北方地區(qū)黃芪根系發(fā)育、成分積累及表觀生長種間差異

徐海軍 姚 琴 程薪宇 王曉飛

（1. 東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 黑龍江省科學院大慶分院，大慶 163319；3. 大慶油田礦區(qū)事業(yè)服務(wù)部園林綠化公司，大慶 163711；4. 上饒師范學院生命科學學院，上饒 334001）

膜莢黃芪（Astragalus membranaceus）或蒙古黃芪（Astragalus membranaceusvar.mongholicus）的干燥根可入藥［1～2］（《中華人民共和國藥典》2015 版），其味甘、性微溫，歸脾、肺經(jīng)，具有補氣升陽，益衛(wèi)固表，利水消腫，生津養(yǎng)血，行滯通痹，托毒排膿，斂瘡生肌之功效，在臨床、膳食、保健、飼用等方面都有廣泛的應(yīng)用［3～6］。

近些年，黃芪野生資源儲量不斷減少，加之市場需求逐年增加，促使黃芪人工種植產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。黃芪種植多以蒙古黃芪為主，膜莢黃芪較少，隨著黃芪產(chǎn)區(qū)逐漸“北移”，膜莢黃芪的種植面積逐漸增加，但生產(chǎn)過程中蒙古黃芪和膜莢黃芪生長及藥用成分差異仍未受到關(guān)注。經(jīng)典分類學主要依據(jù)子房有毛與否，小葉大小和數(shù)目特征，確定蒙古黃芪為膜莢黃芪的變種；后來，許多學者又分別從物候節(jié)律，地上部分發(fā)育形態(tài)學、開花生物學、染色體差異［7］、種子形態(tài)［8～9］、葉片結(jié)構(gòu)［10］、分子標記［11～12］等多個方面提供了分類依據(jù)，闡述蒙古黃芪為獨立的種。因此，蒙古黃芪與膜莢黃芪種間分類學識別特征較為明確，但二者之間在栽培種植中與經(jīng)濟性狀相關(guān)的生物學特征差異還需在生產(chǎn)中進一步了解。北方地區(qū)氣候寒冷，蒙古黃芪和膜莢黃芪的根系品質(zhì)、物質(zhì)積累二者間有較大差異，差異變化如何還未見報道。本文從根系結(jié)構(gòu)發(fā)育、根系形態(tài)、藥用成分、表觀生長量等生物學特征比較分析兩個種在生產(chǎn)種植中的差異，以期為北方地區(qū)黃芪種植在品種篩選、種植管理方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 試驗地概況

黑龍江省位于我國東北部，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫在-5℃～5℃，≥10℃積溫在1 800～2 800℃，年降水量400～650 mm，無霜期100～150 d，大部分地區(qū)初霜凍在9 月下旬出現(xiàn)，終霜凍在4 月下旬至5 月上旬結(jié)束，無霜期多為110 d左右。

本試驗分別在第Ⅲ積溫帶和第Ⅵ積溫帶設(shè)置試驗點（見圖1），試驗點具體位置和立地特征如下：試驗點1：大興安嶺呼瑪北園區(qū)中心苗圃（51°43′35″N，126°36′59E），開荒耕地、森林暗棕壤，面積7 畝；試驗點2：大興安嶺呼瑪三卡鄉(xiāng)（51°06′20″N，126°52′35″E），試驗地形為林緣坡地，面積15 畝，沙壤土；試驗點3：拜泉縣國富鎮(zhèn)中藥材種植示范基地（47°37′43″N，126°21′14″E），試驗地形為丘陵坡地（耕地），黑鈣土，面積30畝。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

膜莢黃芪（Astragalus membranaceus）和蒙古黃芪（Astragalus membranaceusvar.mongolicus），種子購于內(nèi)蒙古赤峰。采用大田起壟直播種植，壟間距為60 cm；試驗點1（簡稱“北園區(qū)”）、試驗點2（簡稱“三卡”）、試驗點3（簡稱“拜泉”）分別于2017年5月25日、5月27日和5月21日播種。

2.2 樣品采集與制備

9 月中旬分別從3 個試驗點調(diào)查、取樣，蒙古黃芪和膜莢黃芪分開采集，在每個品種的試驗區(qū)內(nèi)隨機布設(shè)20個樣方（1 m×1 m），在每一個樣方內(nèi)選擇3 株標準植株進行測量，測量指標包括株高、地徑、根長、根粗、地上鮮重/地下鮮重（A/U 值）；同時，采集根系帶回實驗室低溫烘干（60℃）至恒重后、粉碎，低溫保存，待成分（毛蕊異黃酮苷、刺芒柄花苷、毛蕊異黃酮、多糖）測定。

根系形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育觀測自出苗開始30、45、60、110 d 分別進行取樣，根據(jù)植株長勢，選擇具有代表性的植株采集根部、洗凈后，截取主根中上部根段用FAA固定，帶回做半薄切片。

