不同光質(zhì)對(duì)黃芪抗氧化酶活性及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

胡瑜輝，楊振宇，宋詩(shī)娟，王寶慧，石志勇，牛景萍，梁建萍，柴 智

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西太谷030801；2.山西中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，山西晉中030619）

黃芪是山西省主要道地藥材，《中華人民共和國(guó)藥典》2010版收錄藥用黃芪為蒙古黃芪（Astragalus membranaceusBunge var.Mongholicus（Bge.）Hsiao）和膜莢黃芪（Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge.）的干燥根[1]。黃芪中含有黃芪皂苷、黃酮、多糖、多種氨基酸以及硒、鋅等14種人體所需要的微量元素[2]，具有補(bǔ)氣固表、脫毒生肌之功效，在臨床、制藥和保健等方面廣泛應(yīng)用。但是近年來(lái)，由于環(huán)境污染和濫挖濫采的原因，使野生黃芪的產(chǎn)量和分布面積急劇減少[3]，人工栽培成為商品黃芪的主要來(lái)源。如何提高人工栽培黃芪的品質(zhì)和產(chǎn)量來(lái)代替野生黃芪資源，已經(jīng)成為學(xué)者們研究的重要目標(biāo)以及任務(wù)。藥用植物特別是道地藥材的質(zhì)量與環(huán)境存在著密切的相關(guān)性，其次生代謝產(chǎn)物的積累受到很多環(huán)境因素如海拔、光照和水分等的影響，光質(zhì)對(duì)植物的形態(tài)建成、生理生化特性及物質(zhì)代謝都具有一定的影響，光能過(guò)量或不足對(duì)植物都可能造成脅迫[1]。藥用植物栽培地的選擇和生態(tài)條件的調(diào)控已經(jīng)成為影響栽培藥材產(chǎn)量及品質(zhì)的關(guān)鍵因子[4-5]。

在植物體內(nèi)光作為能量來(lái)源和信號(hào)物質(zhì)，其受體能接收不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)，影響次生代謝通路中關(guān)鍵酶基因的表達(dá)，進(jìn)而影響植物的生理過(guò)程，最終影響生物量、抗氧化酶活性和藥用有效成分的積累[6-8]。隨著科學(xué)技術(shù)研究的不斷進(jìn)步，通過(guò)人工調(diào)節(jié)不同光質(zhì)以提高經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)[9]。覆蓋不同光質(zhì)色膜是作為光質(zhì)調(diào)節(jié)的一種重要方法，其已應(yīng)用于植物的設(shè)施栽培中，不同波長(zhǎng)的光質(zhì)被植物體內(nèi)分子吸收后可產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)植株的形態(tài)建成、生長(zhǎng)發(fā)育及生理代謝等[10]。利用不同顏色的濾光膜遮光探明藥用植物的生長(zhǎng)及其藥用有效成分積累的變化，不僅可對(duì)道地藥材形成的機(jī)制和次生代謝途徑做出科學(xué)分析，而且對(duì)生產(chǎn)中提高次生代謝產(chǎn)物含量具有重要的指導(dǎo)意義。

本試驗(yàn)通過(guò)在人工栽培黃芪幼苗中設(shè)置不同光質(zhì)色膜，研究光質(zhì)對(duì)黃芪抗氧化系統(tǒng)和有效成分含量的影響，探討光適應(yīng)策略，以期找到適于黃芪生長(zhǎng)的光生態(tài)條件，為定向生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)藥材提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院藥用植物實(shí)踐教學(xué)與科研基地進(jìn)行。該地位于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，地處東經(jīng)112°32′，北緯37°26′，海拔870 m。一年四季分明，年平均氣溫5～10℃，年均降水量456 mm，無(wú)霜期約170 d。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為1年生蒙古黃芪實(shí)生苗，種子采自山西省渾源縣官兒鄉(xiāng)；光質(zhì)采用與太陽(yáng)光透光率相近的不同顏色的濾光膜進(jìn)行處理，光膜購(gòu)于上海偉康有色塑料廠。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因素4水平隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次。當(dāng)黃芪生長(zhǎng)至60 d后，于2018年8月1日進(jìn)行黃光（Y）、藍(lán)光（B）、紅光（R）3種光質(zhì)處理，同時(shí)以自然光作為對(duì)照（CK）。其中，紅色光膜波長(zhǎng)為620～780 nm，波峰為662 nm；黃色光膜波長(zhǎng)為560～590 nm，波峰為570 nm；藍(lán)色光膜波長(zhǎng)為400～450 nm，波峰為420 nm。3種光膜透光率均為85%，每組處理30株黃芪。光質(zhì)處理采用木桿搭建遮光棚進(jìn)行，搭建高度約100 cm，頂部及四周均用濾光膜覆蓋，下部距地面20 cm，以便通風(fēng)，防止遮光棚內(nèi)溫度過(guò)高。光質(zhì)處理后，于1、30、60、90、120 d（成熟期）采集黃芪葉片，測(cè)定其生理指標(biāo)。待地上部分凋亡后挖出黃芪根，烘干，測(cè)定總多糖、總皂苷和總黃酮的含量，并計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

