收获前期水钾耦合施用对北沙参生长及活性成分含量的影响

房海灵，汤兴利，李 莉，周义峰*

(1.江苏省中国科学院 植物研究所,江苏 南京 210014;2.中国科学院 南京分院 东台滩涂研究院,江苏 东台 224200;3.南京农业大学,江苏 南京 210014)

北沙参为伞形科植物珊瑚菜(GlehnialitteralisF Schmidt ex Miq)的干燥根,是中医临床上常用药材之一,具有养阴清肺、益胃生津之功效,主要用于治疗肺热燥咳、劳咳痰血、胃阴不足、热病津伤、咽干口渴等症[1]。除药用外,北沙参还具有较高的营养和保健价值,常与麦冬、丹参配伍,用于抗晒老、老年性疾病等治疗,以及癌症化疗后恢复体质的方剂中,如保健汤、沙参麦门冬汤、健脾益气汤等[2-3]。

随着沿海滩涂资源受人为干扰的加剧,北沙参野生资源已濒临灭绝,为国家二级保护濒危植物[4]。目前,北沙参以人工栽培为主,主产区从我国的东部沿海地区转移至内蒙内陆盐碱地区。近年来,我国自然淤积和人工围垦形成了大片的沿海滩涂盐土资源,为恢复沿海地区道地药材北沙参的人工种植提供了空间。但由于滨海盐碱滩涂土壤蒸发强烈,淡水资源紧缺,水、肥供应成为制约北沙参产业发展的瓶颈[5]。水、肥具有明显的耦合关系,目前在水稻、玉米、番茄等大宗作物上已有研究[6-8],然而对药用植物特别是北沙参的研究基本上还处于空白。本文研究了收获前期水钾耦合对北沙参药材性状、生理指标及活性成分的影响,建立了滨海盐碱地北沙参合理水钾耦合施用管理方案,旨在为沿海滩涂北沙参的高效、规范化种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为北沙参当年播种、生长一致的收获前期壮苗。盆栽试验土壤为砂质潮土,土壤理化性质为: pH值8.12,有机碳含量7.04 g/kg,碱解氮含量为0.04%,有效磷含量为11.04 mg/kg,速效钾含量为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)。所用盆钵为PVC管,高1 m,直径20 cm,底部有3个通气孔,每个盆钵装土5 kg。

1.2 方法

本试验于2016年8月下旬在南京中山植物园日光温室内进行,透光率80%左右。设土壤水分和施钾量2个试验因子,采用两因素裂区随机区组设计。钾肥以不同纯钾施用量控制,设75 kg/hm2(K1)、150 kg/hm2(K2)、300 kg/hm2(K3)三个水平，钾肥采用硫酸钾。土壤水分采用土壤相对含水量控制,设置80%～90%(W1)、60%～70%(W2)、40%～50%(W3)三个水平。同时设置对照(CK)，其施钾量为0 kg/hm2,正常供水。两个因素共组合成9个处理(见表1),每个处理3次重复,随机区组排列。钾肥于8月下旬随水施入,土壤水分的控制采用称重法,其他生育期水肥施用与对照相同。在处理20 d后测定相关指标,并于收获时测定北沙参根性状、活性成分含量等指标。

表1 收获前期北沙参水钾耦合试验方案

1.3 北沙参植株生长、生理及活性成分指标的测定

1.3.1 植株生长指标测定 于收获期测定植物株高、根长(中后期测量至根尖3 mm粗处)、根鲜重、根干重、根直径等指标。

1.3.2 叶片中保护酶活性及其他生理指标的测定 采用南京建成生物工程研究所的试剂盒测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)的活性，以及丙二醛(MDA)、游离脯氨酸(Pro)、可溶性糖、可溶性蛋白质的含量。

1.3.3 补骨脂素、欧前胡素、异欧前胡素含量的测定 于10月上旬采集北沙参植株的根部,用水洗后低温烘干,粉碎后过60目筛,备用。精确称取干燥粉碎的北沙参药材1.0 g,置于锥形瓶中,精密加入二氯甲烷30 mL,于40 ℃下超声40 min,过滤。滤液于40 ℃水浴挥去溶剂,再加甲醇溶解,定容于1 mL量瓶中,摇匀,用0.45 μm滤膜过滤。精确称取补骨脂素、欧前胡素、异欧前胡素,分别加甲醇配制成0.040、0.049和0.041 mg/mL的混合对照品溶液,低温保存备用。色谱条件:流动相为甲醇+水(67∶33),流速1.0 mL/min;柱温30 ℃;检测波长248 nm。补骨脂素、欧前胡素、异欧前胡素的回归方程、相关系数及线性范围见表2。

