廣藿香二倍體和四倍體植株生長、生理特性的研究

趙盼　李明　董閃

摘要：以廣藿香[Pogostemon cablin（Blanco）Benth]二倍體及其人工誘導的同源四倍體為材料，研究比較了廣藿香二倍體與四倍體植株的生長和生理特性。結(jié)果表明，廣藿香四倍體的株高、莖粗、葉片長寬、葉厚、葉面積、氣孔大小均比廣藿香二倍體高，多數(shù)性狀在二者間均達到顯著差異水平（P<0.05）；同時四倍體葉片中的葉綠素含量及POD、CAT、SOD、PAL活性均高于二倍體，且四倍體的揮發(fā)油總含量高于二倍體。這個結(jié)果為廣藿香優(yōu)良品種的選育提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：廣藿香[Pogostemon cablin（Blanco）Benth]；二倍體；四倍體；生長特性；生理特性

中圖分類號：S567.23+9；S335.1；Q945 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）22-5442-04

廣藿香[Pogostemon cablin（Blanco）Benth]為唇形科（Lamiaceae）刺蕊草屬（Pogostemon Desf.）植物，以干燥的地上部分入藥，是我國常用的芳香化濕中藥；具有芳香化濁、開胃止嘔、發(fā)表解暑之功效[1]。廣藿香原產(chǎn)于菲律賓、馬來西亞、印度等國，目前在廣東省的肇慶市、湛江市、廣州市等地及海南省均有栽培，生產(chǎn)上主要以無性繁殖為主。長期采用無性繁殖會出現(xiàn)廣藿香植株生長緩慢、抗逆性減弱和單位產(chǎn)量低等問題，甚至可能導致其后代種質(zhì)退化、病蟲害嚴重等現(xiàn)象發(fā)生[2]。多倍體藥用植物具有根、莖、葉等營養(yǎng)器官上的巨大性，并且抗逆性增強、藥用成分增加、產(chǎn)量提高等特點[3]。鑒于多倍體的特點，開展藥用植物多倍體誘導及品質(zhì)評價研究，對于培育優(yōu)良品種和提高藥材產(chǎn)量、質(zhì)量具有重要的意義。以往課題組已成功培育了廣藿香多倍體，經(jīng)染色體鑒定為廣藿香四倍體[4]。試驗對廣藿香二倍體與四倍體植株進行了生理生化特性比較研究，旨在為廣藿香四倍體品質(zhì)評價及其相關(guān)機制的研究提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用材料經(jīng)廣東藥學院中藥學院李明教授鑒定，確認為唇形科刺蕊草屬植物廣藿香。

廣藿香二倍體材料采自廣東藥學院藥圃，經(jīng)鑒定，染色體數(shù)2n=2x=28；廣藿香四倍體材料為本課題組通過秋水仙素化學誘導二倍體廣藿香獲得的植株[4]，經(jīng)鑒定，染色體數(shù)4n=4x=56。

1.2 方法

1.2.1 田間處理 試驗在2013年實施，田間試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，于9月24日進行田間直播，小區(qū)面積8 m2，每小區(qū)20株，3次重復。生長期間進行常規(guī)管理，11月28日進行形態(tài)學性狀的測定。

1.2.2 植物形態(tài)學性狀測定 2013年11月于田間隨機選取長勢一致、健壯的廣藿香二倍體與四倍體植株各10株，觀察其長勢，按常規(guī)方法測量株高、分枝數(shù)，用游標卡尺測量莖粗、葉長、葉寬、葉厚（同一葉多點測量，重復3次，取平均值）。

1.2.3 氣孔器特征的測定 在2013年11月選擇晴朗的天氣，于上午8：00～10：00時在田間取樣，隨機選取廣藿香（二倍體、四倍體）植株同一部位的新鮮葉片各10片，用鑷子撕取葉中部的下表皮，置于載玻片上，制作臨時玻片。使用ML11生物顯微鏡測量開度最大的氣孔及保衛(wèi)細胞的長度、寬度，每個葉片隨機測量10個氣孔，取平均值；并觀察每個視野中的氣孔數(shù)目（30個不同視野），統(tǒng)計單位面積內(nèi)的氣孔數(shù)量，求平均值，再計算出氣孔密度（個/視野）。