生理指標(biāo)參考高俊鳳[11]的方法進(jìn)行測(cè)定，其中，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定，過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測(cè)定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定，細(xì)胞質(zhì)膜透性采用電導(dǎo)儀法測(cè)定，脯氨酸含量采用茚三酮法測(cè)定。

次生代謝物（總多糖、總皂苷和總黃酮）含量測(cè)定參照梁建萍等[12]的方法進(jìn)行，其中，總多糖含量采用蒽酮-硫酸比色法測(cè)定，總皂苷含量采用香草醛-硫酸比色法測(cè)定，總黃酮含量采用硝酸鋁-亞硝酸鈉比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Microsoft Excel 2010及SPSS 23.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)處理對(duì)黃芪抗氧化酶活性的影響

由圖1可知，隨著黃芪的生長(zhǎng)，自然光（CK）、黃光、藍(lán)光和紅光4種光質(zhì)下SOD活性均呈逐漸下降的趨勢(shì)；從5個(gè)時(shí)期來(lái)看，黃光下，SOD活性始終顯著高于其他3種光質(zhì)。處理1 d時(shí)，黃光、藍(lán)光和紅光處理下的SOD活性分別比自然光（CK）條件下高出28.6%（P＜0.05）、5.7%和5.9%；處理30、60、90 d后，黃光和紅光處理下的SOD活性均顯著高于自然光（CK）（P＜0.05），黃光處理下的變幅最大，藍(lán)光處理下的變幅最?。惶幚?0 d時(shí)，黃光、藍(lán)光和紅光下SOD活性分別較自然光（CK）高出42.2%（P＜0.05）、8.6%和18.0%（P＜0.05）；處理120 d時(shí)，4種光質(zhì)對(duì)SOD活性的影響同處理1 d時(shí)的趨勢(shì)一致。

從圖1可以看出，與自然光（CK）相比，黃光處理可提高POD活性，藍(lán)光處理降低了POD活性，紅光處理對(duì)POD活性無(wú)明顯影響。處理30 d時(shí)，黃光處理下POD活性高出自然光（CK）18.0%（P＜0.05），藍(lán)光處理下低于自然光（CK）22.7%（P＜0.05）；處理90 d時(shí)，黃光處理下POD活性高于自然光（CK）19.1%（P＜0.05），藍(lán)光處理下POD活性低于自然光（CK）24.6%（P＜0.05）。

從圖1可以看出，CAT活性變化對(duì)光質(zhì)的響應(yīng)與SOD、POD活性都不同，CAT活性受光質(zhì)影響程度較小，隨著黃芪的生長(zhǎng)，CAT活性無(wú)明顯增加或降低的趨勢(shì)，活性變化趨于平穩(wěn)。處理1 d時(shí)，黃光、藍(lán)光和紅光處理下均顯著低于自然光（CK）（P＜0.05），分別下降了30.3%、20.3%和27.2%；處理30～120 d時(shí)，不同光質(zhì)處理間的CAT活性均無(wú)顯著差異。

2.2 不同光質(zhì)處理對(duì)黃芪MDA含量、電導(dǎo)率和脯氨酸含量的影響

從圖2可以看出，隨著黃芪的生長(zhǎng)，自然光（CK）、黃光、藍(lán)光和紅光4種光質(zhì)處理下的MDA含量總體呈逐漸上升的趨勢(shì)，與自然光（CK）相比，黃光處理下的MDA含量略有上升，但二者間差異不顯著；藍(lán)光和紅光處理下的MDA含量顯著降低（P＜0.05）；處理60 d時(shí)，與自然光（CK）相比，藍(lán)光和紅光處理下的MDA含量分別下降了66.1%和77.3%，且差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），黃光處理下MDA含量升高5.6%，但與CK間差異不顯著。

從圖2可以看出，自然光（CK）、黃光、藍(lán)光和紅光4種光質(zhì)下黃芪葉片電導(dǎo)率隨黃芪生長(zhǎng)總體呈緩慢上升的趨勢(shì)；處理30 d時(shí)，與自然光（CK）相比，黃光、藍(lán)光和紅光處理下黃芪葉片的電導(dǎo)率分別顯著提高了15.8%、12.9%和8.6%（P＜0.05）；處理30～120 d，電導(dǎo)率受4種光質(zhì)影響的結(jié)果從大到小排序均為黃光＞藍(lán)光＞紅光＞自然光。

