3种小麦秸秆水浸液对黄芩和桔梗的化感作用研究

华智锐,李小玲

(商洛学院 生物医药与食品工程学院,陕西 商洛 726000)

黄芩(ScutellariabaicalensisGeorgi)又名山茶根,为唇形科植物黄芩的干燥根。主要分布于中国北方,生于向阳草坡地。黄芩味苦、性寒,有清热燥湿、泻火解毒、止血安胎之效[1],属大宗常用中药,也是商洛主栽药材之一。黄芩在医学中常被用于治疗湿热症、上呼吸道感染及肺热咳嗽等症。由于黄芩消炎抗菌的疗效较好,以黄芩为主要原料的相关药物需求量日益增加,所以如何提高黄芩的产量成为现今研究的热点。研究表明:15～25 ℃是黄芩种子的最适萌发温度[2]；低浓度的板栗水浸液对黄芩的种子萌发和幼苗生长起到促进作用[3]；适宜浓度的ABA能有效地缓解盐害并提高黄芩的抗炎性[4]。

桔梗(PlatycodongrandiflorumA.DC)又名包袱花,为桔梗科植物桔梗的干燥根。桔梗在全国范围内可种,生于山坡草地。桔梗集药用食用观赏于一身,极具开发前景。桔梗味苦、辛,性平,有宣肺利咽、祛痰、排脓之效[1],属大宗常用中药,也是商洛主栽药材之一。桔梗常被用于治疗咳嗽痰多、胸闷不畅等症；它还是治疗咽炎和感冒咳嗽的传统中药,也是保健蔬菜。桔梗的药食两用及其基本的治疗作用使之供不应求,为了实现供求平衡,出现了许多方式以提高桔梗产量。张文静等探讨了丹参对桔梗的化感作用,得出丹参不宜与桔梗轮作的结果[5]；低浓度的板栗水浸液对桔梗的种子萌发和幼苗生长能起到促进作用[3]。

科学家Molish H在1937年最早提出了化感作用的定义：在所有类型植物和微生物之间发生的有害或有利的生物化学相互作用[6]。植物所分泌的化学物质被称为化感物质；植物主要通过根系分泌、茎叶淋溶或挥发及植物残株腐解等途径向环境释放化感物质，以此直接或间接地影响周围植物的发育及生长。Rice将化感物质分为14类[7],主要是一些次生代谢物质,如酚酸类、类萜类等。Francisco研究了环境因素和基因对芜菁产量和次代谢产物的影响[8]。虽然我国对植物化感作用的研究起步较晚[9],但广大科技工作者仍关注此类研究。

中草药种类多,种子差异大,小粒种子的中药材(如问荆、麻花艽)在人工栽培过程中多采用与农作物套种的方式来提高其发芽能力。在农作物与药材套种栽培中,农作物可以在近地层创造一个稳定多湿的环境,有利于提高药材的发芽率,例如与小麦套种的麻花艽出苗数高,而与蚕豆、油菜套种的麻花艽出苗数低；套种作物产量高,麻花艽出苗数多,根长更长,根茎更粗,单株鲜重和干重更重[10]。玉米与三七轮作,有助于克服三七的连作障碍[11]。大多数中药材的耕作方式与植物的天然产物及化感物质有密切关系[12-14]。有关中药材对其他植物的化感作用也有较多的研究报道,例如太子参对莴苣[15],桔梗对小麦[16],党参和黄芩对玉米[17],小麦对秦艽[18]等的化感作用。近年来,随着人们对回归自然疗法和中药疗法的再度认识,在全球范围内对中草药的需求量越来越大,在中药材供不应求且因连作障碍逐年减产的情况下,人们开始研究如何提高中药材的产量,在有限的土地上间作、套作某些药用植物,使其产量增高。