1.2.4 植物生理指標測定 在2013年11月選擇晴朗的天氣取樣，各采廣藿香二倍體、四倍體植株5株，取第3片真葉，剪碎后充分混合，分別制成各測試項目樣品，并重復3次。葉綠素含量按照文獻[5]的方法測定；過氧化物酶（Peroxidase，POD）活性按照文獻[6]的方法測定；過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性按照文獻[6]的方法測定；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase， SOD）活性按照文獻[7]的方法測定；苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanin ammo nialyase，PAL）活性按照文獻[7]的方法測定。

1.2.5 樣品揮發(fā)油含量的測定 廣藿香揮發(fā)油總含量依據(jù)文獻[1]和文獻[8]的方法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗所得數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS19.0軟件進行差異顯著性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣藿香二倍體、四倍體植株主要形態(tài)學性狀比較

廣藿香植株形態(tài)見圖1。觀察結(jié)果表明，廣藿香二倍體植株分枝較少，節(jié)略膨大，節(jié)間長約3～5 cm，莖表面灰褐色，有的略帶紫色；葉片淺綠色。四倍體植株分枝較多，節(jié)膨大，節(jié)間長約1～3 cm，莖表面灰褐色，多呈紫色；葉片顏色較二倍體深，部分葉片卷曲。廣藿香二倍體和四倍體植物形態(tài)學性狀比較結(jié)果見表1。從表1可知，廣藿香四倍體植株的株高、莖粗、葉長、葉寬、葉厚分別比二倍體增加了55.3%、19.6%、59.2%、52.8%、33.3%，之間的差異達到了顯著水平（P<0.05）?？梢姡谋扼w在株高、葉長、葉寬等形態(tài)學特征方面表現(xiàn)出了巨大性。

2.2 廣藿香二倍體、四倍體植株葉片氣孔器特征的比較

對廣藿香二倍體和四倍體植株的氣孔器觀察發(fā)現(xiàn)（圖2、圖3），四倍體的氣孔形狀與二倍體的氣孔形狀沒有太大的變化，但四倍體的氣孔明顯比二倍體大；而氣孔密度則相反，二倍體氣孔密度較四倍體大。廣藿香二倍體、四倍體植株葉片的氣孔器規(guī)格比較結(jié)果見表2。從表2可見，四倍體的氣孔長、寬分別比二倍體增加了59.5%和28.1%，之間的差異達到顯著水平（P<0.05）。

2.3 廣藿香二倍體、四倍體植株生理指標的比較

2.3.1 二倍體、四倍體植株葉片葉綠素含量的比較 廣藿香植株葉片葉綠素含量的測定結(jié)果見表3，由表3可知，廣藿香四倍體植株葉片的葉綠素a和葉綠素b含量都高于二倍體，分別增加了44.3%和21.4%，四倍體的葉片葉綠素總量約為二倍體的1.4倍，之間的差異達到了顯著水平（P<0.5）。

2.3.2 二倍體、四倍體植株葉片相關(guān)酶活性的比較 廣藿香植株葉片酶活性的測定結(jié)果見表4，從表4可知，廣藿香四倍體葉片中POD、CAT、SOD和PAL活性分別比二倍體增加了2.28倍、1.33倍、2.59倍、5.72倍，之間的差異達到了顯著水平（P<0.05）。說明倍性變化對廣藿香葉片中的POD、CAT、SOD和PAL活性的影響較大。

2.3.3 二倍體、四倍體植株葉片揮發(fā)油含量的比較 廣藿香植株葉片揮發(fā)油總含量的測定結(jié)果見表4，從表4可知，廣藿香四倍體的揮發(fā)油總含量比廣藿香二倍體高出77.2%，之間的差異達到了顯著水平（P<0.05）。

3 討論

多倍體育種是促進植物遺傳變異、改良作物特性的重要手段。多倍體植株一般表現(xiàn)為外部形態(tài)的巨大性、抗性的增強[9]、化學成分含量的相應(yīng)增加[10]等優(yōu)良性狀。在國內(nèi)，應(yīng)用組織培養(yǎng)技術(shù)已對百合[Lilium davidii var. willmottiae（Wilson）Roffill][11]、寧夏枸杞[Lycium barbarum L.][12]、丹參[Salvia miltiorrhiza Bge.][13]、黨參[Codonopsis pilosula（Franch.）Nannf. ][14]等藥用植物進行了多倍體誘變育種，并取得了較好效果。藥用植物大多以其根、莖、葉等器官為收獲對象，且大部分可通過營養(yǎng)繁殖方式生產(chǎn)藥材；多倍體植株具有營養(yǎng)器官的巨大性，能較好地滿足藥材生產(chǎn)的要求。盡管多倍體植株往往具有育性下降、不能結(jié)子或較少產(chǎn)生種子等缺陷，但對于以營養(yǎng)繁殖為主的藥用植物來說影響不大；相反，由于營養(yǎng)物質(zhì)集中于營養(yǎng)體，反而會使中藥材成品產(chǎn)量與品質(zhì)都得到提高。試驗也發(fā)現(xiàn)在同一生長期內(nèi)，廣藿香四倍體植株的形態(tài)特征與二倍體的差異明顯，比二倍體植株高出55.3%，并且莖粗、葉長、葉寬、葉厚分別比二倍體增加了19.6%、59.2%、52.8%、33.3%，同時四倍體的氣孔長、寬分別比二倍體增加了59.5%和28.1%。