由圖2可知，黃芪葉片脯氨酸含量隨時(shí)間增加而逐步上升，在5個(gè)不同時(shí)期，藍(lán)光、黃光和紅光處理下的脯氨酸含量均低于自然光（CK），且除處理90 d外，其余處理差異均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）；處理60 d時(shí)，黃光、藍(lán)光和紅光分別較自然光（CK）顯著降低10.4%、9.1%和26.5%（P＜0.05）；處理120 d時(shí)，黃光、藍(lán)光和紅光處理下的脯氨酸含量分別較自然光（CK）降低9.8%、8.6%和16.2%，且藍(lán)光和紅光間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。由此可見(jiàn)，MDA含量、電導(dǎo)率受短波長(zhǎng)光質(zhì)影響較大，脯氨酸含量受光質(zhì)脅迫程度較低。

2.3 不同光質(zhì)對(duì)黃芪生長(zhǎng)及藥效成分積累量的影響

由表1可知，與自然光（CK）相比，株高、根長(zhǎng)、莖葉和根的干質(zhì)量在黃光、藍(lán)紅和紅光處理下均有所下降。與自然光（CK）相比，株高在黃光、藍(lán)光和紅光處理下分別顯著下降了17.4%、39.8%和12.1%（P＜0.05）；根長(zhǎng)在黃光、藍(lán)光和紅光處理下分別顯著下降了16.9%、35.8%和16.9%（P＜0.05）；莖葉干質(zhì)量在黃光、藍(lán)光和紅光處理下分別顯著下降了1.8%、22.2%和10.8%（P＜0.05）；根干質(zhì)量在黃光、藍(lán)光和紅光處理下分別顯著下降了2.0%、12.9%和11.6%（P＜0.05）。可見(jiàn)，3種光質(zhì)均明顯降低了黃芪的縱向生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累。

表1 不同光質(zhì)對(duì)黃芪單株生物量的影響

從表2可以看出，與自然光（CK）相比，不同光質(zhì)處理均提高了多糖、黃酮和皂苷這3種藥效成分的含量和單株產(chǎn)量，并且藍(lán)光處理高于紅光和黃光處理。與自然光（CK）相比，多糖含量在藍(lán)光、黃光和紅光處理下分別顯著增加了78.4%、52.8%和27.5%（P＜0.05）；多糖單株產(chǎn)量在藍(lán)光、黃光和紅光處理下分別提高了55.4%、49.8%和12.7%，且藍(lán)光、黃光處理均顯著高于紅光處理（P＜0.05）。與自然光（CK）相比，皂苷含量在藍(lán)光、黃光和紅光處理下分別增加了133.3%、80.0%和13.3%，且藍(lán)光、黃光處理與紅光處理間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）；皂苷單株產(chǎn)量在藍(lán)光、黃光處理下分別顯著提高了97.2%、70.8%（P＜0.05），而紅光處理下降了3.8%，但與CK間差異不顯著。與自然光（CK）相比，黃酮含量在藍(lán)光和黃光處理下分別顯著增加了80.5%和51.2%（P＜0.05），而紅光處理下降低了9.8%，但與CK間差異不顯著；黃酮單株產(chǎn)量在藍(lán)光和黃光處理下分別顯著提高了57.6%和48.4%（P＜0.05），紅光處理下顯著降低了20.2%（P＜0.05）。

表2 不同光質(zhì)對(duì)黃芪有效成分含量和單株產(chǎn)量的影響

3 討論

3.1 光質(zhì)處理對(duì)抗氧化酶系統(tǒng)的影響

植物從種子萌發(fā)到生長(zhǎng)發(fā)育都受到光照的調(diào)控，而光質(zhì)可以調(diào)控植物碳水化合物的代謝，并與作物的產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)[13]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以光質(zhì)作為環(huán)境調(diào)控因子，探討其對(duì)植物抗氧化系統(tǒng)及生長(zhǎng)的影響[14]。SOD是植物抗氧化系統(tǒng)中免受活性氧傷害的第一道防線，與POD、CAT協(xié)調(diào)配合清除過(guò)氧化物自由基，以保證細(xì)胞的正常功能[15]。研究表明，藍(lán)光會(huì)使不同植物抗氧化酶的活性升高，以保持較低水平的超氧陰離子、過(guò)氧化氫和MDA[16-17]。紅光處理的SOD、CAT活性以及MDA含量和H2O2含量在先鋒橙和紅桔幼苗中均高于藍(lán)光處理[18]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與自然光相比，藍(lán)光下SOD、POD活性無(wú)顯著變化，而黃光下SOD、POD活性均上升，CAT受不同光質(zhì)的影響較小，這與李倩[16]的研究結(jié)果一致。說(shuō)明藍(lán)光對(duì)黃芪幼苗的氧化脅迫傷害程度較輕，可以通過(guò)體內(nèi)SOD、POD、CAT這3種抗氧化酶的協(xié)調(diào)作用使活性氧自由基達(dá)到平衡。

