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《外源氯化钙对高温胁迫下茅苍术生长生理指标与叶片关键酶基因表达的影响》

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摘要：【目的】探討外源氯化钙对高温下茅苍术生长生理指标及叶片关键酶基因表达的影响,以期为缓解茅苍术高温伤害及其耐热生长提供参考依据.【方法】以二年生茅苍术种苗为试验材料,采用盆栽方式,以不添加氯化钙的超纯水（0 mmol/L）为对照,采用无水氯化钙配制4个不同浓度的氯化钙溶液（5、10、15和20 mmol/L）对茅苍术进行高温前喷施处理,高温胁迫5 d后分别统计各处理叶片的黄叶数量,取样进行生理指标和叶绿素荧光参数测定,并测定各处理叶片的关键酶基因表达量.【结果】经5 d高温胁迫后,与对照相比,5～10 mmol/L氯化钙溶液处理能有效减少茅苍术叶片黄化现象,抑制叶绿素分解,叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性及叶绿素含量显著增加（P<0.05,下同）,丙二醛（MDA）含量和相对电导率显著降低,叶绿素荧光参数整体呈上升趋势,同时还能正向调节法呢基焦磷酸合成酶（FPPS）和3-羟基-3-戊二酸单酰辅酶A还原酶（HMGR）基因表达量,综合作用效果尤以10 mmol/L氯化钙溶液处理最佳,其POD活性（2070.526 U/g）、叶绿素含量（1.906 mg/g）、PSII最大量子效率（0.144）、非光化学猝灭系数（1.946）、表观电子传递速率（31.509）及FPPS基因表达量（1.809）均为最高.当氯化钙溶液浓度增大至15～20 mmol/L时,茅苍术外观、生理指标及关键酶基因表达等均受到抑制,缓解高温胁迫效果不佳.【结论】低浓度（5～10 mmol/L）的外源氯化钙可增强茅苍术的耐热性,有效缓解高温胁迫对其生长造成的伤害,有助于其生长.

关键词：茅苍术;外源氯化钙;生长生理指标;关键酶基因表达量

中图分类号： S567.211 文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2020）02-0267-08

Effects of exogenous calcium chloride on growth physiological indexes and leaf key enzyme gene expression of Atractylodes lancea（Thunb.） DC. under high temperature stress

XIA Yun1, GU Wei1*, CHAO Jian-guo1*, SHENG Ye-long2, WANG Yu-zhuo1,

HUI Xi-ke1, WANG Kai1, WANG Yuan-yuan1

（1School of Pharmacy, Nanjing University of Traditional Chinese Medicine, Nanjing 210023, China; 2Changzhou Menghe Shuangfeng Chinese Herbal Medicine Technology Co., Ltd., Changzhou, Jiangsu 213000, China）

Abstract：【Objective】To investigate the effects of exogenous calcium chloride on the physiological indexes and the expression of key enzyme genes in lees of Atractylodes lancea（Thunb.） DC. under high temperature, with a view to providing a reference basis for alleviating the injury of high temperature on A. lancea and its heat-resistant growth. 【Method】Taking biennial A. lancea seedlings as test materials, using potted method, using ultrapure water without adding calcium chloride（0 mmol/L） as control, and anhydrous calcium chloride was used to prepare four different concentrations of calcium chloride solutions（5, 10, 15 and 20 mmol/L） for high temperature pre-spray treatment of A. lancea. After 5 d of high temperature stress, the yellow lees of each treated group were counted and sampled for physiological indicators and chlorophyll fluorescence parameters detection, and each expression of key enzyme genes in treated lees were measured. 【Result】After 5 d of high temperature stress, compared with the control, 5-10 mmol/L calcium chloride solution treatment could effectively reduce the yellowing phenomenon of A. lancea lees, inhibit chlorophyll decomposition, and significantly increase leaf superoxide diutase（SOD）, peroxidase（POD） and catalase（CAT） activities and chlorophyll content（P<0.05, the same below）. The content of malondialdehyde （MDA） and the relative conductivity were significantly reduced, and the overall chlorophyll fluorescence parameters showed an upward trend. At the same time, the expression of key enzyme genes of farnesyl diphosphate synthase（FPPS） and 3-hydrox-3-methylglutaryl coenzyme A（HMGR） were also positively regulated, and comprehensive effect was the best when treated with 10 mmol/L calcium chloride solution. Its POD activity（2070.526 U/g）, chlorophyll content（1.906 mg/g）, PSII maximum quantum efficiency（0.144）, non-photochemical quenching coefficient（1.946）, apparent electron traner rate（31.509） and FPPS gene expression（1.809） were the highest. When the concentration of calcium chloride solution was increased to 15-20 mmol/L, the appearance, physiological indicators and key enzyme gene expression of A. lancea were inhibited, and the effects of alleviating high temperature stress was not good. 【Conclusion】Low-concentration（5-10 mmol/L） exogenous calcium chloride can enhance the heat resistance of A. lancea, which effectively alleviates the damage caused by high temperature stress and helps its growth.