黄芩、桔梗同属五大商药,在商洛各个地区都有分布。小麦是商洛市的主要农作物之一,也是广大农民的主要收益来源。商洛山区农民可耕地面积有限,而耕地主要用于小麦和中药材种植,所以间作套种模式成为当地农户主要种植模式之一。本课题以小麦品种商麦5226、商麦1619、131232为试验供体,以商洛道地药材黄芩、桔梗为受体，研究了不同小麦秸秆水浸液对黄芩和桔梗的化感作用，旨在为提高黄芩和桔梗的产量，以及为农作物与中药材合理间作套种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供体材料:成熟风干的3种小麦秸秆(去除根及叶),采自商洛学院秦岭植物良种繁育中心小麦试验田。

受体材料:黄芩、桔梗种子，购自陕西天士力植物药业有限责任公司。

1.2 试验方法

1.2.1 水浸液的制备和试验处理 首先采用浸提法[3],将自然成熟的3种小麦秸秆清洗干净,自然风干,剪成1 cm左右的小段。分别称取3种小麦秸秆20 g，放入200 mL的烧杯中,添加100 mL蒸馏水,用封口膜封口并摇匀。在室温下浸提48 h后,过滤得到0.2 g/mL的母液,于4 ℃冰箱低温保存备用。

采用培养皿培养法[3]进行本次试验。选取均一饱满的黄芩及桔梗种子,使用1%的次氯酸钠溶液消毒15 min,再用蒸馏水反复冲洗,晾干备用。在垫有双层滤纸的培养皿(直径为9 cm)中均匀撒入经消毒晾干的种子,每个培养皿中50粒。

将3种秸秆水浸液分别稀释为5、10、25、60 mg/mL。在培养皿中分别加入3 mL各小麦秸秆水浸液(之后视情况分别加入等量对应浓度的水浸液,使滤纸始终保持湿润)；以蒸馏水作为对照。各处理重复3次。在25 ℃下进行光暗交替培养,在培养至第9天时统计发芽率。

采用小杯法[19],将前4 d已统计的两种萌发种子放置于铺有两层滤纸的100 mL烧杯中,每杯放置5株,分别加入3 mL 4种不同浓度的水浸液,用封口膜封口并在封口膜上用针扎数个小孔；以蒸馏水作为对照。各处理重复3次。在25 ℃下进行光暗交替培养,在培养7 d后测定黄芩和桔梗幼苗的苗高、根长、鲜质量，以及可溶性蛋白和可溶性糖含量。

1.2.2 指标测定 发芽率和发芽指数的计算公式为：发芽率(%)=(萌发的种子数/播种数)×100%；发芽指数=Σ(当天萌发数/萌发日数)。

在实验结束后,采用常规方法测量幼苗的根长、苗高和鲜质量。

采用考马斯亮蓝G-250染色法[20]测定幼苗的可溶性蛋白含量,所测可溶性蛋白的标准曲线为Y=0.0023X+0.0751,R2=0.9992。

采用苯酚法[21]测定幼苗的可溶性糖含量,所测可溶性糖的标准曲线为Y=0.007X+0.142,R2=0.9991。

1.3 数据处理

根据上述检测结果，采用化感效应指数RI来衡量化感作用的类型和强度，其计算公式为：

上式中,C为对照值,T为处理值。当RI>0时表现为促进作用；当RI<0时表现为抑制作用。RI绝对值的大小与作用强度呈正比例关系。

使用SPSS 24.0软件进行单因素方差和显著性检验;采用Excel软件进行数据整理和分析。

2 结果与分析

2.1 3种小麦秸秆水浸液对黄芩种子萌发和幼苗生长的影响

2.1.1 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩种子发芽率的影响 由表1可知,在相同的浓度处理下,经商麦5226处理的黄芩种子发芽率最高,经商麦1619处理的次之,经131232处理的最低。低浓度的3种小麦秸秆水浸液均对黄芩种子的发芽率表现出一定的促进作用,在3种小麦秸秆水浸液浓度达到25 mg/mL时,黄芩的种子发芽率达到最高,与对照相比差异显著(P<0.05),其化感效应指数为0.0865(商麦5226)、0.0732(商麦1619)、0.0641(131232)。但随着浓度的增加,3种供体小麦对黄芩种子的发芽率表现出抑制作用。在浓度为60 mg/mL的3种小麦水浸液作用下,黄芩的发芽率达到最低。由上可以判断,3种小麦秸秆水浸液对黄芩种子发芽的影响表现为:低浓度促进,高浓度抑制；在3种小麦秸秆水浸液中,商麦5226相较于其他两种小麦而言,对黄芩种子萌发的促进作用更明显。