2.3 測定方法

表觀生長量測定：黃芪株高、地徑、根長、根粗（距主根上端1 cm，10 cm 處直徑粗度，分別記為R0，R1）用卷尺和游標卡尺測量；根系形態(tài)利用根形指數(shù)（Root shape coefficient，RS1）表示，計算如下：

式中：RS1 為根形指數(shù)平均值，i表示第i株黃芪樣品，Ri0為第i株根系上端徑粗，Ri1第i株根系中端徑粗，n表示樣本數(shù)量。

根系結(jié)構(gòu)觀測：利用GMA半薄切片法［13～14］。

藥效成分指標：黃芪多糖采用硫酸—苯酚比色法；毛蕊異黃酮苷、刺芒柄花苷、毛蕊異黃酮用高效液相色譜法測量［15～19］。

2.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS（16.0）對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（One-Way ANOVA），數(shù)據(jù)分析前進行正態(tài)性檢驗（Shapiro-Wilk test），未符合正態(tài)性分布的數(shù)據(jù)進行了對數(shù)轉(zhuǎn)化后符合正態(tài)性再進行分析，借助photoshop7.0 圖版排列、Excel 軟件制表，數(shù)據(jù)為平均值±標準差（Mean±SD）。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒙古黃芪與膜莢黃芪根系結(jié)構(gòu)發(fā)育差異性

蒙古黃芪與膜莢黃芪播種60 d 之內(nèi)根系結(jié)構(gòu)無明顯的差異，其中播種約30 d 時，根表皮及大部分皮層細胞已經(jīng)脫落（見圖2A，箭頭所示），根表通常僅殘留1 層細胞。中柱鞘細胞分裂形成由3～5 層細胞組成的周皮（見圖2A）。周皮內(nèi)側(cè)由薄壁細胞和壁較薄的纖維組成。原靠近周皮的部分薄壁細胞破裂形成空隙（見圖2B，箭頭所示）。再向內(nèi)依次為韌皮部、形成層和木質(zhì)部。木質(zhì)部中央除了導管和薄壁細胞外，還存在很多較細的纖維（見圖2C）。播種45 d 時，根韌皮束間的薄壁細胞隨著根直徑的增大而撕裂，形成與韌皮束相間排列的較大空隙（見圖2D），韌皮部厚度及木質(zhì)部直徑約為播種30 d 時的2 倍。韌皮部周圍薄壁細胞無淀粉或產(chǎn)生少量淀粉（見圖2D）。木質(zhì)部中導管完全由纖維包裹，并與木射線呈輻射狀相間排列（見圖2E）。根部中央偶有撕裂形成空隙（見圖2F，箭頭所示）。

播種60 d 后，黃芪根的周皮已增厚至5～6 層細胞厚（見圖3A），韌皮束外纖維已較為發(fā)達，此時韌皮射線和木射線中的多數(shù)薄壁細胞中已有淀粉開始積累（見圖3B）。此后，蒙古黃芪和膜莢黃芪在細胞內(nèi)含物方面逐漸出現(xiàn)明顯的差異（見圖3C）。待播種110 d 左右后，可以看到蒙古黃芪的木射線和韌皮射線薄壁細胞幾乎完全被淀粉粒填滿（見圖3D）。膜莢黃芪韌皮射線中淀粉量情況與蒙古黃芪相似，但木射線薄壁細胞卻并未被淀粉粒填滿（見圖3E，箭頭所示）。而除了淀粉量多少外，蒙古黃芪與膜莢黃芪最大的不同即其木質(zhì)部束、韌皮部束與射線的寬度比（見圖3F）明顯要小于相同培養(yǎng)環(huán)境下的膜莢黃芪（見圖3G）。

3.2 蒙古黃芪與膜莢黃芪根系藥用成分差異性

蒙古黃芪與膜莢黃芪除了毛蕊異黃酮含量無顯著差異外（P＞0.05），毛蕊異黃酮葡萄糖苷、刺芒柄花苷、多糖含量方面蒙古黃芪均顯著高于膜莢黃芪（P＜0.05），其中，毛蕊異黃酮葡萄糖苷、刺芒柄花苷和多糖含量蒙古黃芪分別是膜莢黃芪的1.8倍、1.6倍、1.3倍（見圖5）。

3.3 蒙古黃芪與膜莢黃芪根系形態(tài)差異性

在田間調(diào)查中，凡是出現(xiàn)分叉根或測根較多且主根不明顯的均記為“分叉根”，相對于直根而言，分叉根被視為畸變根進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。采樣觀測結(jié)果顯示，膜莢黃芪根系畸變率遠高于蒙古黃芪，前者畸變率高達70%（見圖6a），后者畸變率為53.1%（見圖6b）。