表2 对照品的线性回归方程及线性范围

1.4 数据统计

对实验数据采用Excel 2010进行整理,用SPSS 19.0统计软件进行LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 收获前期水钾耦合对北沙参药材的影响

由表3可看出,钾肥和水分耦合处理对北沙参根长及干物质积累具有显著影响。在水分充足条件(W1)下,随钾肥施入量的增加,北沙参地上部和地下部生物量均增加,表明钾肥有利于产量的形成,但是过多的水分会导致少量根茎腐烂,影响产量。在轻度水分胁迫(W2)下,增施钾肥有利于北沙参功能叶片光合产物的输出和运输,促进根的伸长；适宜的施钾量(150 kg/hm2)可有效促进北沙参地上、地下部生长,根系长且粗,干物质积累丰富；但施钾量过多会降低根长的增加效应。在中度水分胁迫(W3)下,由于水分供应不足,植株长势较差,适量钾肥的施入可轻微缓解水分胁迫对北沙参植株、根长及干物质积累的负面影响；但是钾肥施入量的增加加剧了水分胁迫对植株的伤害,加之在北沙参生长后期,植株光合作用减弱,导致地上部分过早枯萎,进而影响了光合产物的合成与转移,最终导致产量降低。

表3 收获前期水钾耦合对北沙参生长及品质性状的影响

注:同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),不同大写字母表示处理间差异极显著(P<0.01)。下同。

2.2 收获前期水钾耦合对北沙参叶片保护酶活性的影响

水钾耦合处理对收获前期北沙参叶片保护酶活性亦具有显著影响(表4)。在相同的土壤相对含水量下,增加钾肥供应可以显著提高北沙参叶片保护性酶SOD、POD和CAT的活性,减轻缺水植株的钾代谢紊乱,从而增强其抗旱性，改善植株体内的水分状况，降低植株对干旱的敏感程度。在相同钾施入量条件下,SOD、CAT和POD的活性随着土壤供水量的增加而降低。在低水高钾条件下,3种酶活性降低,其原因可能是收获前期植株根系吸水能力变弱,加之水分和肥料的双重胁迫,叶片保护系统遭到破坏。

表4 收获前期水钾耦合对北沙参叶片保护酶活性的影响

2.3 收获前期水钾耦合施用对北沙参渗透调节物质的影响

由表5可知,收获前期水钾耦合对北沙参渗透调节物质具有一定的影响。在相同水分胁迫条件下，北沙参叶片的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量均随施钾量的增加而显著增加；与水分充足(80%～90%)相比,在轻度(60%～70%)或中度(40%～50%)水分胁迫下,可溶性糖含量在K2水平的增幅最大,为115.97%或176.59%,可溶性蛋白含量在K2水平的增幅亦最大,为137.91%或180.54%，但脯氨酸含量在K3水平的增幅最大,为51.85%或63.97%。

表5 收获前期水钾耦合对北沙参渗透调节物质含量的影响

2.4 收获前期水钾耦合对北沙参叶片MDA含量的影响

由图1可知：在相同施钾量条件下,MDA含量随着水分胁迫程度的增加呈上升趋势；在水分充足的条件下,MDA含量随施钾量的增加而逐渐降低；在轻度水分胁迫下,MDA含量随施钾量的增加呈先降低后升高的趋势；在中度水分胁迫下,MDA含量随施钾量的增加而逐渐升高；在中度和轻度水分胁迫条件下,不同施钾量的各处理间MDA含量差异均达到显著水平,而在水分充足条件下,只有部分处理间差异达到显著水平。说明在干旱和半干旱地区,适量增加钾肥用量可以缓解干旱胁迫对北沙参叶片造成的伤害,降低北沙参叶片丙二醛含量,提高北沙参的抗旱能力。

图1 水钾耦合对北沙参叶片MDA含量的影响

2.5 收获前期水钾耦合对北沙参活性成分含量的影响

图2显示,水钾耦合对北沙参中补骨脂素、欧前胡素、异欧前胡素的合成积累具有显著的影响。在水分胁迫W1、W2、W3下,北沙参根内补骨脂素、异欧前胡素含量的最高值均分别出现在高钾水平(K1)、中钾水平(K2)和低钾水平(K1)下，根内欧前胡素含量的最高值分别出现在K2、K2和K1下,且W2下各处理的含量值均高于W1、W3下的，表明在轻度水分胁迫下适度施用钾肥能提高北沙参中3种香豆素类成分的含量,在水分充足条件下3种成分含量随施钾量的增加而呈上升趋势,而在中度水分胁迫下则随着施钾量的提高而下降。在施钾水平K1、K2、K3下，北沙参根内补骨脂素含量的最高值分别出现在W3、W3和W2下,说明在中低施钾水平下,中度水分胁迫(W3)能有效地提高根内补骨脂素的含量。在施钾水平K1、K2、K3下，北沙参根内欧前胡素和异欧前胡素含量的最高值分别出现在W2(W3)、W2和W2下,说明在同样施钾水平下,轻度水分胁迫(W2)能有效地提高北沙参根内欧前胡素和异欧前胡素的含量。