研究表明，多倍體植株由于染色體加倍，使得體內(nèi)的酶有所增加，這些生理指標常用于評價植物抗逆性的強弱[15]。SOD、POD、CAT是植物細胞膜保護系統(tǒng)的組成部分，能夠清除植物體內(nèi)的·O2-、H2O2等物質(zhì)，維持體內(nèi)的活性氧代謝平衡，保護膜結(jié)構(gòu)，減輕有毒物質(zhì)對活細胞的毒害，從而使植物在一定程度上忍耐、抵抗逆境脅迫。試驗結(jié)果顯示，廣藿香四倍體葉片中的POD、CAT、SOD和PAL活性均比二倍體大幅增加。另外，植物染色體倍性的變化往往會導致次生代謝產(chǎn)物含量的增加，這就有可能獲得有效成分含量較高的藥用植物新品種，例如，杭白芷[Angelica dahurica（Fisch. ex Hoffm.） Benth. et Hook. f. ex Franch. et Sav. var. dahurica cv. Hangbaizhi Yuan et Shan，Umbelliferae]多倍體的藥用成分歐前胡素（Imperatorin）含量比原植物高出近2倍[16]；懷牛膝（Achyranthes bidentata Blume）同源四倍體中蛻皮激素（Ecdysterone）含量較原植物高出了10倍之多[10]。本試驗中，廣藿香四倍體的次生代謝產(chǎn)物揮發(fā)油（藥用有效成分）總含量比二倍體高出77.2%，進一步證明植物染色體倍性的變化對中藥材品質(zhì)的提高意義重大。有關(guān)廣藿香二倍體與四倍體植株之間的抗性及遺傳差異等研究將作進一步報道。

參考文獻：

[1] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典（一部）[M].北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2010.

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[6] 張志良，瞿偉菁.植物生理學實驗指導[M].第二版.北京：高等教育出版社，2004.

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[9] 顏志明，張蜀寧，湯偉華，等.二倍體和四倍體揚花蘿卜的品質(zhì)特性及抗寒性比較研究[J].西北植物學報，2007，27（7）：1405-1410.

[10] 呂世民，梁可鈞，葛傳吉，等.懷牛膝多倍體育種的研究[J].中藥通報，1988，13（7）：395-396.

[11] 賈敬芬，谷祝平，鄭田昌.百合花絲組織培養(yǎng)及其細胞學觀察[J].植物學報，1981，23（1）：17-21.

[12] 秦金山，王 莉，牛德水，等.枸杞同源四倍體新物種類型的建立[J].遺傳學報，1985，12（3）：200-203.

[13] 高山林，徐德然，蔡朝暉，等.丹參同源四倍體新物種的培育[J]. 中國藥科大學學報，1992，23（4）：224-228.

[14] 陳素萍，王 莉，宋秀清.黨參多倍體育種的研究[J].中草藥，1991，22（5）：224-227.

[15] 王園園，尹翠翠，王廣東.高溫脅迫對二倍體和四倍體雜交蘭相關(guān)生理生化特征的影響[J].西北植物學報，2013，33（4）：735-740.

[16] 彭 菲，張 勝，劉塔斯，等.四倍體白芷藥材中歐前胡素的含量測定[J].中國中藥雜志，2002，27（6）：426-428.

