干旱脅迫下海藻活性物質(zhì)對(duì)蒙古黃芪光合作用、生長及品質(zhì)的影響

劉杰 郭嘉華 趙鵬 王永龍 范菠菠 耿志剛 段天鳳，*

（1包頭師范學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；3農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海藻類肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266400）

干旱作為一種常見且高發(fā)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，長期困擾著我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是干旱半干旱地區(qū)，對(duì)作物的危害甚至超過了其他逆境因子的總和［1］。干旱脅迫對(duì)植物眾多的生理代謝過程有著抑制和破壞作用，如干旱脅迫下玉米葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和電子傳遞速率均顯著下降［2］；燕麥葉片的超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫、丙二醛含量顯著提高［3］；地黃的株高、生根數(shù)、根長、鮮質(zhì)量均降低［4］；油菜葉片的吲哚乙酸、細(xì)胞分裂素和油菜素內(nèi)酯含量顯著降低，脫落酸含量顯著增加［5］；北蒼術(shù)的蒼術(shù)素、蒼術(shù)酮、白術(shù)內(nèi)酯Ⅱ等次生代謝產(chǎn)物大量合成［6］。

黃芪作為我國重要的大宗藥材，主要的基源植物之一是蒙古黃芪［Astragalusmembranaceusvar.mongholicus（Bunge） P.K.Hsiao］，具有補(bǔ)氣升陽等作用［7］?，F(xiàn)代藥理研究發(fā)現(xiàn)黃芪含有黃芪甲苷等三萜皂苷類和毛蕊異黃酮葡萄糖苷等黃酮類次生代謝產(chǎn)物［8］，具有抗病毒［9］、抗氧化［10］和抗衰老［11］等功效。內(nèi)蒙古包頭市固陽縣為蒙古黃芪的道地產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)量已超過全國總產(chǎn)量的十分之一［12］，但道地產(chǎn)區(qū)處于干旱地區(qū)農(nóng)牧交錯(cuò)帶，水分對(duì)藥用植物的干物質(zhì)積累量和次生代謝產(chǎn)物形成均有重要影響［13］。蒙古黃芪的植株較為矮小，具有花期相對(duì)較早、抗逆性較強(qiáng)、形態(tài)品質(zhì)較好等特點(diǎn)［12］。

海藻活性物質(zhì)，包括海藻酸、巖藻多糖、褐藻多酚等，是海藻肥的核心物質(zhì)［14］，富含多種礦物質(zhì)元素及植物內(nèi)源激素等［15］。目前海藻活性物質(zhì)的生物活性和應(yīng)用功效正在被廣泛研究、開發(fā)、應(yīng)用［16］，在種子引發(fā)、葉面施肥、促進(jìn)作物生長發(fā)育等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的各個(gè)環(huán)節(jié)均有著優(yōu)良的應(yīng)用功效［17］。而海藻酸（C6H8O6）n作為海藻活性物質(zhì)中的主要功效物質(zhì)，廣泛存在于褐藻植物的細(xì)胞間質(zhì)和細(xì)胞壁中，具有強(qiáng)化細(xì)胞壁的作用，也是植物的重要供能物質(zhì)，在抵抗干旱等非生物脅迫方面具有明顯作用，如海藻酸可緩解干旱脅迫對(duì)菜心［18］和甘蔗［19］造成的傷害。盡管海藻活性物質(zhì)在植物抗逆方面的應(yīng)用已有一些研究報(bào)道，但其在干旱脅迫條件下對(duì)蒙古黃芪生長和品質(zhì)的生理調(diào)控尚不清楚。因此，本研究以蒙古黃芪種苗為試驗(yàn)材料，通過分析海藻活性物質(zhì)對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪光合作用、抗逆能力、形態(tài)特性、內(nèi)源激素以及藥效成分含量的影響，旨在進(jìn)一步明確海藻活性物質(zhì)提高蒙古黃芪抗旱性的作用機(jī)制，為道地產(chǎn)區(qū)蒙古黃芪的抗旱栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

