分析不同干旱胁迫程度下根和叶中活性氧水平、抗氧化酶活性和抗氧化剂含量的变化，并利用隶属函数法和抗旱系数法综合评价沙芥和斧形沙芥抗旱性强弱，为沙芥属植物的抗旱栽培、抗旱育种以及种质资源评价提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料及处理

将发芽的沙芥和斧形沙芥种子点播在塑料盆(内径13 cm，高13 cm，质量0.05 kg)中，置于智能温室。培养基质为过筛沙子和腐熟羊粪(4∶1,V/V)，混合后土壤初始含水量为3.68%±0.18%，田间持水量为21.45%±0.39%。出苗后正常水分管理，采用称重法保持土壤相对含水量(SRWC, 占田间持水量的百分数)为70%～75%。植株六叶一心时自然干旱至不同处理水平后，称重控制土壤水分含量，并于每天18:00左右补充水分至不同干旱胁迫水平，干旱处理10 d时(不同干旱胁迫处理的植株叶片受害程度出现明显差异)结束试验，次日早晨7:30左右采取植株叶片和根系样品，测定相关生理指标。

沙芥和斧形沙芥各设正常供水对照(CK)、轻度干旱胁迫(light stress, LS)、中度干旱胁迫(moderate stress, MS)和重度干旱胁迫(severe stress, SS)的4个土壤水分处理，每个处理20盆(图1)。其中，沙芥CK、LS、MS、SS水平的SRWC分别为73.64%±4.42%、52.17%±1.11%、46.08%±0.92%、34.83%±2.68%；斧形沙芥相应处理的SRWC分别为74.29%±2.07%、54.00%±3.10%、44.95%±1.48%、30.07%±0.61%。

1.2 测定指标与方法

1.2.2抗氧化酶活性超氧化物歧化酶(SOD, EC 1.15.1.1)活性采用氮蓝四唑法[12]测定；过氧化物酶(POD, EC 1.11.1.7)活性采用愈创木酚法[13]测定；过氧化氢酶(CAT, EC 1.11.1.6)活性采用紫外分光光度计法[13]测定；抗坏血酸过氧化物酶(APX, EC 1.11.1.11)活性参考Nakano等[14]的方法测定；谷胱甘肽还原酶(GR, EC 1.6.4.2)活性参考Ma等[15]的方法测定；谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferase, GST, EC 2.5.1.18)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX, EC 1.11.1.9)活性根据南京建成公司试剂盒(货号A004, A005; 下同)提供的方法测定。

1.2.3抗氧化剂含量抗坏血酸(ascorbic acid, AsA)含量采用Fe3+还原法[16]测定；谷胱甘肽(reduced glutathione, GSH)含量参考Griffith等[17]的方法测定；维生素E(vitamin E, VE)含量测定根据南京建成试剂盒(A008)提供的方法；类胡萝卜素(carotenoids, CAR)含量测定采用95%乙醇提取法[12]。

1.2.4总抗氧化能力总抗氧化能力(total anti-oxidant capacity, T-AOC)的测定按南京建成试剂盒(A015)的方法。

1.3 数据处理分析

所有指标测定均4次重复，用Excel 2013整理数据，采用SPSS 21.0软件进行单因素方差分析，用Origin 9.0软件作图。采用谢小玉等[18]的方法，计算各指标的隶属函数值和抗旱系数，进而计算各处理的平均隶属度和综合抗旱系数。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对沙芥和斧形沙芥根叶中活性氧及丙二醛含量的影响

2.2 干旱胁迫对沙芥和斧形沙芥根叶中抗氧化酶活性的影响

表1显示，随着干旱胁迫程度的加剧，沙芥和斧形沙芥的根叶中POD、APX、GST活性及叶中GR活性先升高后降低，它们叶中SOD活性以及根中GR、GPX活性先降低后升高，其根叶CAT活性、叶中的GPX活性和根中SOD活性逐渐升高。其中，根和叶中SOD、POD、CAT活性在各干旱处理下均表现为斧形沙芥高于沙芥，而沙芥和斧形沙芥根中POD活性均高于叶中，其CAT活性均低于叶中；根和叶中APX活性均在中度干旱胁迫时达到最大值，其根中APX活性表现为沙芥高于相应斧形沙芥；沙芥叶中GR活性在各处理下均低于相应斧形沙芥，沙芥根GR活性在对照、轻度干旱处理时高于相应斧形沙芥，而在中度、重度干旱时低于相应斧形沙芥；沙芥叶中GST活性在各处理下均高于相应斧形沙芥，而其根GST活性在重度干旱时低于相应斧形沙芥，沙芥和斧形沙芥叶中GST活性分别在轻度干旱和中度干旱胁迫时显著升高并达到最大值；沙芥根和叶中GPX活性在各干旱处理下均高于相应的斧形沙芥。以上结果说明斧形沙芥的抗氧化酶活性高于沙芥，在活性氧清除系统中能清除更多的ROS，同时减少MDA的产生，更能适应干旱环境。

