干旱脅迫對(duì)蒙古黃芪生長(zhǎng)及根部次生代謝物含量的影響

梁建萍，賈小云，劉亞令，吳　云，周　然，馮前進(jìn)

1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，太谷　030801　　2 山西中醫(yī)學(xué)院，晉中　030619

?

干旱脅迫對(duì)蒙古黃芪生長(zhǎng)及根部次生代謝物含量的影響

梁建萍1，賈小云1，劉亞令1，吳云1，周然2,*，馮前進(jìn)2

1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，太谷0308012 山西中醫(yī)學(xué)院，晉中030619

以山西道地藥材黃芪一年生幼苗為試驗(yàn)材料，設(shè)置常規(guī)水分條件(CK)、輕度干旱脅迫(A1)、中度干旱脅迫(A2)、重度干旱脅迫(A3)4 個(gè)不同處理，研究土壤干旱脅迫對(duì)黃芪生長(zhǎng)及生理的影響。結(jié)果表明：黃芪莖葉快速生長(zhǎng)集中在出苗后80—120 d，以后生長(zhǎng)減緩；當(dāng)莖葉枯萎時(shí)，根中生物量短期快速積累。與常規(guī)水分條件相比，干旱脅迫處理顯著降低了黃芪苗高及莖葉生物量，但對(duì)抗氧化能力、根系生長(zhǎng)及次生代謝物積累產(chǎn)生了不同的影響。輕度干旱脅迫下 SOD、POD、CAT 3種抗氧化酶活性升高，丙二醛(MDA)含量和細(xì)胞膜透性降低，同時(shí)根長(zhǎng)與根生物量增加、多糖與皂苷兩種次生代謝物積累增多，黃芪藥材的質(zhì)量得到顯著提高(P<0.05)；脅迫上升到中度、重度時(shí)，SOD 酶活性逐漸降低，重度脅迫下低于對(duì)照，而 POD 及 CAT 酶活性、MDA 含量、細(xì)胞膜透性均隨脅迫增強(qiáng)而升高，相反，根長(zhǎng)、根生物量、多糖與皂苷含量降低，導(dǎo)致黃芪藥材的質(zhì)量顯著降低(P<0.01)。綜上表明，干旱脅迫下，SOD 酶表現(xiàn)較為敏感，可能在清除活性氧中起主要作用；輕度水分脅迫能有效啟動(dòng)黃芪體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)和次生代謝，它們相互協(xié)作共同對(duì)抗脅迫對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的傷害，通過(guò)降低地上部分的生長(zhǎng)，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)優(yōu)先運(yùn)往根部，促進(jìn)根產(chǎn)量及藥材質(zhì)量的提高。這一結(jié)論，可在黃芪多糖和皂苷次生代謝物定向培育的水分管理中加以利用。

蒙古黃芪；干旱脅迫；抗氧化酶；次生代謝物

中藥材GAP的制定與實(shí)施，就是要使中藥材生產(chǎn)向著“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定、可控”的方向發(fā)展，而提高中藥材栽培技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中藥材生長(zhǎng)與藥效成分合成人工調(diào)控是保證中藥材質(zhì)量的根本。藥效成分大多是藥用植物中的次生代謝物，當(dāng)受到干旱、高溫、冷害、水淹等環(huán)境脅迫后，體內(nèi)活性氧(reactive oxygen species，ROS)代謝失衡，引發(fā)抗氧化酶活性改變，進(jìn)而通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)、酶的合成及各種酶促反應(yīng)等不同層次影響次生代謝過(guò)程[1-2]，從而顯著提高次生代謝物含量甚至從頭合成[3]。

水分是植物生存必需的環(huán)境因子，而根系是吸收水分的主要器官，因而土壤水分含量對(duì)根系的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。對(duì)于根類(lèi)藥材來(lái)講，水分是影響藥材產(chǎn)量和質(zhì)量的重要環(huán)境因子。研究表明，適宜的水分脅迫能促進(jìn)根系生長(zhǎng)，并能誘導(dǎo)次生代謝過(guò)程，提高藥效成分含量，如適宜的土壤干旱有利于高山紅景天地下部分的生長(zhǎng)及紅景天甙含量的積累[4]；中度干旱脅迫可以促進(jìn)菘藍(lán)根部生長(zhǎng)和靛玉紅的積累，產(chǎn)量與質(zhì)量可以兼顧，而嚴(yán)重水分脅迫不利于根系生長(zhǎng)和次生物的合成[5]；中度干旱脅迫有利于鼠尾草酚類(lèi)物質(zhì)的合成，而重度脅迫下其合成量會(huì)下降[6]；短期的輕度干旱處理有利于提高黃檗幼苗小檗堿、藥根堿及掌葉防己堿的合成和積累[7]。由此可見(jiàn)，在不影響植物正常生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，適度控制土壤含水量，達(dá)到根系生長(zhǎng)與次生代謝人為調(diào)控是獲得根類(lèi)藥材優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要保障。