3 结论与讨论

3.1 水钾耦合施用对北沙参产量和品质的影响

水分和肥料是影响药用植物生长发育的两大重要因素,同一植物在不同的水肥供应条件下表现不同。前人研究表明,水肥耦合对植物可产生3种不同的效应,即协同效应、叠加效应和拮抗效应[9]。合理的灌溉和施肥可有效提高药材产量,促进有效成分的合成积累,提高水肥利用效率。根是北沙参主要的药用部位,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标。目前,《中国药典》对衡量北沙参品质的药效成分未有明确规定。研究表明,北沙参中含有香豆素类、多糖、聚炔类、黄酮类等,其中补骨脂素、欧前胡素和异欧前胡素为香豆素类化合物,具有抗炎、保肝、抗癌、抗抑郁的功效,与北沙参的部分功效相吻合,可作为评价北沙参药材内在品质的指标[10]。本研究表明,在轻度水分胁迫条件下,水分和钾肥呈现出协同或叠加效应，具体表现为钾肥施入可有效促进北沙参根系的生长,促进干物质和补骨脂素等香豆素类成分的积累,且随着钾施入量的增加呈先增加后减少的趋势。该结果与饶碧玉等研究水肥耦合对当归产量和阿魏酸含量影响的结果[11]相似。

图2 水钾耦合对北沙参中香豆素类成分含量的影响

3.2 水钾耦合施用对北沙参抗氧化酶和渗透调节物质的影响

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)均为细胞酶促防御系统酶,可通过清除O2-和H2O2等来缓解和抵御逆境胁迫[12]。丙二醛(MDA)是植物膜脂过氧化作用的最终产物,其含量的高低反映了细胞膜系统受伤害的程度[13]。可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸均为细胞重要的渗透调节物质,其在植物体内的积累有利于抵抗逆境胁迫。张立新等[14]研究表明,在水分胁迫下,增施N、K肥可提高SOD、POD、CAT的活性,进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维持小麦植株在干旱条件下的正常生长,减低叶片MDA含量,从而减缓植株的衰老。王景燕等[16]的研究结果表明,汉源花椒幼苗的可溶性糖和可溶性蛋白含量随土壤水分含量的增加呈先增加后下降的趋势,随施肥量的增加而增加。在本实验中,在水分充足和轻度水分胁迫下,增加钾肥供应可以显著提高北沙参SOD、POD和CAT活性,降低MDA含量,促进渗透调节物质可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的积累,表现出水肥协同或叠加效应,此结果与形态指标测定所得结论一致。究其原因，可能是一定水分胁迫范围内增施肥料可提高土壤的水势和水分有效性,使对植物生长“无效”的水变成“有效”的水,使植物吸收更多的土壤水分满足其生长,缓解干旱胁迫[17]。

本研究结果还表明，在中度水分胁迫下,随着钾肥施入量的增加,北沙参叶片中SOD、POD、CAT活性显著降低,MDA含量增加,叶片快速衰老,表现出水肥拮抗效应。这与李录山等[18]对西兰花的研究结果一致,其原因可能是:在低水条件下钾的施入导致叶片膜脂过氧化和质膜透性增大,进而使得MDA和氧自由基在植物体内积累,超过了抗氧化酶的清除速度,对细胞结构产生伤害;水分缺乏增强了土壤对钾素的固定,降低了土壤钾的移动性,从而减少了植物对钾离子的吸收,导致钾肥利用率显著降低,进而抑制植物生长[19]。

综上所述,轻度水分胁迫结合施钾有利于北沙参根系的生长,促进干物质积累,提高保护性酶SOD、POD和CAT的活性以及渗透调节物质的含量,降低植株对干旱的敏感程度，同时可有效促进北沙参根茎中补骨脂素、欧前胡素和异欧前胡素等香豆素类成分的合成与积累。因此,北沙参在收获前期的最佳水钾施用模式为“轻度水分胁迫+中度施钾量”(60%～70%土壤相对含水量+150 kg/hm2施钾量)。此结果可为滨海盐碱地北沙参的人工种植提供科学的水肥施用方案。

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