一級(jí)蒙古黃芪［Astragalusmembranaceusvar.mongholicus（Bunge） P.K.Hsiao］種苗（平均根長≥40 cm、平均根粗≥8 mm、平均百苗重510 g），購于內(nèi)蒙古包頭市固陽縣。育苗基質(zhì)（有機(jī)質(zhì)≥35%、N+P2O5+K2O≥2.5%、pH值6.8、導(dǎo)電率0.8 mS·cm-1）。盆栽盒（長50 cm、寬30 cm、高20 cm）。海藻活性物質(zhì)（bioactive seaweed substances，BSS）（原料：野生泡葉藻；提取方法：酶解法；商品名稱：藍(lán)能量海藻精；登記證號(hào)：農(nóng)肥（2015）準(zhǔn)字4482號(hào)；生產(chǎn)單位：青島明月藍(lán)海生物科技有限公司；研發(fā)單位：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海藻類肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；主要指標(biāo)：pH值8.0～10.0、有機(jī)質(zhì)≥45%、海藻酸≥18%、K2O≥12%、水分≤5%、水不溶物≤2%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取10株一級(jí)蒙古黃芪種苗平栽于盛有育苗基質(zhì)的盆栽盒中，蒙古黃芪種苗返青后每個(gè)盆栽盒中保留8株。采用兩因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)設(shè)正常水分（W0）、中度干旱脅迫（W1）和重度干旱脅迫（W2） 3個(gè)處理，田間持水量分別為75%～80%、60%～65%和45%～50%，每隔2 d利用稱重法進(jìn)行補(bǔ)水，田間持水量采用環(huán)刀法測(cè)定；副區(qū)設(shè)置葉面噴施清水（B0）、中等濃度（B1，3 g·L-1）和高等濃度（B2，6 g·L-1）海藻活性物質(zhì)3個(gè)處理，共9個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。其中，清水和海藻活性物質(zhì)于蒙古黃芪返青7 d后開始葉面噴施，每隔7 d噴施一次，每次150 mL，共3次，最后一次噴施后7 d隨機(jī)選取樣株進(jìn)行指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉片光合作用指標(biāo) 于晴天的上午10∶00—12∶00，使用SPAD-502葉綠素測(cè)定儀（日本美能達(dá)公司）和Handy PEA植物效率分析儀（英國Hansatech公司）分別測(cè)定葉綠素相對(duì)含量（soil and plant analyzer develotrnent，SPAD）和葉綠素?zé)晒鈪?shù)最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（maximum photochemical quantum yield，F(xiàn)v/Fm）；使用CIRAS-3便攜式光合儀（美國漢莎公司）測(cè)定葉片水分利用率（water utilization efficiency，WUE）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）、氣孔導(dǎo)度（stomatal conductivity，Gs）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）等光合氣體交換參數(shù)。

1.3.2 葉片抗逆能力指標(biāo) 摘下葉片后放入液氮速凍，并在-80 ℃冰箱保存，參考《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》［20］測(cè)定葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，即可溶性糖（soluble sugar，SS）、可溶性蛋白（soluble protein，SP）、脯氨酸（proline，Pro）含量以及抗氧化酶過氧化氫酶（catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）活性。

1.3.3 根系形態(tài)特征指標(biāo)及干物質(zhì)積累量 用預(yù)冷的蒸餾水清洗干凈從盆栽盒中取出的根系后，使用卷尺測(cè)定根長（root length，RL）；使用電子游標(biāo)卡尺測(cè)定距蘆頭1 cm處的根粗（root diameter，RD）；使用Expression 1100XL掃描儀（中國愛普生公司）和WinRHIZO Pro 2007根系分析軟件測(cè)定根體積（root volume，RV）和根表面積（root superficial area，RSA）；于80 ℃烘干至恒重后使用電子天平測(cè)定根系干物質(zhì)積累量（root dry matter accumulate，RDMA）。

1.3.4 根系內(nèi)源激素指標(biāo) 用預(yù)冷的蒸餾水清洗干凈從盆栽盒中取出的根系后，采用植物激素酶聯(lián)免疫分析ELISA試劑盒（上海茁彩生物科技有限公司）測(cè)定內(nèi)源激素生長素（auxin，IAA）、赤霉素（gibberellin，GA）、細(xì)胞分裂素（cytokinin，CTK）、脫落酸（abscisic acid，ABA）、油菜素內(nèi)酯（brassinolide，BR）含量。