（責任編輯 王 珞）

2.3.2 二倍體、四倍體植株葉片相關(guān)酶活性的比較 廣藿香植株葉片酶活性的測定結(jié)果見表4，從表4可知，廣藿香四倍體葉片中POD、CAT、SOD和PAL活性分別比二倍體增加了2.28倍、1.33倍、2.59倍、5.72倍，之間的差異達到了顯著水平（P<0.05）。說明倍性變化對廣藿香葉片中的POD、CAT、SOD和PAL活性的影響較大。

2.3.3 二倍體、四倍體植株葉片揮發(fā)油含量的比較 廣藿香植株葉片揮發(fā)油總含量的測定結(jié)果見表4，從表4可知，廣藿香四倍體的揮發(fā)油總含量比廣藿香二倍體高出77.2%，之間的差異達到了顯著水平（P<0.05）。

3 討論

多倍體育種是促進植物遺傳變異、改良作物特性的重要手段。多倍體植株一般表現(xiàn)為外部形態(tài)的巨大性、抗性的增強[9]、化學成分含量的相應(yīng)增加[10]等優(yōu)良性狀。在國內(nèi)，應(yīng)用組織培養(yǎng)技術(shù)已對百合[Lilium davidii var. willmottiae（Wilson）Roffill][11]、寧夏枸杞[Lycium barbarum L.][12]、丹參[Salvia miltiorrhiza Bge.][13]、黨參[Codonopsis pilosula（Franch.）Nannf. ][14]等藥用植物進行了多倍體誘變育種，并取得了較好效果。藥用植物大多以其根、莖、葉等器官為收獲對象，且大部分可通過營養(yǎng)繁殖方式生產(chǎn)藥材；多倍體植株具有營養(yǎng)器官的巨大性，能較好地滿足藥材生產(chǎn)的要求。盡管多倍體植株往往具有育性下降、不能結(jié)子或較少產(chǎn)生種子等缺陷，但對于以營養(yǎng)繁殖為主的藥用植物來說影響不大；相反，由于營養(yǎng)物質(zhì)集中于營養(yǎng)體，反而會使中藥材成品產(chǎn)量與品質(zhì)都得到提高。試驗也發(fā)現(xiàn)在同一生長期內(nèi)，廣藿香四倍體植株的形態(tài)特征與二倍體的差異明顯，比二倍體植株高出55.3%，并且莖粗、葉長、葉寬、葉厚分別比二倍體增加了19.6%、59.2%、52.8%、33.3%，同時四倍體的氣孔長、寬分別比二倍體增加了59.5%和28.1%。

研究表明，多倍體植株由于染色體加倍，使得體內(nèi)的酶有所增加，這些生理指標常用于評價植物抗逆性的強弱[15]。SOD、POD、CAT是植物細胞膜保護系統(tǒng)的組成部分，能夠清除植物體內(nèi)的·O2-、H2O2等物質(zhì)，維持體內(nèi)的活性氧代謝平衡，保護膜結(jié)構(gòu)，減輕有毒物質(zhì)對活細胞的毒害，從而使植物在一定程度上忍耐、抵抗逆境脅迫。試驗結(jié)果顯示，廣藿香四倍體葉片中的POD、CAT、SOD和PAL活性均比二倍體大幅增加。另外，植物染色體倍性的變化往往會導致次生代謝產(chǎn)物含量的增加，這就有可能獲得有效成分含量較高的藥用植物新品種，例如，杭白芷[Angelica dahurica（Fisch. ex Hoffm.） Benth. et Hook. f. ex Franch. et Sav. var. dahurica cv. Hangbaizhi Yuan et Shan，Umbelliferae]多倍體的藥用成分歐前胡素（Imperatorin）含量比原植物高出近2倍[16]；懷牛膝（Achyranthes bidentata Blume）同源四倍體中蛻皮激素（Ecdysterone）含量較原植物高出了10倍之多[10]。本試驗中，廣藿香四倍體的次生代謝產(chǎn)物揮發(fā)油（藥用有效成分）總含量比二倍體高出77.2%，進一步證明植物染色體倍性的變化對中藥材品質(zhì)的提高意義重大。有關(guān)廣藿香二倍體與四倍體植株之間的抗性及遺傳差異等研究將作進一步報道。

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[10] 呂世民，梁可鈞，葛傳吉，等.懷牛膝多倍體育種的研究[J].中藥通報，1988，13（7）：395-396.

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[12] 秦金山，王 莉，牛德水，等.枸杞同源四倍體新物種類型的建立[J].遺傳學報，1985，12（3）：200-203.

[13] 高山林，徐德然，蔡朝暉，等.丹參同源四倍體新物種的培育[J]. 中國藥科大學學報，1992，23（4）：224-228.

[14] 陳素萍，王 莉，宋秀清.黨參多倍體育種的研究[J].中草藥，1991，22（5）：224-227.

[15] 王園園，尹翠翠，王廣東.高溫脅迫對二倍體和四倍體雜交蘭相關(guān)生理生化特征的影響[J].西北植物學報，2013，33（4）：735-740.