黃芪根系直徑在分叉或側(cè)根增多后，其主根直徑粗度會隨之變小。對于1年生黃芪，根形指數(shù)（RS1）可以很好地反映根系形狀。膜莢黃芪和蒙古黃芪直根的根形指數(shù)分別為0.798、0.764，95%置信區(qū)間分別為0.77～0.82、0.74～0.79；而分叉根的根形指數(shù)均值分別為0.589 和0.614，置信區(qū)間分別為0.56～0.61、0.59～0.64；可見，根形指數(shù)大于0.75多為直根，而小于0.6多為分叉根或爪根（見圖6c）?？傮w上，蒙古黃芪和膜莢黃芪無論直根和爪根在根形系數(shù)上均表現(xiàn)為差異不顯著，主要差異在于蒙古黃芪根形系數(shù)變化區(qū)間要高于膜莢黃芪，這可能與蒙古黃芪根系畸變率低于膜莢黃芪有關(guān)。

3.4 蒙古黃芪與膜莢黃芪表觀生長量差異性

從表觀生長量差異分析可知（見表1），膜莢黃芪在株高、根長、地徑、A/U值方面與蒙古黃芪有顯著性差異（P＜0.05），而根粗（R0、R1）方面則二者差異不顯著（P＞0.05）。根長方面膜莢黃芪顯著低于蒙古黃芪，前者是后者的0.78～0.88 倍，而株高、地徑、A/U 值方面膜莢黃芪則顯著高于蒙古黃芪（P＜0.05），且前者分別是后者的1.14～1.22 倍、1.13～1.46 倍、1.21～1.80 倍?？梢姡谀でv黃芪植株生長狀況要較蒙古黃芪旺盛，尤其是地上植株生長量及物質(zhì)分配比例膜莢黃芪顯著高于蒙古黃芪。

表1 蒙古黃芪與膜莢黃芪生長差異性分析Table1 Analysis of growth difference between A.mongolicus and A.membranaceus

4 討論

根系形態(tài)解剖可以很好地反映根系發(fā)育變化和分析種間特性差異。試驗結(jié)果表明，蒙古黃芪和膜莢黃芪在前期發(fā)育階段（60 d），根系結(jié)構(gòu)發(fā)育并未表現(xiàn)出明顯的差異，但其發(fā)育速度很快。在播種30 d 時，根已進入次生生長階段，表皮及大部分皮層細胞已經(jīng)脫落，中柱鞘細胞恢復分裂能力，形成由3～5 層細胞組成的周皮；播種45 d 時，韌皮部厚度及木質(zhì)部直徑約為播種30 d 時的2 倍。此結(jié)果與王爾彤［7］和燕玲等［20］解剖觀測發(fā)現(xiàn)基本相一致。隨著根系生長，木質(zhì)部束、韌皮部束及射線的形成，韌皮射線和木射線中的多數(shù)薄壁細胞中已有淀粉開始積累，自此蒙古黃芪和膜莢黃芪在細胞內(nèi)含物方面逐漸出現(xiàn)明顯的差異，待播種110 d 左右后，蒙古黃芪的淀粉含量要明顯高于膜莢黃芪?？梢?，蒙古黃芪和膜莢黃芪根系特征差異自生長中后期開始逐漸體現(xiàn)，且主要表現(xiàn)在細胞內(nèi)含物數(shù)量方面。此外，由于黃芪側(cè)根原基起源于中柱鞘細胞，為典型的內(nèi)起源方式，在次生生長過程，側(cè)根在主根上發(fā)生的位置及其數(shù)目不確定［7］，而側(cè)根的發(fā)生直接影響著根系形態(tài)，試驗中蒙古黃芪根系在發(fā)育后期畸變率要顯著低于膜莢黃芪，這可能與物種的遺傳特性相關(guān)。

蒙古黃芪和膜莢黃芪親源關(guān)系相近［21］，試驗表明在北方地區(qū)均可進行人工種植，但生物學性狀卻相差較大。北方地區(qū)膜莢黃芪地上植株生長要明顯大于蒙古黃芪，主要表現(xiàn)在株高、地徑以及地上生物量分配方面。膜莢黃芪株高顯著高于蒙古黃芪，莖干粗壯挺實，地上部分生物量積累較大，這可能與兩個種的生物學特性差異有關(guān)［10，20］，膜莢黃芪葉大、枝干硬實粗壯更有利于獲取地上空間資源、更有利于光合作用，從而可以較多地積累碳水化合物。不過從地下部分生長發(fā)育、物質(zhì)分配量來看，蒙古黃芪反而呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在根系內(nèi)含物的變化、根形態(tài)變化、地下生物量分配比例及根系功能性成分含量方面。

根系藥用成分方面，毛蕊異黃酮葡萄糖苷、刺芒柄花苷和多糖含量蒙古黃芪分別是膜莢黃芪的1.8倍、1.6倍、1.3倍；物質(zhì)分配比例數(shù)據(jù)顯示，膜莢黃芪地上/地下生物量分配比例要遠高于蒙古黃芪，可見，蒙古黃芪雖然地上部分生物量積累弱于膜莢黃芪，但地下根系的物質(zhì)積累量和經(jīng)濟性狀要明顯好于膜莢黃芪。因此，建議北方高寒地區(qū)黃芪種植的品種選擇應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)需要。