1.3.5 根系藥效成分指標(biāo) 用預(yù)冷的蒸餾水清洗干凈從盆栽盒中取出的根系后，參考《中華人民共和國藥典 2020年版 一部》［7］的方法測(cè)定藥效成分毛蕊異黃酮葡萄糖苷（calycosin-7-glucoside，C7G）、黃芪甲苷（astragaloside，AS）含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 24.0軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪葉片光合作用的影響

由表1可知，與W0處理相比，W1和W2處理蒙古黃芪葉片Ci上升了10.4%～31.2%，而Fv/Fm、SPAD、WUE、Gs、Tr、Pn分別下降了6.258%～15.621%、8.3%～22.6%、20.31%～22.22%、5.651%、5.47%～13.26%、26.95%～38.30%，說明干旱脅迫減弱了蒙古黃芪葉片的光合作用，以重度干旱脅迫下蒙古黃芪葉片光合作用的減弱最為明顯。

表1 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪葉片光合作用的影響Table 1 Effect of BSS on photosynthesis of Mongolian milkvetch leaves under drought stress

與B0相比，W0條件下，B1處理顯著降低了蒙古黃芪葉片Ci并顯著提高了除SPAD和Gs外的其余光合作用指標(biāo)，而B2處理僅顯著提高了WUE和Pn；W1條件下，B1處理顯著降低了Ci并顯著提高了其余光合作用指標(biāo)，而B2處理則顯著降低了Fv/Fm；W2條件下，B1處理顯著提高了除WUE和Ci外的其余光合作用指標(biāo)，而B2處理顯著提高了Ci并顯著降低了除WUE和Pn外的其余光合作用指標(biāo)。說明B1處理在不同干旱脅迫程度下均可有效增強(qiáng)蒙古黃芪葉片的光合作用，而B2處理反而減弱了W2條件下蒙古黃芪葉片的光合作用。

2.2 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪葉片抗逆能力的影響

由表2可知，隨著干旱脅迫程度的加重，蒙古黃芪葉片CAT活性呈先增高后降低的趨勢(shì)，與W0處理相比，W1和W2處理SP、SS、Pro含量及POD、SOD活性分別提高了65.96%～78.40%、24.32%～38.16%、20.7%～22.0%、7.7%～13.3%、8.2%～10.5%，說明干旱脅迫造成了蒙古黃芪葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加以及抗氧化酶活性的提高，以中度干旱脅迫下蒙古黃芪葉片的抗逆能力提升最明顯。

表2 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪葉片抗逆能力的影響Table 2 Effect of BSS on stress tolerance of Mongolian milkvetch leaves under drought stress

與B0相比，W0條件下，B1和B2處理均顯著提高了蒙古黃芪葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，但抗氧化酶活性均無顯著差異；W1條件下，B1處理顯著提高了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及CAT和POD活性，而B2處理則顯著降低了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及CAT和POD活性；W2條件下，B1處理對(duì)抗逆能力的影響與W1條件下相一致，而B2處理則顯著降低了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及POD活性。說明B1處理在不同干旱脅迫程度下均可有效提高蒙古黃芪葉片的抗逆能力，而B2處理則降低了W1和W2條件下蒙古黃芪葉片的抗逆能力。

2.3 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪根系形態(tài)特征及干物質(zhì)積累量的影響

由表3可知，相較于W0處理，W1和W2處理蒙古黃芪的RSA增加了16.7%～17.9%，而RL、RD、RV、RDMA則分別降低了5.7%～8.0%、5.0%～16.5%、8.2%～25.0%、6.5%～28.9%。說明干旱脅迫抑制了根系的生長發(fā)育以及干物質(zhì)量的積累，以重度干旱脅迫下的抑制效果最明顯。

表3 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪根系形態(tài)特征及干物質(zhì)積累量的影響Table 3 Effect of BSS on morphological characteristics and dry matter accumulation of Mongolian milkvetch roots under drought stress

與B0相比，W0條件下，B1處理顯著提高了蒙古黃芪的RL、RD和RDMA，而B2處理僅顯著提高了RD；W1條件下，B1處理根系形態(tài)特征及干物質(zhì)積累量的變化與W0條件下相一致，而B2處理則無顯著差異；W2條件下，B1和B2處理各指標(biāo)間均無顯著差異。說明B1處理可有效促進(jìn)W0和W1條件下蒙古黃芪根系的生長發(fā)育和干物質(zhì)量的積累。

