当归根际土壤水浸提液对黄芪和工业大麻幼苗生长的化感作用

黄文静，孙晓春，王楠，王二欢，高静，2，孙建霞，2，田鑫，2，唐志书，2*

（1.陕西中医药大学／陕西省中药资源产业化协同创新中心，陕西咸阳712083；

2.陕西中医药大学药学院，陕西咸阳712046；3.陕西步长制药有限公司，西安710077）

当归为伞形科多年生植物当归Angelica sinensis（Oliv.）Diels的干燥根，是我国常用名贵大宗药材，至今已有2000多年的药用史和1200多年的栽培历史［1］。人工栽培当归需选择阴凉的半阴山地或二阴地，大田移栽的最佳海拔在1600～1800 m，海拔过高当归生长缓慢，过低容易早抽薹，成药率低。育苗地大多选在海拔2200～2300 m的半阴山地，以未开荒的生地最好［2－3］。由于当归对生境要求严格，生产面积多年来难以扩大，在道地产区岷县、漳县和宕昌县一带，药农争地、药林争地的情况时有发生。此外，适宜栽培当归的地块也因常年重茬种植使得土壤板结、肥力下降、病虫害严重，以致发生严重的连作障碍，当归产量和品质难以保证［4－6］。

在野生变家种的过程中，约有70%的根和根茎类药材有连作障碍，而化感作用是引起药用植物连作障碍的一个重要原因［6－7］。大量研究［8－9］表明，合理的轮作或间作是克服连作障碍的主要途径，而轮间作植物的选择是建立适宜耕作体系和利用化感作用维持田间生物多样性平衡的基础。本试验采用当归根际土壤水浸提液模拟化感物质，从种子萌发、幼苗生长和生理活性三个方面研究当归的自毒作用及对产地常见植物黄芪和工业大麻的化感效应，以期为建立合理的当归轮间作制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试当归种子购于漳县殪虎桥，为农家自留种；黄芪和工业大麻种子购于甘肃陇西县首阳药材市场。

1.2 研究方法

1.2.1 当归根际土壤水浸液的制备

取甘肃省陇南市宕昌县阿坞乡麻界村当归种植基地（北纬34°16′53.99″，东经104°09′56.14″）根际土壤样5 kg，按1∶2比例加入蒸馏水浸泡24 h，4层纱布进行粗滤，将粗滤液置于布氏漏斗抽滤得到澄清的滤液，旋转蒸发浓缩至500 mL，得到终浓度为0.5 g／mL的液体作为母液。取部分母液稀释，制成浓度分别为0.001、0.005、0.010 g／mL的溶液，置于低温冰箱待用。

1.2.2 种子发芽试验

选取籽粒饱满、无病虫害的当归、黄芪和工业大麻种子，经0.1%过氧化氢表面消毒10 min，蒸馏水冲洗3次后置于铺有发芽滤纸的培养皿中，每培养皿30粒种子，每处理3次重复，分别加入蒸馏水、0.001、0.005、0.010 g／mL的当归根际土壤水浸提液。将培养皿置于培养箱中进行（25±1）／（15±1）℃的变温培养，光照与黑暗时间设为12／12 h，光照强度为2000 lx。连续培养观察10 d，每天定时统计种子萌发数，于第10 d用直尺测量胚芽和胚根长度。当归种子以露白为发芽标准，黄芪和工业大麻种子以幼根达种子直径长为发芽标准［10］。

发芽率（%）＝10 d内发芽的总粒数／供试种子数×100%

发芽势（%）＝5 d内发芽种子数／供试种子数×100%

1.2.3 幼苗农艺性状测定

将种子按每盘50粒分别撒播种植于育苗盘中，育苗盘中介质为沙土（V／V＝1∶1），每种处理设3个重复，每3 d用喷壶浇清水或当归根际土壤水浸提液一次，按照1.3的培养条件于光照培养箱中培养30 d。培养结束后每组处理选10株幼苗，分别测量其根长、株高和鲜重等指标。

1.2.4 生理指标测定

测定叶绿素、脯氨酸、可溶性糖和丙二醛（MDA）含量。参照张宪政［11］的混合浸取法测定幼苗叶片中叶绿素含量；脯氨酸采用磺基水杨酸提取，用茚三酮法测定；可溶性糖含量的测定采用硫酸蒽酮法［12］；MDA的测定采用硫代巴比妥酸（TBA）双组分光光度法，以 nmol／g表示MDA的量［13］。

1.2.5 化感效应指数的计算

各试验结果参照Williamson等［14］的方法计算化感作用效应指数（RI）。当 T＜C时，RI＝T／C－1；当T≥C时，RI＝1－C／T。其中：C为对照值，T为处理值。当RI＞0时表现为促进作用，RI＜0时为抑制作用，绝对值的大小与化感作用强度一致［15］。