黃芪是山西省著名的根類(lèi)道地藥材，來(lái)源于豆科植物蒙古黃芪(AstragalusmembranaceusBunge var.mongholicus(Bge.)Hsiao)或膜莢黃芪(Astragalusmembranaceus(Fisch.) Bge.)的干燥根，具有調(diào)節(jié)免疫功能、抗衰老、抗應(yīng)激、抗心肌缺血和保護(hù)腎臟、肝臟、鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛和抗骨質(zhì)疏松等作用，廣泛應(yīng)用于臨床配方。由于長(zhǎng)期大量無(wú)節(jié)制采挖，野生黃芪資源瀕臨枯竭，目前，黃芪藥材主要來(lái)源于人工栽培，但因缺乏生產(chǎn)規(guī)范化意識(shí)，加之對(duì)環(huán)境生態(tài)因子的重視度不夠，以致藥材的質(zhì)量和規(guī)格難以保證。因此加強(qiáng)黃芪栽培生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)的理論研究，提高水肥管理水平，對(duì)實(shí)現(xiàn)黃芪 GAP 及質(zhì)量穩(wěn)定可控顯得尤為重要。本研究借鑒植物逆境生理學(xué)研究成果，從控制土壤水分入手，研究水分脅迫對(duì)蒙古黃芪幼苗生長(zhǎng)、生理及多糖、皂苷、黃酮3種主要藥用成分積累的影響，旨在為黃芪規(guī)范化栽培中提高水分管理技術(shù)，控制藥材質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院中藥材栽培基地，該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔 781 m，年均氣溫 10 ℃左右，1月均溫 -7 ℃, 7月均溫 23 ℃，最高氣溫 36 ℃，最低氣溫 -26 ℃，年降水量 540 mm，無(wú)霜期為 140—180 d。

1.2試驗(yàn)材料及處理

本試驗(yàn)以蒙古黃芪一年生實(shí)生幼苗為試材，種子采自山西省渾源縣官兒鄉(xiāng)半野生黃芪分布區(qū)。

2013 年 4 月 30 日，對(duì)種子進(jìn)行催芽，先將種子浸于 50 ℃ 溫水中攪動(dòng)，待水溫降至 40 ℃ 后浸泡 24 h，澇出洗凈用濕布覆蓋，種子膨大或種皮破裂時(shí)進(jìn)行播種。5 月 4 日將種子拌適量細(xì)沙，均勻撒入 3 cm 深的播種溝內(nèi)，覆土 1—1.5 cm，稍加鎮(zhèn)壓。5 月 20 日出苗，正常供水 2 個(gè)月后，選擇生長(zhǎng)良好，大小一致的幼苗移至塑料盆內(nèi)，盆高 27 cm、上口徑 35 cm、下口徑 22 cm，每盆裝風(fēng)干土 10 kg，定苗 1 株。緩苗后于 7 月 31 日開(kāi)始進(jìn)行控水處理，至 10 月下旬黃芪地上部枯萎結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，晴天將所有盆栽苗暴露在自然環(huán)境中，陰雨天設(shè)遮雨棚以防降水。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)置4種水分處理，包括常規(guī)水分條件(CK：土壤含水量為田間最大持水量的70%—75%)、輕度干旱脅迫(A1：土壤含水量為田間持水量的60%—65%)、中度干旱脅迫(A2：土壤含水量為田間持水量的50%—55%)、重度干旱脅迫(A3：土壤含水量為田間持水量的40%—45%)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)240株。土壤含水量采用稱(chēng)重法控制，試驗(yàn)期間每隔1 d下午通過(guò)稱(chēng)重監(jiān)測(cè)失水情況并進(jìn)行補(bǔ)水，使各處理保持在設(shè)定的水分標(biāo)準(zhǔn)范圍。

各試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)試于 7 月 31 日(作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù))開(kāi)始，苗高及生理指標(biāo)每隔 1 周測(cè)定 1 次，根長(zhǎng)與生物量每 2 周測(cè)定 1 次，多糖、黃酮、皂苷3種藥效成分于生長(zhǎng)末期測(cè)定，每個(gè)指標(biāo)測(cè)定 3 株，3 次重復(fù)，結(jié)果取平均值。

1.4生長(zhǎng)量及生物量的測(cè)定

用直尺測(cè)量苗高和根長(zhǎng)。生物量測(cè)定分莖葉和根兩部分，樣品采回后，105 ℃ 殺青，70 ℃ 烘干至恒重，稱(chēng)重。

1.5保護(hù)酶活性與脂質(zhì)過(guò)氧化測(cè)定

酶液提取方法: 稱(chēng)取植株中上部最新發(fā)育成熟的葉片 0.3 g 于預(yù)冷研缽中，加入 6 mL 0.1mol/L的磷酸緩沖液(pH7.8)，冰浴下勻漿，4 ℃ 下15000 r/min 離心 15 min，收集上清液用于 SOD、POD、CAT 及 MDA 含量的測(cè)定。具體測(cè)定均參照李合生[8]的方法，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑光還原法測(cè)定，以每 mg 蛋白抑制 NBT 光化還原 50% 的酶量作為1個(gè)酶活性單位(U/mg蛋白)；過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測(cè)定，以每分鐘吸光值變化 0.01 作為一個(gè)酶活性單位(U min-1g-1蛋白)；過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測(cè)定，以每分鐘分解的 H2O2表示酶活性單位(U min-1mg-1蛋白)；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)顯色法測(cè)定(μmol/g)。

細(xì)胞質(zhì)膜透性采用電導(dǎo)儀法測(cè)定[8]。準(zhǔn)確稱(chēng)取 0.2 g 葉片，加入 10 mL 去離子水，真空抽氣 15 min，置于搖床室溫保持 1 h，測(cè)電導(dǎo)率S1；然后沸水浴 10 min，冷卻至室溫測(cè)電導(dǎo)率S2，依公式計(jì)算膜相對(duì)透性，電導(dǎo)率(%)=(S1/S2)%。

1.6次生代謝物含量的測(cè)定

1.6.1多糖的測(cè)定

以無(wú)水葡萄糖為對(duì)照品制標(biāo)準(zhǔn)曲線，苯酚-硫酸比色法測(cè)定多糖含量[9]。

將黃芪根樣品粉碎混勻，45 ℃ 烘干 24 h 后，準(zhǔn)確稱(chēng)取 0.2 g 樣品，放入 100 mL 容量瓶中，加入 80% 乙醇溶液定容。超聲波提取 2 h，過(guò)濾，棄去濾液，用 80% 乙醇溶液清洗容量瓶、濾渣及濾紙 3 次。將濾渣連同濾紙放入原容量瓶中，加沸水約 80 mL，再超聲波提取 1 h，冷卻至室溫后定容、搖勻、過(guò)濾。取濾液 2.5 mL 于 50 mL 容量瓶中，加蒸餾水定容作為多糖提取液，每個(gè)樣品重復(fù) 3 次。

精密吸取多糖提取液 10 μL，注入 2 mL 刻度試管，蒸餾水定容、搖勻，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定 485 nm 處的吸光值，根據(jù)線性方程Y=0.0321X-0.0024(R2=0.985)計(jì)算多糖含量。

1.6.2總黃酮的測(cè)定

利用黃酮類(lèi)化合物與鋁鹽反應(yīng)生成紅色絡(luò)合物，以蘆丁為對(duì)照品，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定總黃酮含量[10]。

稱(chēng)取經(jīng)60 ℃ 烘干的黃芪根樣品2.0 g，置于50 mL容量瓶，加甲醇35 mL，浸泡2 h，超聲波提取30 min，加甲醇至刻度放置24 h即得總黃酮提取液。

精密吸取提取液2.0 mL置于25 mL容量瓶，定容。在500 nm處測(cè)吸光值，代入Y=1.3077X+0.015(R2=0.9823)，計(jì)算總黃酮含量。

1.6.3總皂苷的測(cè)定

以黃芪甲苷為對(duì)照品，采用香草醛-冰醋酸比色法測(cè)定總皂苷含量[11]。

準(zhǔn)確稱(chēng)取3.0 g樣品，加60 mL甲醇在索氏提取器中冷浸12 h，然后水浴提取6 h，回收甲醇，殘?jiān)铀?0 mL加熱溶化，轉(zhuǎn)入分液漏斗中，用30 mL的水飽和正丁醇萃取4次，合并正丁醇層，用20 mL氨試液(400 mL濃氨水加水配成1000 mL)洗滌3次，棄去堿水層，回收正丁醇，殘?jiān)眉状级ㄈ葜? mL即成總皂苷提取液。

精密吸取提取液 0.5 mL，在 540 nm 處測(cè)定吸光值，按Y=0.4367X+0.0072(R2=0.9933)計(jì)算總皂苷含量。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤干旱脅迫對(duì)黃芪生長(zhǎng)量及生物量的影響

黃芪苗高與莖葉生物量隨幼苗生長(zhǎng)一直處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，出苗后 80—110 d(8月14日—9月12日)苗高生長(zhǎng)最快，生物量快速積累；出苗后120 d(9月19日)苗高生長(zhǎng)減緩，生物量積累速率降低，至出苗后 150 d(10月17日試驗(yàn)結(jié)束)苗高與生物量達(dá)到最大值(圖 1)。干旱脅迫后對(duì)苗高、莖葉生物量產(chǎn)生顯著影響(表 1)，隨著脅迫強(qiáng)度增大，苗高與莖葉生物量隨幼苗生長(zhǎng)遞減，與正常水分條件(土壤含水量70%—75%)相比，輕度干旱脅迫(A1：土壤含水量60%—65%)下苗高降低了 11.60%(P<0.05)，雖然生物量也有所降低，但并無(wú)顯著差異；中度干旱脅迫(A2：土壤含水量50%—55%)下，苗高與生物量分別比對(duì)照降低 23.18%、18.78%(P<0.01)，重度干旱(A3：土壤含水量40%—45%)降低了 55.79%、32.13%(P<0.01)，說(shuō)明水分脅迫抑制了幼苗地上部分的生長(zhǎng)與物質(zhì)積累，且干旱脅迫愈強(qiáng)影響愈大。

圖1　不同土壤干旱脅迫對(duì)黃芪生長(zhǎng)的影響Fig.1　Effect of different drought stress on growth of Astragalus membranaceus var.mongolicus

根長(zhǎng)隨幼苗的生長(zhǎng)而增加，莖葉枯萎時(shí)達(dá)最大值；出苗后 100 d 內(nèi)根生物量積累緩慢，以后積累加快，至出苗后約 150 d 達(dá)到最大值(圖 1)。輕度干旱脅迫后，促進(jìn)了根的生長(zhǎng)與生物量積累，根長(zhǎng)與生物量分別比對(duì)照增加 15.18%(P<0.05)、29.13%(P<0.01)；中度干旱下根長(zhǎng)比對(duì)照降低 12.86%，差異不顯著，但生物量極顯著降低 43.95%(P<0.01)；重度干旱嚴(yán)重影響了根生長(zhǎng)與生物量積累，分別比對(duì)照降低了30.28%(P<0.01)、60.60%(P<0.01)(圖 1、表 1)。說(shuō)明輕度干旱有助于根系生長(zhǎng)，而脅迫加重后抑制根系的正常生長(zhǎng)。

表1　不同土壤干旱脅迫下黃芪的生長(zhǎng)量與生物量

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，樣本數(shù)=9；同列中不同大小寫(xiě)字母分別表示處理間在 0.01 和 0.05 上差異顯著

2.2土壤干旱脅迫對(duì)黃芪抗氧化酶活性的影響

黃芪幼苗葉片 SOD 酶活性在生長(zhǎng)期內(nèi)呈波浪型變化，生長(zhǎng)前期活性較高，隨后活性降低，生長(zhǎng)后期再度升高，至生長(zhǎng)末期又降到最低(圖 2)。不同干旱脅迫對(duì) SOD 酶的影響不同，輕度干旱脅迫下，沒(méi)有改變 SOD 酶的變化趨勢(shì)，整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)酶的活性明顯高于對(duì)照，脅迫初期 SOD 酶活明顯升高；中度干旱脅迫下，SOD 酶活一直維持在高于對(duì)照但低于輕度脅迫的水平，初期 SOD 活性有所降低，后期活性升高；重度干旱脅迫下，SOD 酶活性明顯低于對(duì)照，而且隨幼苗生長(zhǎng)持續(xù)降低，處于 4 組水分處理的最低水平。

圖2　不同土壤干旱脅迫對(duì)黃芪葉片3種抗氧化酶活性的影響Fig.2　Effect of different drought stress on activities of three antioxidant enzymes in leaves of Astragalus membranaceus var.mongolicus

圖 2 顯示，POD 酶活性在生長(zhǎng)前期隨幼苗生長(zhǎng)而下降，8 月 21 日降到最低值，比測(cè)定初期(7 月 31日)降低 47.24%，然后稍有升高直至葉片枯萎，但活性低于初期，測(cè)定末期(10月3日)的酶活是測(cè)定初期的 60.41%。干旱脅迫后，隨著脅迫強(qiáng)度加強(qiáng)，POD 酶活性降低或升高的幅度加大，生長(zhǎng)前期酶活急速下降，8 月 21 日，3種脅迫下的酶活性分別比測(cè)定初期降低了 54.70%、61.83%、60.0%；之后酶活性又呈不同程度升高，輕度脅迫下酶活緩慢上升，至葉片枯萎時(shí)略有下降，10 月 3 日的酶活比 8 月 21 日升高了 47.42%，但比初期降低 33.22%，中度和重度脅迫后，末期酶活性分別比 8 月 21 日提高了 1.37倍、2.32 倍，中度脅迫后末期酶活仍低于初期，但重度脅迫后酶活明顯升高，比初期提高了 32.97%。輕度和中度脅迫下，POD 酶活變化曲線呈“S”型，而重度脅迫下呈“V”型。

CAT 酶活性在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)變化平緩，平均活性為 194.95 U g-1min-1，測(cè)定末期低于初期。干旱脅迫后，CAT 酶活性始終高于對(duì)照，呈現(xiàn)先升高后降低再升高再降低的波浪型變化趨勢(shì)(圖 2)。輕度脅迫下，CAT 酶的變化幅度輕小，平均酶活為 226.13 U g-1min-1，高于對(duì)照 16.0%，且末期酶活性低于初期；中度和重度脅迫下，CAT 酶活性升高幅度較大，平均酶活性分別比對(duì)照提高 34.97%、52.91%，尤其在生長(zhǎng)后期酶活性明顯升高，之后隨葉片枯萎降低，至末期酶活性高于初期。

2.3土壤干旱脅迫對(duì)黃芪葉片脂質(zhì)過(guò)氧化程度的影響

本試驗(yàn)用丙二醛(MDA)含量和細(xì)胞膜相對(duì)透性來(lái)衡量細(xì)胞膜受傷害的程度。從圖 3 可以看出，生長(zhǎng)期內(nèi)黃芪葉片丙二醛含量呈先降低后升高趨勢(shì)，且生長(zhǎng)末期含量高于初期，而細(xì)胞膜滲透率先升高然后降低，生長(zhǎng)末期低于初期。不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)二者產(chǎn)生的影響不同，輕度干旱脅迫后，整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)膜滲透率和 MDA 含量均低于對(duì)照，中度和重度干旱脅迫后，二者均明顯高于對(duì)照，干旱強(qiáng)度愈大，脂質(zhì)過(guò)氧化程度愈明顯。

圖3　不同土壤干旱脅迫對(duì)黃芪丙二醛及電導(dǎo)率的影響Fig.3　Effect of different drought stress on contents of malondialdehyde and electrolyte leakage of Astragalus membranaceus var.mongolicus

2.4土壤干旱脅迫對(duì)黃芪根中3種次生代謝物含量及產(chǎn)量的影響

常規(guī)供水條件下，黃芪根中多糖含量最高為12.18 mg/g，皂苷含量次之為4.82 mg/g，黃酮含量最低為3.37 mg/g(圖4)。干旱脅迫對(duì)次生物的積累影響不同，輕度干旱脅迫下，多糖和皂苷含量分別比對(duì)照增加17.82% 和 12.33%，黃酮含量與對(duì)照差異不大；中度和重度干旱脅迫下，次生物質(zhì)含量減少，尤其是重度脅迫下多糖和皂苷含量顯著降低，分別比對(duì)照降低17.98%、27.18%。

圖4　不同土壤干旱脅迫下黃芪單株次生代謝物含量和產(chǎn)量Fig.4　The Secondary metabolites content and yield in root of Astragalus membranaceus var.mongolicus seedling under different drought stress圖中不同大小寫(xiě)字母分別表示處理間在0.01和0.05水平差異顯著

在生產(chǎn)中人們更關(guān)心的是黃芪藥效成分的產(chǎn)量，即藥效成分含量與根生物量干重的乘積。輕度干旱脅迫下，不僅促進(jìn)了根的生長(zhǎng)和生物量的積累，而且也顯著增強(qiáng)了多糖和皂苷的含量，盡管黃酮含量沒(méi)有明顯提高，但由于根生物量的增加，因而黃酮產(chǎn)量也有所增加，3種藥效成分多糖、黃酮、皂苷產(chǎn)量分別比對(duì)照提高了25.70%(P<0.05)、2.97%、19.63%(P<0.05)，總產(chǎn)量提高了20.51%(P<0.05)(圖4)；中度和重度干旱脅迫下，根生長(zhǎng)受到抑制，3種藥效成分含量減少，因而產(chǎn)量極顯著降低，其中多糖產(chǎn)量分別比對(duì)照降低45.48%、67.70%(P<0.01)，黃酮降低50.53%、64.73%(P<0.01)，皂苷降低49.93%、71.32%(P<0.01)，總產(chǎn)量降低47.0%、68.07%(P<0.01)。

3　討論與結(jié)論

水分對(duì)植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育具有調(diào)控作用，尤其與根類(lèi)藥材的生長(zhǎng)和藥效成分的合成積累關(guān)系密切。在適宜水分條件下，根系生長(zhǎng)良好，構(gòu)型合理，產(chǎn)量高，但不利于藥效成分的合成；而適度的水分脅迫能誘導(dǎo)防御與適應(yīng)反應(yīng)，增強(qiáng)體內(nèi)次生代謝[2，12]，從而提高藥效成分含量。因此，研究水分與藥材生長(zhǎng)及藥效成分合成積累之間的關(guān)系，尋找既能提高質(zhì)量又不影響產(chǎn)量的土壤含水量，是中藥材規(guī)范化生產(chǎn)中水分管理的關(guān)鍵技術(shù)。

本研究發(fā)現(xiàn)，輕度干旱脅迫下黃芪苗高和莖葉生物量降低，但顯著促進(jìn)了根的生長(zhǎng)和生物量的積累；中度和重度干旱脅迫下顯著抑制了苗木生長(zhǎng)及生物量積累。植物在受到資源限制時(shí)，通常會(huì)調(diào)節(jié)生物量分配以適應(yīng)環(huán)境變化[13]，在輕度干旱條件下，黃芪為了滿足對(duì)水分的需求，將生長(zhǎng)中心向根系轉(zhuǎn)移，試圖從土壤中吸收更多的水分[14]，從而促進(jìn)了根的生長(zhǎng)，而地上部因受水分限制生長(zhǎng)減弱；當(dāng)土壤干旱加重時(shí)，根系吸水受阻，影響同化物的合成，因而根長(zhǎng)、根生物量顯著降低(圖 1，表 1)。

干旱脅迫誘導(dǎo)植物的抗氧化防御反應(yīng)已有很多報(bào)道，一般來(lái)說(shuō)，隨著脅迫強(qiáng)度的增大和時(shí)間的延長(zhǎng)，植物體內(nèi)膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物 (MDA) 含量和電導(dǎo)率增加，抗氧化酶活性表現(xiàn)出先升后降的變化，也有些植物不同抗氧化酶活性表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律[15]。本研究顯示，輕度干旱脅迫下黃芪生長(zhǎng)期內(nèi) MDA 含量和電導(dǎo)率降低(圖 3)，SOD、POD、CAT 3種抗氧化酶活性總體高于對(duì)照(圖 2)，SOD 酶活性呈先升后降再升再降的波浪型變化趨勢(shì)，POD 酶活性變化呈“S”型，CAT 酶活性變化平緩，這與陳思婷等[16]對(duì)檳榔幼苗的研究結(jié)果一致。3種抗氧化酶不同的變化趨勢(shì)，說(shuō)明細(xì)胞通過(guò)抗氧化酶之間的協(xié)同作用，清除細(xì)胞內(nèi)的活性氧和降低膜脂過(guò)氧化程度來(lái)提高植株的抗性[17]，因而植株得以正常生長(zhǎng)。當(dāng)干旱脅迫上升到中度、重度時(shí)，SOD 酶活性明顯降低，而 POD 及 CAT 酶活性提高，MDA 含量、電導(dǎo)率隨脅迫增強(qiáng)而升高(圖 2，圖3)， 說(shuō)明脅迫已超出了細(xì)胞的承受能力，細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度加深，細(xì)胞受到的傷害增強(qiáng)，以致植株生長(zhǎng)受到抑制[18]。

黃璐琦等[19]研究道地藥材時(shí)提出了逆境效應(yīng)理論，指出環(huán)境脅迫能刺激植物次生代謝產(chǎn)物的合成與積累。本研究中，輕度干旱脅迫明顯提高了黃芪根中多糖和皂苷的含量，而中度和重度脅迫下含量降低，這與 Bettaieb 等[6]對(duì)鼠尾草的研究結(jié)果相類(lèi)似。結(jié)合抗氧化酶的變化情況分析，輕度干旱脅迫下黃芪體內(nèi)SOD、POD、CAT 活性提高，表明活性氧(ROS)作為信號(hào)分子引發(fā)適應(yīng)和防御反應(yīng)，同時(shí)上調(diào)與干旱逆境有關(guān)的蛋白表達(dá)，促進(jìn)次生代謝物含量的提高[20]；干旱脅迫加重后，ROS 與抗氧化系統(tǒng)間的平衡被破壞，ROS 大量積累，脂質(zhì)過(guò)氧化程度加深，引起細(xì)胞生理和代謝異常[2]，導(dǎo)致幼苗生長(zhǎng)受阻、次生代謝過(guò)程減弱。

綜上所述，輕度干旱脅迫(土壤含水量 60%—65%)能促進(jìn)黃芪藥用部位根的生長(zhǎng)及多糖、皂苷含量的積累，但中度(土壤含水量 50%—55%)和重度(土壤含水量 40%—45%)干旱脅迫超過(guò)了黃芪所能承受的抗逆能力，次生代謝物含量大大降低。這一結(jié)果可為黃芪種植中藥效成分的定向培育提供水分調(diào)控理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，但本研究中黃酮的含量沒(méi)有得到明顯提高，因而探討黃酮合成的適宜環(huán)境因子有待進(jìn)一步研究。

[1]Xu M J, Dong J F, Zhu M Y. Nitric oxide mediates the fungal elicitor-induced puerarin biosynthesis inPuerariahomsoniiBenth. suspension cells through a salicylic acid (SA)-dependent and a jasmonic acid (JA)-dependent signal pathway. Science in China Series C: Life Sciences, 2006, 49(4): 379-389.

[2]孟祥才, 王喜軍. 活性氧促進(jìn)道地藥材質(zhì)量形成的假說(shuō)及其探討. 中草藥, 2011, 42(4): 799-804.

[3]張爭(zhēng), 楊云, 魏建和, 孟慧, 陳懷瓊, 隋春. 環(huán)境因子導(dǎo)致的植物防御反應(yīng)與藥用次生代謝物的合成和積累. 植物生理學(xué)通訊, 2009, 45(9): 919-924.

[4]尚辛亥, 王洋, 閻秀峰. 土壤水分對(duì)高山紅景天生長(zhǎng)和紅景天甙含量的影響. 植物生理學(xué)通訊, 2003, 39(4): 335-336.

[5]譚勇, 梁宗鎖, 董娟娥, 郝海員, 葉青. 水分脅迫對(duì)菘藍(lán)生長(zhǎng)發(fā)育和有效成分積累的影響. 中國(guó)中藥雜志, 2008, 33(1): 19-22.

[6]Iness Bettaieb, Ibtissem Hamrouni-Sellami, Soumaya Bourgou, Ferid Limam, Brahim Marzouk. Drought effects on polyphenol composition and antioxidant activities in aerial parts ofSalviaofficinalisL. Acta Physiologiae Plantarum, 2011, 33(4):1103-1111.

[7]李霞, 王洋, 閻秀峰. 水分脅迫對(duì)黃檗幼苗三種生物堿含量的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(1): 58-64.

[8]李合生. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù). 北京: 高等教育出版社, 2000: 164-263.

[9]張立, 馬瓊, 何永利, 張朋濤. 靈芝、香菇、黃芪、枸杞提取物中多糖的含量測(cè)定. 中草藥, 2004, 35(2):167-168.

[10]王小青, 海力茜, 帕麗達(dá), 努爾比亞, 瑪依拉, 努爾買(mǎi)買(mǎi)提. 天山巖黃芪不同部位中總黃酮含量的測(cè)定. 新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 25(l): 49-51.

[11]陸一心. 黃芪甲甙定量方法的研究. 中成藥, 1996, 18(2): 35-35.

[12]高揚(yáng), 梁宗鎖. 水分對(duì)根類(lèi)中藥材根系生長(zhǎng)及有效成分積累的影響. 現(xiàn)代中藥研究與實(shí)踐, 2004, 18(3): 10-15.

[13]安玉艷, 梁宗鎖, 郝文芳. 杠柳幼苗對(duì)不同強(qiáng)度干旱脅迫的生長(zhǎng)與生理響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(3): 716-725.

[14]李芳蘭, 包維楷, 吳寧. 白刺花幼苗對(duì)不同強(qiáng)度干旱脅迫的形態(tài)與生理響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(10): 5406-5416.

[15]李璇, 岳紅, 王升, 黃璐琦, 馬炯, 郭蘭萍. 影響植物抗氧化酶活性的因素及其研究熱點(diǎn)和現(xiàn)狀. 中國(guó)中藥雜志, 2013, 38(7): 973-978.

[16]陳思婷, 孫程旭, 曹紅星, 馮美利, 陳良秋, 張木炎. 干旱脅迫對(duì)檳榔幼苗生理生化特性的影響. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2009, 21(10): 70-72.

[17]Sun C H, Shi J J, Wang D, Li B W, Sun D. Effects on physiological and biochemical characteristics of medicinal plant pigweed by drought stresses. Journal Medicinal Plants Research, 2011, 5(17): 4041-4048.

[18]司燦, 張君毅, 徐護(hù)朝. 藥用植物在干旱脅迫下生長(zhǎng)代謝變化規(guī)律及應(yīng)答機(jī)制的研究進(jìn)展. 中國(guó)中藥雜志, 2014, 39(13): 2432-2437.

[19]黃璐琦, 郭蘭萍. 環(huán)境脅迫下次生代謝產(chǎn)物的積累及道地藥材的形成. 中國(guó)中藥雜志, 2007, 32(4): 277-280.

[20]Xiao X W, Yang F, Zhang S, Helena Korpelainen, Li C Y. Physiological and proteomic responses of two contrastingPopuluscathayanapopulations to drought stress. Physiologia Plantarum, 2009, 136(2): 150-168.

Effects of drought stress on seedling growth and accumulation of secondary metabolites in the roots ofAstragalusmembranaceusvar.mongholicus

LIANG Jianping1, JIA Xiaoyun1, LIU Yaling1, WU Yun1, ZHOU Ran2,*, FENG Qianjin2

1CollegeofLifeSciences，ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China2ShanxiUniversityofTraditionalChineseMedicine,Jinzhong030619,China

Drought stress usually influences growth and secondary metabolite accumulation in the roots ofAstragalusmembranaceusvar.mongholicus, resulting in varied qualities and medicinal properties. In this study, four different drought treatments (regular soil-water content [CK], mild drought stress [A1], medium drought stress [A2], and strong drought stress [A3]) were applied to evaluate the effects of drought on one-year-old Shanxi nativeA.membranaceusseedlings. The results showed that an increase in the growth of stems and leaves ofA.membranaceusoccurred 80—120 d following germination, and then it gradually decreased. A high accumulation of root biomass occurred during the withering period of the aboveground parts of the plants. Drought stress reduced the height and aboveground biomass significantly and affected antioxidant activity, root development, and secondary metabolite accumulation. Under A1 conditions, the activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT), were raised with increased root length, root biomass, polysaccharides, and saponins. However, the malondialdehyde (MDA) content and cell membrane permeability decreased accompanied with a significant improvement in the overall quality ofA.membranaceus(P< 0.05). The SOD activity decreased, and it was lower than that of the control under the A4 conditions. For increased drought stress, the activities of POD and CAT, MDA content, and cell membrane permeability were all increased and consequently resulted in a decreasing in root length, root biomass polysaccharides, saponins and the overall quality of the plant (P< 0.01). In summary, the result showed that the SOD activity was more sensitive to drought stress, suggesting a major function in the resistance to active oxygen. In addition, mild drought stress might promote the interaction between the antioxidant enzyme system and secondary metabolism system inA.membranaceusby increasing resistance to cell damage. The quality and yield of root could be improved by reducing aboveground growth for nutrient transportation to roots to some extent. The results of this study can be applied to promote the production ofA.membranaceuswith high polysaccharide and saponin contents through water management.

Astragalusmembranaceusvar.mongholicus; drought stress; antioxidant enzyme; secondary metabolites

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAI07B01); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31400285); 山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20110313002-2); 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士項(xiàng)目(XB2008022); 山西省科技攻關(guān)計(jì)劃(振東項(xiàng)目)(2014ZD0501-1)

2014-12-16; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-10-10

Corresponding author.E-mail: zhour58@sohu.com

10.5846/stxb201412162507

梁建萍，賈小云，劉亞令，吳云，周然，馮前進(jìn).干旱脅迫對(duì)蒙古黃芪生長(zhǎng)及根部次生代謝物含量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(14):4415-4422.

Liang J P, Jia X Y, Liu Y L, Wu Y, Zhou R, Feng Q J.Effects of drought stress on seedling growth and accumulation of secondary metabolites in the roots ofAstragalusmembranaceusvar.mongholicus.Acta Ecologica Sinica,2016,36(14):4415-4422.