Key words： Atractylodes lancea（Thunb.） DC.; exogenous calcium chloride; growth and physiological index; key enzyme gene expression

Foundation item： National Natural Science Foundation of China （81573520）; Chinese Medicine Public Health Service Subsidy “National Traditional Chinese Medicine Resources Survey Project”（Caishe〔2018〕No.43）; Jiangsu Traditional Chinese Medicine Resources Industrialization Process Cooperative Center Project （ZDXM-3-24）; General Project of Jiangsu Basic Research Plan （Natural Science Foundation）（BK20171312）

0 引言

【研究意義】苍术[Atractylodes Lancea （Thunb.）DC.]主治风寒、风湿痹痛等病症（张玉秀和李桂娟,2019）,为临床处方常用药,茅山为其道地产区.近年来,茅苍术种植面积虽不断增加,但伴随着全球气候增温的趋势,高温胁迫已对茅苍术生长造成了较大影响.有研究表明,施加外源物质可在一定程度上缓解逆境胁迫对植物造成的伤害,如氯化钙可改善植物光合结构效应（张浩等,2019）,促进酶活性（丁能飞等,2010）,提高叶绿素和可溶性蛋白含量,降低丙二醛（MDA）含量（安钰等,2019）,同时还可改善植物的不良生长状况（於晓伟,2018）.因此,研究氯化钙缓解茅苍术高温伤害的作用机理和响应变化,可为茅苍术的抗逆生长提供参考依据.【前人研究进展】钙离子为植物生长发育的必需元素之一,作为信号转导的第二信使,具有维持细胞稳定性,调节生理功能等作用（朱晓军等,2004;Hou et al.,2019）.陈莹等（2014）研究表明,外源钙可增强干旱胁迫下木豆种苗的可溶性蛋白质和谷胱甘肽（GSH）含量,但对其种子萌发的促进作用不显著.林啸等（2014）研究发现,外源钙可有效缓解镉胁迫对白菜的伤害,同时还能提高白菜的内源NO表达和钙含量.赵娟等（2016）研究指出,5～15 mmol/L的钙溶液可增强玉米的耐冷性生长能力.刘国花等（2017）研究发现,氯化钙处理可降低低温下尾巨桉幼苗的MDA及脱落酸（ABA）含量,提高内源激素含量和酶活水平,以10 mmol/L浓度的效果最佳.郝正刚等（2019）研究发现,施加钙可有效缓解镉胁迫对甜高粱的光合抑制作用,以3.0 mmol/L浓度处理效果最佳.黄璐瑶等（2019）研究发现,施加外源钙后,可有效提高盐胁迫下金银花Rubisco酶大亚基编码基因rbcL和叶绿素a/b结合蛋白编码基因Cab的表达,其中rbcL基因表达变化更敏感.任珺等（2019）研究了外源钙对盐胁迫下苦豆子生长的影响,认为氯化钙有助于苦豆子的萌发和生长,有减轻盐胁迫的作用.伍宝朵等（2019）研究认为,适宜浓度的外源钙可减轻低温对胡椒的寒害程度,提高胡椒的酶活性,减少细胞膜损伤,但浓度过高会产生抑制效果.徐宗艺等（2019）研究发现,施加氯化钙可有效减轻酸雨胁迫下烟草的失绿现象,提高其光能传递速率,减轻光能损耗.【本研究切入点】本课题组前期已研究了多种逆境胁迫对茅苍术生长的影响,为完善茅苍术的抗逆栽培,需进一步研究外源物质对缓解茅苍术逆境伤害的影响.【拟解决的关键问题】以二年生茅苍术种苗为试验材料,在高温来临前提前喷施不同浓度的氯化钙溶液,研究不同浓度氯化钙对高温胁迫下茅苍术生长生理指标和叶片关键酶基因表达的影响及其作用机理,为缓解茅苍术高温伤害及其耐热生长提供参考依据.

1 材料与方法

1. 1 试验材料

试验选用二年生茅苍术种苗,2018年12月28日种植在江苏省常州市新北区中草药基地（东经119°47′56.60″,北纬32°01′28.97″）,经南京中医药大学中药资源与开发教研室巢建国教授鉴定为菊科植物苍术[Atractylodes lancea（Thunb.） DC.]的根茎.无水氯化钙为分析纯,配制用水为超纯水.