发芽势等各指标处理组的化感作用指数为3种不同浓度处理下的平均值。种子萌发化感效应指数为发芽势、发芽率、胚根长和胚芽长化感作用指数的平均值；幼苗农艺性状的化感效应指数为株高、根长、根冠比和鲜重化感作用指数的平均值；生理指标化感效应指数为叶绿素、脯氨酸、可溶性糖和MDA化感作用指数的平均值。

1.2.6 数据处理

所有数据用Excel处理作图，并采用SPSS19.0软件进行差异分析。

2 结果与分析

2.1 当归根际土壤水浸提液对种子萌发及生长的影响

由表1可知，随着当归根际土壤水浸提液浓度的增加，3种药材种子的发芽势、发芽率、胚根长和胚芽长都呈下降趋势，处理浓度与各指标大小总体上呈负相关关系。在处理浓度为0.010 g／mL时，当归、黄芪和工业大麻各指标处理组与对照组差异显著，其中当归发芽势从50%下降至6%左右，最终发芽率仅12.53%，远远低于清水对照78.21%的发芽率；除此之外，当归处理组的胚根长和胚芽长也仅有对照组的50%，由此可见，当归有明显的自毒效应。较低浓度（0.001 g／mL）处理对黄芪的发芽势和发芽率影响较大，但对其胚根长和胚芽长的影响不显著。中等浓度（0.005 g／mL）处理下，黄芪各指标均显著下降，与清水对照组差异显著，由此可见，当归对黄芪种子萌发和生长有较强的抑制作用。工业大麻的情况与当归和黄芪略有不同，低浓度当归根际土壤水浸提液处理对工业大麻各指标的影响均不显著，中等浓度处理在一定程度上促进了工业大麻的发芽势和发芽率。

表1 当归根际土壤水浸提液对种子萌发及生长的影响Tab.1 Effect of Angelica sinensis rhizosphere soil water extract on seed germination and growth

2.2 当归根际土壤水浸提液对幼苗农艺性状的影响

由表2可知，低浓度当归根际土壤水浸提液处理下当归幼苗鲜重显著降低，高浓度处理明显抑制了当归幼苗的生长，幼苗各指标均有所下降，其株高、根长和鲜重仅为对照组的54%、34%和27%。黄芪幼苗生长受当归根际土壤水浸提液抑制最明显，低浓度处理即可使黄芪株高、根长和鲜重显著下降。当归根际土壤水浸提液对工业大麻幼苗根冠比的影响不显著，除0.005 g／mL当归根际土壤水浸提液显著促进了工业大麻幼苗株高伸长外，中低浓度的处理对其幼苗生长的影响均不显著。高浓度处理下工业大麻幼苗株高降低，根长变短，鲜重下降，与对照组差异显著。

表2 当归根际土壤水浸提液对幼苗农艺性状的影响Tab.2 Effect of Angelica sinensis rhizosphere soil water extract on agronomic traits of seedling

2.3 当归根际土壤水浸提液对幼苗生理指标的影响

由表3可知，当归根际土壤水浸提液对当归和黄芪幼苗叶绿素合成有一定的抑制作用，中等浓度处理下当归幼苗叶绿素含量仅为对照组的27%，高浓度处理下黄芪幼苗叶绿素含量仅为对照的19%，中等浓度的当归根际土壤水浸提液处理可促进工业大麻幼苗叶绿素合成，但在高浓度下又再次表现出抑制作用。当归和黄芪脯氨酸含量随着处理浓度的上升而减小，而工业大麻幼苗中脯氨酸含量则随着处理浓度增加呈现先升高再降低的趋势。可溶性糖含量变化情况与脯氨酸类似，随着处理浓度增加，当归和黄芪中的可溶性糖含量逐渐降低，工业大麻中的可溶性糖含量则呈现先上升后下降的趋势。工业大麻中MDA含量受处理的影响差异不显著，在当归中随着处理浓度升高，MDA含量不断上升，低浓度的处理使黄芪幼苗MDA含量下降，中高浓度处理下MDA含量与对照组差异不显著。

表3 当归根际土壤水浸提液对幼苗生理指标的影响Tab.3 Effect of Angelica sinensis rhizosphere soil water extract on physiological indexes of seedling

续表3

2.4 当归化感效应指数分析

2.4.1 种子萌发及生长的化感效应指数分析

由图1可知，在4个指标中，当归根际土壤水浸提液对种子发芽势的影响最明显，表现为强烈的抑制作用，其次为发芽率、胚芽长和胚根长。3种植物中，当归根际土壤水浸提液对黄芪发芽势、胚根长和胚芽长抑制明显，虽然其发芽率的RI绝对值略低于当归，但远高于工业大麻，是其40倍左右。综合分析表明，当归具有明显的自毒作用，对黄芪发芽和生长的抑制作用远高于工业大麻。

图1 当归根际土壤水浸提液对种子萌发及生长的化感效应指数Fig.1 Response index of Angelica sinensis rhizosphere soil water extract on seed germination and growth