CK、LS、MS、SS分别表示对照、轻度、中度、重度干旱胁迫处理;下同图1 不同干旱胁迫处理的沙芥和斧形沙芥CK, LS, MS and SS represented control, light drought stress and moderate drought stress and severe drought stress, respectively; The same as belowFig.1 The P. cornutum and P. dolabratum under drought stress

LPC、LPD、RPC、RPD分别代表沙芥叶、斧形沙芥叶、沙芥根、斧形沙芥根；同一材料内不同小写字母表示处理间在0.05水平存在显著性差异；下同图2 干旱胁迫下沙芥和斧形沙芥幼苗活性氧及丙二醛含量的变化LPC, LPD, RPC and RPD represented P. cornutum leaves, P. dolabratum leaves, P. cornutum roots and P. dolabratum roots, respectively; Different normal letters within the same material indicated significant difference among treatments at 0.05 level; The same as belowFig.2 The ROS and MDA contents of P. cornutum and P. dolabratum seedling under drought stress

2.3 干旱胁迫对沙芥和斧形沙芥根叶中抗氧化剂含量的影响

从图3可知，随着干旱胁迫程度的加剧，沙芥和斧形沙芥的根和叶中AsA含量先增加后降低，GSH含量逐渐升高，CAR含量逐渐降低， 而它们VE含量在叶中逐渐升高，在根中逐渐降低。其中，各干旱处理叶中AsA含量在沙芥与相应斧形沙芥间较为相近，各处理根中AsA含量均表现为沙芥低于相应斧形沙芥；沙芥和斧形沙芥的根叶中AsA含量均在中度干旱胁迫时达到最大值，且斧形沙芥根和叶中AsA含量又均高于相应沙芥。在相同处理下，沙芥叶中GSH含量均明显低于相应斧形沙芥，而其根中GSH含量与相应斧形沙芥相近；沙芥和斧形沙芥根、叶中GSH含量均在重度干旱胁迫时达到最大值，且大多显著高于其余处理。沙芥和斧形沙芥的叶中VE含量均在中度干旱胁迫时达到最大值，且显著高于对照，并在相同处理下表现为沙芥低于相应斧形沙芥；沙芥和斧形沙芥根中VE含量分别在中度和重度胁迫下开始比对照显著降低。沙芥和斧形沙芥的根CAR含量在各处理下均较低且相近，而它们叶中CAR含量大幅高于根中，沙芥均明显低于相应斧形沙芥。斧形沙芥的AsA和GSH含量大于或者接近于沙芥，说明斧形沙芥比沙芥合成更多的AsA和GSH，其植物体内AsA-GSH循环系统能清除更多的ROS，从而减轻ROS伤害。

图3 干旱胁迫下沙芥和斧形沙芥根叶中抗氧化剂含量的变化Fig.3 The antioxidant contents in leaves and roots of P. cornutum and P. dolabratum seedling under drought stress

2.4 干旱胁迫对沙芥和斧形沙芥根叶中总抗氧化能力的影响

沙芥和斧形沙芥的根和叶中总抗氧化能力(T-AOC)均随着干旱胁迫程度的加剧而逐渐增强，且均在中度干旱时比对照显著升高，在重度胁迫时仍保持在显著较高水平(图4)。其中，沙芥和斧形沙芥的叶T-AOC在轻度、中度、重度干旱时分别比对照升高了16.56%、83.87%、98.86%和38.54%、105.99%、130.48%，它们根中T-AOC分别比对照升高了15.35%、18.86%、48.03%和9.12%、48.89%、55.47%。沙芥的根和叶T-AOC在各干旱处理下均不同程度地低于相应的斧形沙芥，且在中度和重度干旱时的增加幅度小于斧形沙芥，所以斧形沙芥的根、叶总抗氧化能力均强于沙芥，其抗旱能力强于沙芥。

2.5 沙芥和斧形沙芥抗旱性综合评价

沙芥和斧形沙芥在不同干旱胁迫下的平均隶属度和综合抗旱系数如表2所示。沙芥叶的平均隶属度在轻度干旱时大于斧形沙芥，而此时其根的平均隶属度小于斧形沙芥；沙芥叶、根的平均隶属度在中度、重度干旱时均小于斧形沙芥；沙芥叶和根的平均隶属度之和在轻度干旱时大于斧形沙芥，而在中度、重度干旱时小于斧形沙芥。同时，沙芥叶、根的综合抗旱系数及其叶、根的综合抗旱系数之和在轻度干旱时均大于斧形沙芥，而其在中度、重度干旱时均小于斧形沙芥。所以，在中度、重度干旱胁迫条件下，斧形沙芥的抗旱性强于沙芥。

图4 干旱胁迫下沙芥和斧形沙芥幼苗根叶中总抗氧化能力(T-AOC)的变化Fig.4 The total anti-oxidant capacity (T-AOC) in leaves and roots of P. cornutum and P. dolabratum seedling under drought stress