細(xì)胞膜透性的變化可以反映植物細(xì)胞對(duì)外部環(huán)境的敏感程度。MDA是膜脂過(guò)氧化的重要產(chǎn)物之一，用來(lái)表示細(xì)胞膜透性大小，從而間接衡量膜系統(tǒng)受損程度以及植物的環(huán)境適應(yīng)性。本研究發(fā)現(xiàn)，與自然光相比，藍(lán)光和紅光處理下MDA含量下降，而黃光處理下MDA含量上升。電導(dǎo)率是反映細(xì)胞膜受傷害的另一個(gè)常用指標(biāo)。本研究中，在黃芪生長(zhǎng)過(guò)程中，4種不同光質(zhì)對(duì)電導(dǎo)率影響大小均表現(xiàn)為黃光＞藍(lán)光＞紅光＞自然光，且都存在顯著差異。以上結(jié)果表明，藍(lán)光處理對(duì)黃芪沒(méi)有造成膜脂過(guò)氧化的發(fā)生，有利于黃芪的正常生長(zhǎng)。

在正常環(huán)境條件下生長(zhǎng)的植物，體內(nèi)游離脯氨酸含量較低，但在逆境（如干旱、寒害和熱害等）脅迫條件下，植物體內(nèi)游離脯氨酸含量會(huì)顯著增加。本研究中，與自然光（CK）相比，藍(lán)光處理下的脯氨酸含量升高，這與王麗偉等[19]研究發(fā)現(xiàn)的“番茄幼苗在藍(lán)光下脯氨酸含量較高”的結(jié)論相一致。表明在藍(lán)光處理下，黃芪更易合成較多的脯氨酸含量來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓，從而使細(xì)胞質(zhì)膜保持完整性，有助于黃芪的生長(zhǎng)發(fā)育。

3.2 光質(zhì)處理對(duì)黃芪生物量和有效成分積累的影響

光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)的影響已逐漸成為目前研究的熱點(diǎn)[20]，光質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響首先表現(xiàn)在植物光形態(tài)建成方面，株高、根長(zhǎng)、葉面積、干物質(zhì)積累等生物量是反映植物長(zhǎng)勢(shì)狀況的重要指標(biāo)，不同光質(zhì)對(duì)生物量有著不同程度的影響。本研究中，在黃光、藍(lán)光和紅光處理下，黃芪的株高、根長(zhǎng)和干質(zhì)量受到不同程度的抑制，這與黃枝等[21]、閻秀峰等[22]和陳驪君等[23]研究得出“不同光質(zhì)處理下植株的生長(zhǎng)及鮮質(zhì)量、干質(zhì)量有不同程度下降”的結(jié)果相一致。

近年，植物次生代謝合成受光質(zhì)的調(diào)控也受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，特別是藥用植物研究領(lǐng)域。光質(zhì)通過(guò)調(diào)控植物基因表達(dá)來(lái)促進(jìn)或抑制一些功能性蛋白或酶的合成，最終影響植物的次生代謝及形態(tài)發(fā)生[24]。本試驗(yàn)研究表明，4種光質(zhì)對(duì)黃芪根部有效成分積累的影響從大到小排序均表現(xiàn)為藍(lán)光＞黃光＞紅光＞自然光，光質(zhì)都不同程度地促進(jìn)了黃芪根部有效成分的積累。有研究表明，藍(lán)光也能顯著增加植物內(nèi)花青素[25]的含量，對(duì)植物體內(nèi)其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如槲皮素、異鼠李素）的積累也有一定的影響[26]。李小明等[13]研究發(fā)現(xiàn)，黃光、藍(lán)光和紅光3種光質(zhì)下淫羊藿苷類黃酮含量均高于白光，而以黃光最高，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果有所差異。這可能是由于不同植物對(duì)光質(zhì)的耐受性不同造成的。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，藍(lán)光能有效維持黃芪體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)平衡，有效調(diào)控黃芪次生代謝物合成，提高總黃酮、總多糖和總皂苷的含量，從而改善黃芪藥材的品質(zhì)，提高藥材產(chǎn)量。這一結(jié)果可為黃芪人工定向栽培中光質(zhì)的選擇提供基礎(chǔ)理論依據(jù)和技術(shù)支撐。