[16] 彭 菲，張 勝，劉塔斯，等.四倍體白芷藥材中歐前胡素的含量測定[J].中國中藥雜志，2002，27（6）：426-428.

（責任編輯 王 珞）

2.3.2 二倍體、四倍體植株葉片相關(guān)酶活性的比較 廣藿香植株葉片酶活性的測定結(jié)果見表4，從表4可知，廣藿香四倍體葉片中POD、CAT、SOD和PAL活性分別比二倍體增加了2.28倍、1.33倍、2.59倍、5.72倍，之間的差異達到了顯著水平（P<0.05）。說明倍性變化對廣藿香葉片中的POD、CAT、SOD和PAL活性的影響較大。

2.3.3 二倍體、四倍體植株葉片揮發(fā)油含量的比較 廣藿香植株葉片揮發(fā)油總含量的測定結(jié)果見表4，從表4可知，廣藿香四倍體的揮發(fā)油總含量比廣藿香二倍體高出77.2%，之間的差異達到了顯著水平（P<0.05）。

3 討論

多倍體育種是促進植物遺傳變異、改良作物特性的重要手段。多倍體植株一般表現(xiàn)為外部形態(tài)的巨大性、抗性的增強[9]、化學成分含量的相應(yīng)增加[10]等優(yōu)良性狀。在國內(nèi)，應(yīng)用組織培養(yǎng)技術(shù)已對百合[Lilium davidii var. willmottiae（Wilson）Roffill][11]、寧夏枸杞[Lycium barbarum L.][12]、丹參[Salvia miltiorrhiza Bge.][13]、黨參[Codonopsis pilosula（Franch.）Nannf. ][14]等藥用植物進行了多倍體誘變育種，并取得了較好效果。藥用植物大多以其根、莖、葉等器官為收獲對象，且大部分可通過營養(yǎng)繁殖方式生產(chǎn)藥材；多倍體植株具有營養(yǎng)器官的巨大性，能較好地滿足藥材生產(chǎn)的要求。盡管多倍體植株往往具有育性下降、不能結(jié)子或較少產(chǎn)生種子等缺陷，但對于以營養(yǎng)繁殖為主的藥用植物來說影響不大；相反，由于營養(yǎng)物質(zhì)集中于營養(yǎng)體，反而會使中藥材成品產(chǎn)量與品質(zhì)都得到提高。試驗也發(fā)現(xiàn)在同一生長期內(nèi)，廣藿香四倍體植株的形態(tài)特征與二倍體的差異明顯，比二倍體植株高出55.3%，并且莖粗、葉長、葉寬、葉厚分別比二倍體增加了19.6%、59.2%、52.8%、33.3%，同時四倍體的氣孔長、寬分別比二倍體增加了59.5%和28.1%。

研究表明，多倍體植株由于染色體加倍，使得體內(nèi)的酶有所增加，這些生理指標常用于評價植物抗逆性的強弱[15]。SOD、POD、CAT是植物細胞膜保護系統(tǒng)的組成部分，能夠清除植物體內(nèi)的·O2-、H2O2等物質(zhì)，維持體內(nèi)的活性氧代謝平衡，保護膜結(jié)構(gòu)，減輕有毒物質(zhì)對活細胞的毒害，從而使植物在一定程度上忍耐、抵抗逆境脅迫。試驗結(jié)果顯示，廣藿香四倍體葉片中的POD、CAT、SOD和PAL活性均比二倍體大幅增加。另外，植物染色體倍性的變化往往會導致次生代謝產(chǎn)物含量的增加，這就有可能獲得有效成分含量較高的藥用植物新品種，例如，杭白芷[Angelica dahurica（Fisch. ex Hoffm.） Benth. et Hook. f. ex Franch. et Sav. var. dahurica cv. Hangbaizhi Yuan et Shan，Umbelliferae]多倍體的藥用成分歐前胡素（Imperatorin）含量比原植物高出近2倍[16]；懷牛膝（Achyranthes bidentata Blume）同源四倍體中蛻皮激素（Ecdysterone）含量較原植物高出了10倍之多[10]。本試驗中，廣藿香四倍體的次生代謝產(chǎn)物揮發(fā)油（藥用有效成分）總含量比二倍體高出77.2%，進一步證明植物染色體倍性的變化對中藥材品質(zhì)的提高意義重大。有關(guān)廣藿香二倍體與四倍體植株之間的抗性及遺傳差異等研究將作進一步報道。

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（責任編輯 王 珞）