2.4 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪根系內(nèi)源激素含量的影響

由表4可知，相較于W0處理，W1和W2處理蒙古黃芪根系的ABA含量增加了10%～12%，而IAA、GA、CTK、BR含量則分別降低了15.3%～28.4%、6%～24%、9%～23%、6.6%～20.3%。說明干旱脅迫抑制了根系內(nèi)源激素的積累，以重度干旱脅迫下的抑制效果最為明顯。

表4 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪根系內(nèi)源激素含量的影響Table 4 Effect of BSS on endogenous hormones content of Mongolian milkvetch roots under drought stress

與B0相比，W0條件下，B1處理顯著提高了蒙古黃芪根系IAA、GA和BR的含量，而B2處理僅顯著提高了BR含量；W1條件下，B1處理顯著提高了IAA、GA、CTK和BR含量，而B2處理僅顯著提高了BR含量；W2條件下，B1處理根系內(nèi)源激素含量的變化與W1條件下相一致，而B2處理無顯著差異。說明B1處理在不同干旱脅迫程度條件下均可有效促進(jìn)蒙古黃芪根系內(nèi)源激素含量的增加。

2.5 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪根系藥效成分含量的影響

由圖1可知，隨著干旱脅迫程度的加重，蒙古黃芪根系藥效成分含量均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，以W1B1處理的藥效成分含量最高，C7G、AS的含量分別為0.067%、0.146%。說明適度的干旱脅迫有利于藥效成分含量的增加。

圖1 BSS對(duì)干旱脅迫下蒙古黃芪根系藥效成分含量的影響Fig.1 Effect of BSS on medicinal composition content of Mongolian milkvetch roots under drought stress

與B0相比，W0條件下，B1處理顯著提高了蒙古黃芪根系C7G、AS的含量，而B2處理僅顯著提高了AS含量；W1條件下，B1處理藥效成分含量的變化與W0條件下相一致，而B2處理藥效成分含量無顯著差異；W2條件下，B1處理顯著提高了AS含量，而B2處理則顯著降低了AS含量。說明B1處理在不同干旱脅迫程度條件下均可有效促進(jìn)蒙古黃芪藥效成分含量的增加，而B2處理在W2條件下甚至降低了藥效成分含量。

2.6 干物質(zhì)積累量和藥效成分含量與測(cè)定指標(biāo)間的相關(guān)性

以根系的干物質(zhì)積累量作為蒙古黃芪產(chǎn)量的主要構(gòu)成因子，以藥效成分含量作為品質(zhì)的主要構(gòu)成因子，與測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果表明（表5），蒙古黃芪根系的兩種藥效成分含量均與Gs和CAT活性呈極顯著的高度正相關(guān)，說明葉片光合作用和抗氧化酶活性的提高有利于品質(zhì)的提升。根系干物質(zhì)積累量與Ci呈極顯著的高度負(fù)相關(guān)，與Fv/Fm、SPAD、Gs、Tr、Pn、RL、RD、RV、IAA、GA、CTK、BR含量呈極顯著的高度正相關(guān)，說明葉片光合作用、根系生長和內(nèi)源激素含量的提高有利于產(chǎn)量的提升。

表5 干物質(zhì)積累量和藥效成分與測(cè)定指標(biāo)的Pearson相關(guān)性系數(shù)Table 5 Pearson correlation coefficient of dry matter accumulation and medicinal composition with measurement indicators

3 討論

3.1 干旱脅迫對(duì)蒙古黃芪生長及品質(zhì)的影響

干旱脅迫是影響蒙古黃芪生長和品質(zhì)的主要非生物脅迫之一。本研究表明，蒙古黃芪在干旱脅迫下的光合作用明顯減弱，表現(xiàn)在Fv/Fm、SPAD、WUE、Gs、Tr、Pn的降低；抗逆能力明顯提高，表現(xiàn)在SP、SS、Pro含量和POD、SOD活性的提高；根系的生長受到制約，表現(xiàn)在RL、RD、RV、RDMA的減?。桓祪?nèi)源激素的分泌受到抑制，表現(xiàn)在IAA、GA、CTK、BR含量的顯著降低與ABA含量的顯著提高，這分別與前人在玉米［2］、燕麥［3］、地黃［4］、油菜［5］上的研究有相似之處。隨著干旱脅迫程度的加重，根系藥效成分的含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，說明適度的干旱脅迫增加了藥效成分的含量，這也與適度的環(huán)境脅迫能增加藥用植物次生代謝產(chǎn)物含量即“逆境出品質(zhì)”的研究結(jié)論［21-22］相符，而重度干旱脅迫可能抑制了蒙古黃芪次生代謝途徑，進(jìn)而導(dǎo)致藥效成分含量下降［23］。