1. 2 试验方法

试验于2019年7月在常州市新北区中草药基地内进行,采用盆栽方式,土样取自基地.土壤含铵态氮11.773 mg/kg、速效磷11.107 mg/kg、速效钾11.360 mg/kg.

采用无水氯化钙配制4个不同浓度氯化钙溶液（用超纯水配制）,分别为Ca5组（5 mmol/L）、Ca10组（10 mmol/L）、Ca15组（15 mmol/L）和Ca20组（20 mmol/L）,以Ca0组（0 mmol/L）为对照.选取植株大小相近的二年生茅苍术种苗移栽至花盆内,每盆3株,每组6盆,待其生长稳定后,于7月5日起每天18：00分别喷施不同浓度的氯化钙溶液于各组茅苍术叶面,以叶片滴液为宜,连续喷施处理7 d,之后搬至温室大棚内进行40 ℃高温处理5 d,然后观察统计各处理茅苍术叶片的颜色及黄叶数量,并取各组距顶端7～8 cm处绿色未发黄新鲜叶片,混匀,剪碎,进行生理指标测定（每组3个重复）,选取功能叶片（各组倒数第2片叶片）进行叶绿素荧光参数测定（每组5个重复）,同时取新鲜叶片约0.1 g预存在 -80 ℃冰箱中,待测其叶片3-羟基-3-戊二酸单酰辅酶A还原酶（3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A,HMGR）和法呢基焦磷酸合酶（Farnesyl pyrophosphate synthase,FPPS）基因表达量.

1. 3 测定指标及方法

观察并统计经喷施不同浓度氯化钙溶液后,受高温处理的茅苍术幼苗的外观形态特征,统计各组黄叶数.

选取各组大小、长势相近的植株叶片,去除叶脉,剪碎,混匀,设3个重复,进行生理指标测定：采用紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）活性,愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性,超氧化物歧化酶（SOD）试剂盒（南京建成生物工程公司）检测总SOD活性,DDS-11A型电导率仪测定电导率,乙醇法测定叶绿素含量,硫代酸法测定MDA含量.

茅苍术高温处理5 d后,利用LI-6400型便携式光合测定仪选取各组功能叶片5片,预先对叶片进行暗适应30 min后测定Fm、Fo等暗适应荧光参数,根据以上参数计算得到PSII最大量子效率（Fv/Fm）、光化学猝灭系数（qP）、非光化学猝灭系数（NPQ）和电子传递效率（ETR）等参数.

参照RNA提取试剂盒（TIANGEN公司）说明书提取高温胁迫5 d后茅苍术叶片的RNA,反转录为cDNA,进行PCR荧光定量测定.反应程序：94 ℃预变性5 min,94 ℃变性30 s,62 ℃退火30 s,72 ℃延伸40 s,45个循环.利用2-ΔΔCt法（以0 mmol/L氯化钙溶液组为参照）进行计算,对不同浓度氯化钙溶液处理的茅苍术叶片关键酶基因表达量差异进行分析.qRT-PCR引物序列（课题组成员前期筛选得出）见表1.

1. 4 统计分析

叶片关键酶基因应用GraphPad Pri 5.0进行图表绘制,其余指标利用SPSS 22.0进行单因素方差分析.

2 结果与分析

2. 1 外源氯化钙对茅苍术叶片颜色和黄叶数的影响

2. 1. 1 叶片颜色由图1可知,Ca0组未经氯化钙处理的茅苍术叶片发黄、失绿严重,说明高温胁迫会导致其叶绿素分解,使叶片发黄.经低浓度（5和10 mmol/L）氯化钙溶液处理后,Ca5和Ca10组茅苍术叶片发黄程度有所缓解,以Ca10组效果较佳;随着氯化钙溶液浓度的增加,茅苍术叶片发黄程度不再受到抑制,且浓度越高叶片发黄程度越接近于Ca0组.说明喷施适宜浓度的氯化钙溶液能有效缓解茅苍术叶片发黄,氯化钙溶液浓度过高时反而会导致叶片发黄严重.

2. 1. 2 叶片枯黄数量由表2可知,Ca0组茅苍术叶片黄叶数最多,经低浓度（5和10 mmol/L）氯化钙溶液处理后,Ca5和Ca10组茅苍术叶片黄叶数较Ca0组明显减少,而经高浓度（15和20 mmol/L）氯化钙溶液处理后,Ca15和Ca20组茅苍术叶片黄叶数较低浓度处理组有所增加,且随着氯化钙溶液浓度的增加,黄叶数逐渐增多,Ca20组总黄叶数已接近于Ca0组,说明适宜浓度的氯化钙溶液处理可减少茅苍术黄叶数,若浓度过高反而使其黄叶数增多.