3 讨 论

表2 沙芥和斧形沙芥各处理的平均隶属度和综合抗旱系数

植物ROS的积累会促进SOD、CAT、POD等抗氧化酶活性的增强，已有研究表明，植物根叶的SOD、CAT和POD活性在干旱胁迫加重过程中均先升高后降低，如沙棘叶片[20]、玉米叶片和根系[23]、鸭茅叶片和根系[21]，本试验中沙芥和斧形沙芥的根和叶中POD活性随着干旱胁迫加剧先升高后降低，与玉米[24]、鸭茅[21]相一致；其根和叶中SOD和CAT活性总体上呈现逐渐升高的趋势，与红砂叶片[25]、沙枣叶片[26]变化趋势一致。同时，沙芥和斧形沙芥在受到干旱胁迫时，根和叶中SOD活性、叶中CAT活性和根中POD活性较高，可能是清除ROS的主要的抗氧化酶。在不同程度干旱胁迫下，斧形沙芥的根和叶中SOD、CAT和POD活性均高于相同处理的沙芥，所以斧形沙芥的抗氧化酶活性强于沙芥。另外，植物中GST主要在细胞质中参与植物抵抗氧化胁迫的反应，能解除羟基过氧化物的毒性[27]。GPX可直接清除膜脂过氧化物而修复氧化胁迫对膜造成的伤害[28]，在清除脂类和烷基过氧化物的氧化代谢方面具有重要作用[29]。本试验中沙芥和斧形沙芥根和叶中GST活性均随干旱胁迫加剧呈现先升高后降低的变化趋势，并在轻度或者中度干旱时达到最大值，说明轻度或中度干旱胁迫促进了GST活性增强，参与了抗氧化保护系统；而重度干旱时GPX活性增加，可能是由于沙芥属植物在受到重度干旱胁迫时质膜伤害加重所致。

植物ROS的积累也会促进AsA、GSH、VE等抗氧化剂含量的增加，随着干旱胁迫程度加剧，本研究中沙芥和斧形沙芥根和叶中AsA含量先增加后降低，GSH含量逐渐升高，CAR含量逐渐降低，VE含量在叶中逐渐增加而根中逐渐降低。在干旱胁迫过程中，苹果叶片[30]、新疆野苹果和平邑甜茶叶片[31]的AsA含量均先上升后下降，冰草叶片[28]、小麦幼苗[32]的GSH含量呈上升趋势，花棒苗[33]重度干旱胁迫时CAR含量显著降低。这些植物在干旱胁迫下AsA、GSH和CAR的变化趋势均与沙芥属植物变化一致。但花棒苗[33]的AsA含量在重度干旱胁迫下显著增加，GSH含量均显著降低；小麦幼苗[32]、白三叶叶片[34]的AsA含量呈下降趋势，苹果叶片[30]、白三叶叶片[34]的GSH先升高后降低，红砂叶片[25]以及冰草[28]、无芒隐子草[28]、白羊草叶片[28]的CAR含量增加，与沙芥属植物在干旱胁迫下的变化趋势不一致，充分说明不同种属的植物抗氧化剂对干旱胁迫的响应有差异。沙芥和斧形沙芥的根和叶中AsA含量在重度干旱时显著下降，可能是因为合成AsA途径的关键酶合成受到了抑制；斧形沙芥的根和叶中AsA和GSH含量均大于沙芥，能更好地参与AsA-GSH循环系统清除ROS的危害，这可能是斧形沙芥抗旱性强的另一个原因。

抗氧化酶和抗氧化剂共同反映了植物体内的总抗氧化能力，而总抗氧化能力(T-AOC)是机体内所有物质抗氧化能力的总和，是衡量机体抗氧化系统功能状况的综合性指标，测定总抗氧化力可以了解植物防御体系受干旱胁迫影响的情况[35]。沙芥和斧形沙芥的根和叶中T-AOC均随着干旱胁迫程度加剧逐渐增强，这一结果与干旱胁迫下空心莲子草T-AOC的表现[36]相一致。各种抗氧化酶和抗氧化剂的协调作用在维持低水平的ROS和保护植物细胞免受氧化胁迫伤害中具有重要作用[28]。干旱胁迫导致植物体内ROS产生，从而诱导沙芥和斧形沙芥的SOD、POD、CAT、APX、GR、GST、GPX等抗氧化酶活性以及AsA、GSH、VE等抗氧化剂含量的先后升高，抗氧化酶和抗氧化剂协调作用共同清除ROS，使ROS的产生与清除趋于平衡，避免或减轻植株受到伤害。由于沙芥叶、根各处理的T-AOC均低于相同处理的斧形沙芥，所以斧形沙芥在干旱胁迫下表现出更强的抗干旱胁迫能力。另外，郑清岭等[8]根据自然干旱胁迫第12天时的沙芥和斧形沙芥幼苗的生长和叶片生理指标的隶属函数值和抗旱系数分析发现，重度干旱下的斧形沙芥的抗旱性强于沙芥。本试验中通过人工模拟干旱的方法再次证实了该结论，同时根据沙芥和斧形沙芥的根和叶在不同干旱胁迫程度下各指标的平均隶属度以及综合抗旱系数可知，轻度干旱胁迫下沙芥抗旱性强于斧形沙芥，中度和重度干旱胁迫下斧形沙芥的抗旱性强于沙芥。