收獲前期水鉀耦合施用對(duì)北沙參生長(zhǎng)及活性成分含量的影響

房海靈，湯興利，李 莉，周義峰*

(1.江蘇省中國(guó)科學(xué)院 植物研究所,江蘇 南京 210014;2.中國(guó)科學(xué)院 南京分院 東臺(tái)灘涂研究院,江蘇 東臺(tái) 224200;3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué),江蘇 南京 210014)

北沙參為傘形科植物珊瑚菜(GlehnialitteralisF Schmidt ex Miq)的干燥根,是中醫(yī)臨床上常用藥材之一,具有養(yǎng)陰清肺、益胃生津之功效,主要用于治療肺熱燥咳、勞咳痰血、胃陰不足、熱病津傷、咽干口渴等癥[1]。除藥用外,北沙參還具有較高的營(yíng)養(yǎng)和保健價(jià)值,常與麥冬、丹參配伍,用于抗曬老、老年性疾病等治療,以及癌癥化療后恢復(fù)體質(zhì)的方劑中,如保健湯、沙參麥門冬湯、健脾益氣湯等[2-3]。

隨著沿海灘涂資源受人為干擾的加劇,北沙參野生資源已瀕臨滅絕,為國(guó)家二級(jí)保護(hù)瀕危植物[4]。目前,北沙參以人工栽培為主,主產(chǎn)區(qū)從我國(guó)的東部沿海地區(qū)轉(zhuǎn)移至內(nèi)蒙內(nèi)陸鹽堿地區(qū)。近年來,我國(guó)自然淤積和人工圍墾形成了大片的沿海灘涂鹽土資源,為恢復(fù)沿海地區(qū)道地藥材北沙參的人工種植提供了空間。但由于濱海鹽堿灘涂土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈,淡水資源緊缺,水、肥供應(yīng)成為制約北沙參產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[5]。水、肥具有明顯的耦合關(guān)系,目前在水稻、玉米、番茄等大宗作物上已有研究[6-8],然而對(duì)藥用植物特別是北沙參的研究基本上還處于空白。本文研究了收獲前期水鉀耦合對(duì)北沙參藥材性狀、生理指標(biāo)及活性成分的影響,建立了濱海鹽堿地北沙參合理水鉀耦合施用管理方案,旨在為沿海灘涂北沙參的高效、規(guī)范化種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為北沙參當(dāng)年播種、生長(zhǎng)一致的收獲前期壯苗。盆栽試驗(yàn)土壤為砂質(zhì)潮土,土壤理化性質(zhì)為: pH值8.12,有機(jī)碳含量7.04 g/kg,堿解氮含量為0.04%,有效磷含量為11.04 mg/kg,速效鉀含量為55.4 mg/kg。在定植前施入等量的基肥(N 45 kg/hm2, P2O545 kg/hm2, K2O 75 kg/hm2)。所用盆缽為PVC管,高1 m,直徑20 cm,底部有3個(gè)通氣孔,每個(gè)盆缽裝土5 kg。

1.2 方法

本試驗(yàn)于2016年8月下旬在南京中山植物園日光溫室內(nèi)進(jìn)行,透光率80%左右。設(shè)土壤水分和施鉀量2個(gè)試驗(yàn)因子,采用兩因素裂區(qū)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。鉀肥以不同純鉀施用量控制,設(shè)75 kg/hm2(K1)、150 kg/hm2(K2)、300 kg/hm2(K3)三個(gè)水平，鉀肥采用硫酸鉀。土壤水分采用土壤相對(duì)含水量控制,設(shè)置80%～90%(W1)、60%～70%(W2)、40%～50%(W3)三個(gè)水平。同時(shí)設(shè)置對(duì)照(CK)，其施鉀量為0 kg/hm2,正常供水。兩個(gè)因素共組合成9個(gè)處理(見表1),每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。鉀肥于8月下旬隨水施入,土壤水分的控制采用稱重法,其他生育期水肥施用與對(duì)照相同。在處理20 d后測(cè)定相關(guān)指標(biāo),并于收獲時(shí)測(cè)定北沙參根性狀、活性成分含量等指標(biāo)。

表1 收獲前期北沙參水鉀耦合試驗(yàn)方案

1.3 北沙參植株生長(zhǎng)、生理及活性成分指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1 植株生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 于收獲期測(cè)定植物株高、根長(zhǎng)(中后期測(cè)量至根尖3 mm粗處)、根鮮重、根干重、根直徑等指標(biāo)。

1.3.2 葉片中保護(hù)酶活性及其他生理指標(biāo)的測(cè)定 采用南京建成生物工程研究所的試劑盒測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)的活性，以及丙二醛(MDA)、游離脯氨酸(Pro)、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)的含量。

1.3.3 補(bǔ)骨脂素、歐前胡素、異歐前胡素含量的測(cè)定 于10月上旬采集北沙參植株的根部,用水洗后低溫烘干,粉碎后過60目篩,備用。精確稱取干燥粉碎的北沙參藥材1.0 g,置于錐形瓶中,精密加入二氯甲烷30 mL,于40 ℃下超聲40 min,過濾。濾液于40 ℃水浴揮去溶劑,再加甲醇溶解,定容于1 mL量瓶中,搖勻,用0.45 μm濾膜過濾。精確稱取補(bǔ)骨脂素、歐前胡素、異歐前胡素,分別加甲醇配制成0.040、0.049和0.041 mg/mL的混合對(duì)照品溶液,低溫保存?zhèn)溆?。色譜條件:流動(dòng)相為甲醇+水(67∶33),流速1.0 mL/min;柱溫30 ℃;檢測(cè)波長(zhǎng)248 nm。補(bǔ)骨脂素、歐前胡素、異歐前胡素的回歸方程、相關(guān)系數(shù)及線性范圍見表2。

表2 對(duì)照品的線性回歸方程及線性范圍

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理,用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行LSD多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 收獲前期水鉀耦合對(duì)北沙參藥材的影響

由表3可看出,鉀肥和水分耦合處理對(duì)北沙參根長(zhǎng)及干物質(zhì)積累具有顯著影響。在水分充足條件(W1)下,隨鉀肥施入量的增加,北沙參地上部和地下部生物量均增加,表明鉀肥有利于產(chǎn)量的形成,但是過多的水分會(huì)導(dǎo)致少量根莖腐爛,影響產(chǎn)量。在輕度水分脅迫(W2)下,增施鉀肥有利于北沙參功能葉片光合產(chǎn)物的輸出和運(yùn)輸,促進(jìn)根的伸長(zhǎng)；適宜的施鉀量(150 kg/hm2)可有效促進(jìn)北沙參地上、地下部生長(zhǎng),根系長(zhǎng)且粗,干物質(zhì)積累豐富；但施鉀量過多會(huì)降低根長(zhǎng)的增加效應(yīng)。在中度水分脅迫(W3)下,由于水分供應(yīng)不足,植株長(zhǎng)勢(shì)較差,適量鉀肥的施入可輕微緩解水分脅迫對(duì)北沙參植株、根長(zhǎng)及干物質(zhì)積累的負(fù)面影響；但是鉀肥施入量的增加加劇了水分脅迫對(duì)植株的傷害,加之在北沙參生長(zhǎng)后期,植株光合作用減弱,導(dǎo)致地上部分過早枯萎,進(jìn)而影響了光合產(chǎn)物的合成與轉(zhuǎn)移,最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

表3 收獲前期水鉀耦合對(duì)北沙參生長(zhǎng)及品質(zhì)性狀的影響

注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)。下同。

2.2 收獲前期水鉀耦合對(duì)北沙參葉片保護(hù)酶活性的影響

水鉀耦合處理對(duì)收獲前期北沙參葉片保護(hù)酶活性亦具有顯著影響(表4)。在相同的土壤相對(duì)含水量下,增加鉀肥供應(yīng)可以顯著提高北沙參葉片保護(hù)性酶SOD、POD和CAT的活性,減輕缺水植株的鉀代謝紊亂,從而增強(qiáng)其抗旱性，改善植株體內(nèi)的水分狀況，降低植株對(duì)干旱的敏感程度。在相同鉀施入量條件下,SOD、CAT和POD的活性隨著土壤供水量的增加而降低。在低水高鉀條件下,3種酶活性降低,其原因可能是收獲前期植株根系吸水能力變?nèi)?加之水分和肥料的雙重脅迫,葉片保護(hù)系統(tǒng)遭到破壞。

表4 收獲前期水鉀耦合對(duì)北沙參葉片保護(hù)酶活性的影響

2.3 收獲前期水鉀耦合施用對(duì)北沙參滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由表5可知,收獲前期水鉀耦合對(duì)北沙參滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)具有一定的影響。在相同水分脅迫條件下，北沙參葉片的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量均隨施鉀量的增加而顯著增加；與水分充足(80%～90%)相比,在輕度(60%～70%)或中度(40%～50%)水分脅迫下,可溶性糖含量在K2水平的增幅最大,為115.97%或176.59%,可溶性蛋白含量在K2水平的增幅亦最大,為137.91%或180.54%，但脯氨酸含量在K3水平的增幅最大,為51.85%或63.97%。

表5 收獲前期水鉀耦合對(duì)北沙參滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

2.4 收獲前期水鉀耦合對(duì)北沙參葉片MDA含量的影響

由圖1可知：在相同施鉀量條件下,MDA含量隨著水分脅迫程度的增加呈上升趨勢(shì)；在水分充足的條件下,MDA含量隨施鉀量的增加而逐漸降低；在輕度水分脅迫下,MDA含量隨施鉀量的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)；在中度水分脅迫下,MDA含量隨施鉀量的增加而逐漸升高；在中度和輕度水分脅迫條件下,不同施鉀量的各處理間MDA含量差異均達(dá)到顯著水平,而在水分充足條件下,只有部分處理間差異達(dá)到顯著水平。說明在干旱和半干旱地區(qū),適量增加鉀肥用量可以緩解干旱脅迫對(duì)北沙參葉片造成的傷害,降低北沙參葉片丙二醛含量,提高北沙參的抗旱能力。

圖1 水鉀耦合對(duì)北沙參葉片MDA含量的影響

2.5 收獲前期水鉀耦合對(duì)北沙參活性成分含量的影響

圖2顯示,水鉀耦合對(duì)北沙參中補(bǔ)骨脂素、歐前胡素、異歐前胡素的合成積累具有顯著的影響。在水分脅迫W1、W2、W3下,北沙參根內(nèi)補(bǔ)骨脂素、異歐前胡素含量的最高值均分別出現(xiàn)在高鉀水平(K1)、中鉀水平(K2)和低鉀水平(K1)下，根內(nèi)歐前胡素含量的最高值分別出現(xiàn)在K2、K2和K1下,且W2下各處理的含量值均高于W1、W3下的，表明在輕度水分脅迫下適度施用鉀肥能提高北沙參中3種香豆素類成分的含量,在水分充足條件下3種成分含量隨施鉀量的增加而呈上升趨勢(shì),而在中度水分脅迫下則隨著施鉀量的提高而下降。在施鉀水平K1、K2、K3下，北沙參根內(nèi)補(bǔ)骨脂素含量的最高值分別出現(xiàn)在W3、W3和W2下,說明在中低施鉀水平下,中度水分脅迫(W3)能有效地提高根內(nèi)補(bǔ)骨脂素的含量。在施鉀水平K1、K2、K3下，北沙參根內(nèi)歐前胡素和異歐前胡素含量的最高值分別出現(xiàn)在W2(W3)、W2和W2下,說明在同樣施鉀水平下,輕度水分脅迫(W2)能有效地提高北沙參根內(nèi)歐前胡素和異歐前胡素的含量。

3 結(jié)論與討論

3.1 水鉀耦合施用對(duì)北沙參產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

水分和肥料是影響藥用植物生長(zhǎng)發(fā)育的兩大重要因素,同一植物在不同的水肥供應(yīng)條件下表現(xiàn)不同。前人研究表明,水肥耦合對(duì)植物可產(chǎn)生3種不同的效應(yīng),即協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)和拮抗效應(yīng)[9]。合理的灌溉和施肥可有效提高藥材產(chǎn)量,促進(jìn)有效成分的合成積累,提高水肥利用效率。根是北沙參主要的藥用部位,根干重及其中有效成分含量的高低是衡量水肥效果的重要指標(biāo)。目前,《中國(guó)藥典》對(duì)衡量北沙參品質(zhì)的藥效成分未有明確規(guī)定。研究表明,北沙參中含有香豆素類、多糖、聚炔類、黃酮類等,其中補(bǔ)骨脂素、歐前胡素和異歐前胡素為香豆素類化合物,具有抗炎、保肝、抗癌、抗抑郁的功效,與北沙參的部分功效相吻合,可作為評(píng)價(jià)北沙參藥材內(nèi)在品質(zhì)的指標(biāo)[10]。本研究表明,在輕度水分脅迫條件下,水分和鉀肥呈現(xiàn)出協(xié)同或疊加效應(yīng)，具體表現(xiàn)為鉀肥施入可有效促進(jìn)北沙參根系的生長(zhǎng),促進(jìn)干物質(zhì)和補(bǔ)骨脂素等香豆素類成分的積累,且隨著鉀施入量的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)。該結(jié)果與饒碧玉等研究水肥耦合對(duì)當(dāng)歸產(chǎn)量和阿魏酸含量影響的結(jié)果[11]相似。

圖2 水鉀耦合對(duì)北沙參中香豆素類成分含量的影響

3.2 水鉀耦合施用對(duì)北沙參抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)均為細(xì)胞酶促防御系統(tǒng)酶,可通過清除O2-和H2O2等來緩解和抵御逆境脅迫[12]。丙二醛(MDA)是植物膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物,其含量的高低反映了細(xì)胞膜系統(tǒng)受傷害的程度[13]。可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸均為細(xì)胞重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),其在植物體內(nèi)的積累有利于抵抗逆境脅迫。張立新等[14]研究表明,在水分脅迫下,增施N、K肥可提高SOD、POD、CAT的活性,進(jìn)而提高植株的抗逆能力。范雪梅等[15]研究表明施用氮肥有利于維持小麥植株在干旱條件下的正常生長(zhǎng),減低葉片MDA含量,從而減緩植株的衰老。王景燕等[16]的研究結(jié)果表明,漢源花椒幼苗的可溶性糖和可溶性蛋白含量隨土壤水分含量的增加呈先增加后下降的趨勢(shì),隨施肥量的增加而增加。在本實(shí)驗(yàn)中,在水分充足和輕度水分脅迫下,增加鉀肥供應(yīng)可以顯著提高北沙參SOD、POD和CAT活性,降低MDA含量,促進(jìn)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的積累,表現(xiàn)出水肥協(xié)同或疊加效應(yīng),此結(jié)果與形態(tài)指標(biāo)測(cè)定所得結(jié)論一致。究其原因，可能是一定水分脅迫范圍內(nèi)增施肥料可提高土壤的水勢(shì)和水分有效性,使對(duì)植物生長(zhǎng)“無效”的水變成“有效”的水,使植物吸收更多的土壤水分滿足其生長(zhǎng),緩解干旱脅迫[17]。

本研究結(jié)果還表明，在中度水分脅迫下,隨著鉀肥施入量的增加,北沙參葉片中SOD、POD、CAT活性顯著降低,MDA含量增加,葉片快速衰老,表現(xiàn)出水肥拮抗效應(yīng)。這與李錄山等[18]對(duì)西蘭花的研究結(jié)果一致,其原因可能是:在低水條件下鉀的施入導(dǎo)致葉片膜脂過氧化和質(zhì)膜透性增大,進(jìn)而使得MDA和氧自由基在植物體內(nèi)積累,超過了抗氧化酶的清除速度,對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傷害;水分缺乏增強(qiáng)了土壤對(duì)鉀素的固定,降低了土壤鉀的移動(dòng)性,從而減少了植物對(duì)鉀離子的吸收,導(dǎo)致鉀肥利用率顯著降低,進(jìn)而抑制植物生長(zhǎng)[19]。

綜上所述,輕度水分脅迫結(jié)合施鉀有利于北沙參根系的生長(zhǎng),促進(jìn)干物質(zhì)積累,提高保護(hù)性酶SOD、POD和CAT的活性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量,降低植株對(duì)干旱的敏感程度，同時(shí)可有效促進(jìn)北沙參根莖中補(bǔ)骨脂素、歐前胡素和異歐前胡素等香豆素類成分的合成與積累。因此,北沙參在收獲前期的最佳水鉀施用模式為“輕度水分脅迫+中度施鉀量”(60%～70%土壤相對(duì)含水量+150 kg/hm2施鉀量)。此結(jié)果可為濱海鹽堿地北沙參的人工種植提供科學(xué)的水肥施用方案。

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