2. 2 外源氯化钙处理对茅苍术叶片生理生化指标的影响

2. 2. 1 叶片酶活性由表3可知,与Ca0组相比,当氯化钙溶液浓度为5 mmol/L时,除POD活性增加不显著外（P>0.05,下同）,SOD和CAT活性均显著增加（P<0.05,下同）,分别较Ca0组增加7.728%和153.533%;Ca10组的叶片SOD、POD和CAT活性也较Ca0组显著增加,但与Ca5组相比,其SOD活性无显著差异,POD活性显著增加,CAT活性显著减小;随着氯化钙溶液浓度继续增加,茅苍术叶片3种酶的活性均持续下降,尤以Ca20组活性降低最明显.说明适宜浓度的氯化钙溶液处理可增加茅苍术的抗氧化酶活性,有效增强茅苍术对高温的抗性和抵御能力,但氯化钙溶液浓度过高会使茅苍术的抗氧化酶活性受到抑制.

2. 2. 2 叶片膜受损程度和叶绿素含量由表4可知,Ca0组茅苍术在遭受高温胁迫后,其MDA含量和相对电导率快速增加,说明此时茅苍术已受到高温损害.Ca5和Ca10组的茅苍术,高温胁迫后其叶片MDA含量和相对电导率均较Ca0组显著下降,尤以10 mmol/L氯化钙溶液对茅苍术叶片高温伤害的缓解效果更佳;随着氯化钙溶液浓度的增加,茅苍术叶片MDA含量和相对电导率反而有所增加,且均显著高于Ca5和Ca10组,氯化钙溶液浓度越高,二者增加越明显.说明氯化钙溶液浓度过高会加重高温下茅苍术叶片细胞膜的损伤程度.

同时由表4可看出,随着氯化钙溶液浓度的增加,茅苍术叶片叶绿素含量呈先升高后降低的变化趋势,其中Ca10组茅苍术叶片叶绿素含量最高,达1.906 mg/g,较Ca0组显著增加16.007%,也顯著高于其他处理,说明适宜浓度的氯化钙溶液可有效抑制高温下茅苍术叶片叶绿素的分解,尤以10 mmol/L氯化钙溶液效果最佳.当氯化钙溶液浓度为15～20 mmol/L时,茅苍术叶片叶绿素含量呈下降趋势且氯化钙溶浓度越高,叶绿素含量降幅越明显,说明氯化钙溶液浓度过高会使茅苍术叶片叶绿素分解加快.

2. 3 外源氯化钙处理对茅苍术叶片叶绿素荧光参数的影响

由表5可知,随着氯化钙溶液浓度的增大,各组茅苍术叶片的Fv/Fm、qP和ETR均呈先上升后下降的变化趋势,其中Fv/Fm和ETR以Ca10组最高,qP以Ca5组最高,分别较Ca0组增加53.191%、53.142%和33.871%,差异均达显著水平;Ca15和Ca20组茅苍术叶片的Fv/Fm、qP和ETR均较Ca0组有所降低,尤以Ca20组降幅最大,分别降低53.191%、31.048%和53.448%.NPQ呈先下降后上升再下降的变化趋势,其中以Ca10组最大,相比Ca0组增加20.795%,而Ca15组NPQ已趋向于Ca0组,随氯化钙溶液浓度增加,降幅更大,至Ca20组达最低值.

2. 4 外源氯化钙处理对茅苍术叶片关键酶基因表达量的影响

由图2-A可知,各处理组茅苍术叶片FPPS基因表达量随氯化钙浓度的增加呈先上升后下降的变化趋势,与Ca0组相比,Ca5组略有增加,而Ca10组基因表达量达1.809,增加80.900%,效果最佳,说明适宜浓度的氯化钙有助于调节茅苍术叶片FPPS基因表达量的上升,增强其耐热性.当氯化钙溶液浓度超过15 mmol/L时,茅苍术叶片FPPS基因表达量开始下调,说明氯化钙浓度过高会抑制茅苍术叶片FPPS基因表达.

4 结论

经5～10 mmol/L低浓度氯化钙溶液喷施处理,可有效减少高温胁迫后茅苍术的黄叶数及减轻叶片发黄程度,能降低高温胁迫对茅苍术造成的伤害;同时,低浓度氯化钙处理通过减缓叶片叶绿素分解,降低膜损伤程度,增强酶活性,调节叶片光能反应中心正常运行,提高FPPS和HMGR关键酶基因表达,以共同作用来提高茅苍术的耐热性,从而减轻热害.但氯化钙溶液浓度过高时,茅苍术的一系列生理生化反应受到抑制,缓解高温胁迫伤害的效果不佳.

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氯化钙和苍术引用文献: