土壤水分条件对丹参生长和化学成分含量的影响、机制及其应用基础

摘要

丹参(Salvia miltiorrhiza Bge.)为我国重要传统中药之一，用于治疗心血管疾病及糖尿病疗效显著，具有极其重要的临床药用价值。本实验室前期研究表明，丹参有效成分丹酚酸类成分是采后干燥胁迫诱导的产物，而在新鲜丹参中含量甚微。本实验试图通过构建不同土壤水分条件栽培实验为这一结论提供新的有力依据;其次，本实验室发现新鲜和干燥处理的丹参中均含有大量的水苏糖，且水苏糖含量与丹酚酸类成分的产量呈现一定的正相关性，推测丹酚酸类成分是由水苏糖转化而来的，但还需进一步验证栽培过程中水苏糖积累是否决定阴干后丹酚酸类成分含量;第三，一些文献报道称干旱胁迫有利于丹参中糖类和丹酚酸类成分积累，这与本实验室前期研究结果和推论相矛盾，有待分析探讨;最后，有关丹参应对干旱胁迫机制的研究还处于空白，且干旱胁迫对丹参生长和活性成分积累的影响还不清楚，需要进一步探究。　　本论文综合利用植物生理学、分子生物学和分析化学的技术着重探讨上述问题，主要研究结果如下:　　1.土壤水分条件对丹参根生物量和水苏糖含量具有显著影响。干旱0天时，三个水分组，生物量为中水分组＞高水分组＞低水分组中;不同于其他植物，非胁迫情况下丹参根中已经积累大量水苏糖，水苏糖含量为高水分组＞中水分组＞低水分组。　　开始干旱后，高水分组，随着土壤水分降低，生物量升高;中水分组，随着土壤水分降低，生物量先升高后降低;低水分组，随着土壤水分降低，生物量降低。表明对于生物量而言，适度降低土壤水分可促进丹参生物量从地上部分向地下部分转移，生物量上升，土壤水分降低过多不利于丹参生长，也影响到生物量转移的应激机制，导致生物量持续下降。三实验组水苏糖含量均伴随土壤水分含量降低，持续降低。这也不同于其他文献中的结论，认为水苏糖在抗胁迫情况下大量积累。　　2.不同水分条件栽培的新鲜丹参根中，均含有较高含量丹参酮类成分，但只有极度干旱胁迫时（土壤水势＜30％），才可检测到丹酚酸B(＜1％)，且无其他酚酸类成分。阴干样品中所有丹酚酸类成分含量均显著增加，其中丹酚酸B含量达4.2％;丹参酮类成分也增加了30％以上。阴干后丹参中丹酚酸B及总酚酸含量与栽培过程中土壤水势呈现显著负相关性，也就是说栽培过程中，土壤水分含量越低，丹参根阴干后丹酚酸类成分含量越高。栽培过程中适度的干旱胁迫有利于药材中酚酸类成分的产生。这一结论与文献报道相一致。　　3.阴干丹参根中丹酚酸B和总酚酸含量与新鲜丹参中水苏糖含量呈显著负相关性。也就是说土壤水分含量越高，丹参根中水苏糖含量越高，但阴干后产生的丹酚酸类成分含量却越低，表明丹参根中水苏糖含量并不直接决定阴干后丹酚酸类成分含量，这一结论与我们推测的结果不一致，有待进一步研究。　　4.随着干旱程度加深，三实验组中丹参根中可溶性蛋白和MDA均持续增加，表明干旱胁迫对丹参根的胁迫伤害持续加深。　　三实验组中，干旱胁迫越深，抗氧化酶SOD、POD和CAT活性越大。但是不同酶发挥功效不同，时间也不同: SOD在轻度干旱（高水分组）中活性上升最快;POD在轻中度干旱（高水分组和中水分组）的活性上升速度高于重度干旱（低水分组）;CAT在重度干旱（低水分组）中上升速度最快。表明作为第一道抗氧化防线，SOD在轻度干旱时就能迅速响应外界胁迫环境，将超氧阴离子转化为H2O2和O2，随着干旱程度加深，为了清除SOD抗氧化的产物H2O2，POD和CAT也依次发挥抗氧化作用，与H2O2结合降低活性氧含量。　　轻中度干旱（高水分组和中水分组）中，伴随土壤水势下降，丹参根总酚含量均不断下降，丹参在清除DPPH自由基、超氧阴离子自由基以及抑制脂质过氧化等方面的抗氧化能力相应持续降低。重度干旱（低水分组）中只有达到极度干旱胁迫情况（土壤水势＜30％），伴随丹酚酸B产生，总酚含量升高，才带动三种抗氧化能力急剧升高。　　可见，在轻中度干旱中，丹参主要依靠抗氧化酶抵御胁迫;而在重度干旱中主要是抗氧化剂发挥功效。丹参中两道抗氧化防线，协同，互补，共同抵御干旱胁迫。　　上述成果在丹参研究中均是首次报道，对于深入探讨丹参中有效成分积累和抗旱机制，具有一定的理论意义和应用价值。

目录

摘要

第一章 前言

1．植物抗逆的生理机制

1．1．植物对逆境的适应性

1．2．植物对非生物胁迫的生理响应

2．丹参研究概述

2．1．丹参及其研究价值

2．2．丹参的化学成分与生物合成途径

2．3．丹参化学成分的抗氧化活性

2．4．丹参耐旱特性及其机制研究

3．本实验的研究目的与意义

第二章 实验材料与方法

1．实验材料

1．1．植物材料

1．2．实验仪器

1．3．实验试剂

2．实验方法

2．1．丹参栽培与分组实验

2．2．土壤水势和生物量测定方法

2．3．丹参根次生代谢产物含量测定

2．4．抗氧化酶活性测定

2．5．提取物抗氧化活力测定

2．6．丹参根基因表达水平检测

2．7．数据分析

第三章 实验结果

1．不同水分条件丹参栽培模型的成功建立

2．干旱复水过程中植物形态与生理的变化

3．干旱复水过程中丹参根抗氧化酶活力的变化

4．干旱复水过程中丹参根化学成分含量及其抗氧化活力的变化

4．1．水苏糖含量的变化

4．2．丹酚酸类成分含量的变化

4．3．丹参酮类成分含量的变化

4．4．总酚酸含量的变化

4．5．抗氧化能力的变化

4．6．活性成分生物合成关键基因表达水平的变化

5．丹参根阴干后化学成分的变化

5．1．丹酚酸类含量

5．2．丹参酮类含量

6．相关性分析

第四章 分析与讨论

1．土壤水分含量对丹参根生长及水苏糖积累的影响

2．土壤水分条件对新鲜和阴干丹参根中活性成分的影响

3．丹参阴干根中丹酚酸和丹参酮类成分含量与新鲜根中水苏糖含量的相关性

4．丹参抗干旱胁迫的生理机制

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

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