2.4.2 幼苗农艺性状的化感效应指数分析

如图2所示，在幼苗各农艺性状RI中，鲜重、根长和株高受当归根际土壤水浸提液的影响较大，总体上表现为抑制效应；根冠比受影响最小，其中当归根际土壤水浸提液对黄芪根冠比还有一定的促进作用，而工业大麻根冠比则不受处理的影响。当归根际土壤水浸提液对黄芪株高、根长和鲜重的影响最大，其次为当归，3种植物中工业大麻受化感效应影响最小。

图2 当归根际土壤水浸提液对幼苗农艺性状的化感效应指数Fig.2 Response index of Angelica sinensis rhizosphere soil water extract on agronomic traits of seedling

2.4.3 幼苗生理指标的化感效应指数分析

如图3所示，幼苗叶绿素RI均为负值，表明当归根际土壤水浸提液抑制了幼苗叶绿素的合成，其中对黄芪的抑制效应最明显，其次为当归和工业大麻。脯氨酸和可溶性糖为植物体内重要的渗透调节物质，工业大麻脯氨酸和可溶性糖RI分别为＋0.34和＋0.06，说明当归根际土壤水浸提液促进了工业大麻幼苗中脯氨酸和可溶性糖的积累，一定程度上增强了幼苗抗逆性。3种植物MDA的RI均为正值，表明当归根际土壤水浸提液促进了幼苗中MDA的合成，其中当归RI最大为＋0.35，黄芪和工业大麻的RI分别为＋0.045和＋0.052。

图3 当归根际土壤水浸提液对幼苗生理指标的化感效应指数Fig.3 Response index of Angelica sinensis rhizosphere soilwater extract on physiological indexes of seedling

2.4.4 化感效应指数的综合分析

由图4可知，种子萌发阶段RI绝对值最大，说明当归根际土壤水浸提液对3种植物种子萌发的抑制作用较明显，其中当归和黄芪RI远大于工业大麻的，表明当归和黄芪受到的影响较大。在幼苗生长阶段当归和黄芪的RI同样大于工业大麻的，且工业大麻生理指标的RI为正值，这与表3中工业大麻在中等浓度处理下某些生理指标（叶绿素、脯氨酸和可溶性糖）的增加相一致。综合化感作用分析表明，当归根际土壤水浸提液对3种植物的生长均有抑制作用，其中黄芪受影响最大，其次为当归，工业大麻所受影响最小。

图4 化感效应指数的综合分析Fig.4 Comprehensive analysis of the response index

3 结论与讨论

张新慧等［16］在当归根际土壤水提液中鉴定到17个化合物，包括有机酸、醛、酯、酮和烃类等，其中很多被报道是化感物质。马瑞君等［17］利用营养生长期当归茎叶和根水浸提液模拟化感物质处理当归，发现茎叶部分的自毒效应强于根部，且作用强度随浓度增加而增强。本研究发现，浓度为0.001 g／mL的当归根际土壤水浸提液即可抑制当归种子的发芽势和发芽率，高浓度的当归根际土壤水浸提液处理显著降低了当归幼苗的株高、根长和鲜重，当归的自毒作用明显，这与马瑞君［17］和邱黛玉等［18］的研究结果一致。叶绿素是将光能转化为化学能的活性物质，其含量高低在一定程度上反映了植物同化有机物的能力。研究发现，中等以上浓度的处理显著降低了当归幼苗的叶绿素含量，并抑制了细胞渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖的积累，与此同时，膜脂过氧化作用的主要产物之一MDA大量合成，推测这些生理上的变化可能是导致当归幼苗生长受到抑制的主要原因。

甘肃东南部当归道地产区的常见作物主要有燕麦、小麦和油菜等，有研究［17］表明当归对燕麦和小麦的化感作用较弱，可以用于当归轮作体系。实际生产中，种植小麦和燕麦的经济效益不高，因此药农多选则在大黄、党参、黄芪和当归等药材之间进行“药—药”轮作［19－20］。本研究发现，低浓度的当归根际土壤水浸提液处理即可明显降低黄芪种子发芽势，抑制黄芪胚芽和胚根伸长。通过化感效应指数分析可知，黄芪幼苗叶绿素的化感效应指数最低，表明其受到的抑制作用最强，低叶绿素含量使其光合同化有机物的能力降低，导致株高变矮，鲜重降低。

工业大麻在当归主产区常见小区域栽培，其种植成本低，经济效益高于种植小麦和燕麦。本研究发现，当归对工业大麻的化感作用较弱，低浓度的当归根际土壤水浸提液处理对工业大麻种子萌发和幼苗生长的影响均不显著；中等浓度处理反而可在一定程度上促进叶绿素、脯氨酸和可溶性糖的积累，加快种子萌发和幼苗的生长；高浓度处理对工业大麻的化感效应也远小于当归和黄芪。基于此，下一步将开展当归和工业大麻轮作或间作的大田试验研究，以期缓解因当归自毒作用而引起的连作障碍，为建立当归和工业大麻合理的轮间作体系提供进一步的理论支持。

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