3.2 互作效應(yīng)對(duì)蒙古黃芪生長及品質(zhì)的影響

崔丹丹等［18］研究表明，干旱脅迫下海藻肥中的海藻酸可以顯著提高菜心的株高、最大葉長、葉綠素含量和抗氧化酶活性，并顯著降低菜心葉片中自由基的含量；陳迪文等［19］的研究也表明，干旱脅迫下海藻提取物中的海藻酸可以增加甘蔗的植株鮮重、葉片超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性，提高甘蔗的抗旱系數(shù)。本研究表明，不同干旱脅迫程度條件下，中等濃度的海藻活性物質(zhì)促進(jìn)了蒙古黃芪葉片光合作用和根系的生長，提高了植株抗逆能力及根系內(nèi)源激素和藥效成分的含量，原因可能是海藻活性物質(zhì)在葉面噴施時(shí)更易通過莖葉表面細(xì)胞膜進(jìn)入蒙古黃芪細(xì)胞，從而激活蒙古黃芪生長發(fā)育的調(diào)控途徑，包括一氧化氮介導(dǎo)、脫落酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、生長素誘導(dǎo)等途徑，進(jìn)而增強(qiáng)其抵抗干旱脅迫和次生代謝的能力［24］。而在重度干旱脅迫程度條件下，高等濃度的海藻活性物質(zhì)反而抑制了蒙古黃芪的生長和藥效成分含量的積累，原因可能是高等濃度的海藻活性物質(zhì)引起了蒙古黃芪葉片的翻卷，從而降低了其抵抗重度干旱脅迫的能力。

蒙古黃芪產(chǎn)質(zhì)量主要構(gòu)成因子與測(cè)定指標(biāo)的相關(guān)性分析表明，葉片光合作用和抗氧化酶活性的提高有利于根系藥效成分含量的提升，葉片光合作用、根系的生長和內(nèi)源激素含量的提高有利于根系干物質(zhì)積累量的提升，其中光合作用的增強(qiáng)對(duì)蒙古黃芪產(chǎn)質(zhì)量的提高均有著重要影響。魏廷邦等［25］的研究也表明，黃芪產(chǎn)量與各項(xiàng)光合指標(biāo)、生物指標(biāo)、葉綠素含量、質(zhì)量指標(biāo)均呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。原因可能是光合作用制造的有機(jī)物直接在根系中進(jìn)行了積累，促進(jìn)了產(chǎn)量的提高，蒙古黃芪的藥效成分主要為次生代謝產(chǎn)物，而次生代謝產(chǎn)物的合成主要是以初生代謝產(chǎn)物為原料，光合作用制造的有機(jī)物為藥效成分的積累提供了原料，這也與前人在香青蘭［26］、甘草［27］上的研究有相似之處。

相較產(chǎn)量，藥用植物栽培更注重藥效成分含量的提高，且更講究道地性，但在藥用植物栽培過程中產(chǎn)量和品質(zhì)往往不能兼得［28］。本研究W0B1處理的產(chǎn)量最高，W1B1處理的藥效成分含量最高，符合上述規(guī)律。因此，在蒙古黃芪道地產(chǎn)區(qū)的大田抗旱栽培過程中，可以進(jìn)一步增加海藻活性物質(zhì)的濃度梯度，以探究最佳施用量范圍，使其在保證品質(zhì)的基礎(chǔ)上盡可能提高產(chǎn)量。

4 結(jié)論

干旱脅迫抑制了蒙古黃芪葉片的光合作用、根系的生長發(fā)育、干物質(zhì)量和內(nèi)源激素的積累，提高了葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和抗氧化酶活性，適度干旱脅迫提高了根系的藥效成分含量。干旱脅迫下施用3 g·L-1的海藻活性物質(zhì)可以促進(jìn)蒙古黃芪生長及品質(zhì)的提高。