表1 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩种子发芽率的影响

注:“*”表示与对照间在P<0.05水平下差异显著;n=3;下同。

2.1.2 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩种子发芽指数的影响 由表2可知,3种小麦秸秆水浸液对黄芩的发芽指数也表现出了低浓度促进、高浓度抑制的双重效应。在10 mg/mL的小麦秸秆水浸液处理下,黄芩种子的发芽指数最大。其中,在商麦5226秸秆水浸液处理下的种子发芽指数最高,商麦1619次之,131232最低。商麦5226、商麦1619处理与对照相比差异显著(P<0.05),黄芩种子的发芽指数分别比对照提高了7.5%、6.6%。黄芩种子的最低发芽指数均出现在60 mg/mL小麦秸秆水浸液处理下。由此可知,低浓度的小麦秸秆水浸液可以促进黄芩种子发芽,高浓度的小麦秸秆水浸液则抑制黄芩种子发芽,且在3种不同小麦中,商麦5226对黄芩种子发芽的促进作用最明显,131232对黄芩种子发芽的抑制作用最明显。

表2 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩种子发芽指数的影响

2.1.3 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗可溶性蛋白含量的影响 由表3可见,在浓度为5～25 mg/mL的3种小麦秸秆水浸液处理下,黄芩幼苗的可溶性蛋白含量均高于对照,并在25 mg/mL浓度下达到最高,且与对照相比差异显著(P<0.05),分别增长了22.5%(商麦5226)、21.9%(商麦1619)、17.9%(131232)，化感效应指数分别为0.2256(商麦5226)、0.2187(商麦1619)、0.1909(131232)。在浓度为60 mg/mL小麦水浸液作用下,黄芩幼苗的可溶性蛋白含量均低于对照，化感效应指数分别为-0.0858(商麦5226)、-0.1125(商麦1619)、-0.1533(131232)。这表明,低浓度小麦秸秆水浸液处理能够促进黄芩储藏蛋白的转化,为种子萌发和幼苗生长提供能量和物质基础。在3种小麦中,商麦5226的促进作用最明显,商麦1619次之,131232最差。

表3 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗可溶性蛋白含量的影响

2.1.4 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗可溶性糖含量的影响 可溶性糖的含量反映了植物体内碳水化合物的运转情况,对种子萌发和幼苗生长极为重要。由表4可知,低浓度的3种小麦秸秆水浸液处理下的黄芩幼苗可溶性糖含量均高于对照,在10 mg/mL浓度处达到最高含量,商麦5226、商麦1619处理与对照相比差异显著(P<0.05),黄芩幼苗可溶性糖含量较对照分别增长了8.1%、7.4%。高浓度的3种小麦秸秆水浸液处理下的黄芩幼苗可溶性糖含量均低于对照,在60 mg/mL浓度处达到最低含量,且与对照相比差异显著(P<0.05),这表明,低浓度小麦秸秆水浸液处理能够促进黄芩体内碳水化合物的运转,且在3种小麦中,商麦5226的促进作用最明显,131232的抑制作用最明显。

表4 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗可溶性糖含量的影响

2.1.5 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗根长的影响 由图1可知,3种小麦秸秆低浓度水浸液对黄芩幼苗根长生长均有一定的促进作用。在25 mg/mL 3种小麦秸秆水浸液处理下，黄芩幼苗的根长均达最大值,其中商麦5226处理下的黄芩幼苗根长最长,商麦1619处理的次之,131232处理的最短；与对照相比,幼苗根长增加了29.1%(商麦5226)、26.4%(商麦1619)、23.1%(131232)。随着小麦秸秆水浸液浓度的进一步升高,这种促进作用逐渐降低，最终转变为抑制作用。方差分析结果表明，不同浓度3种小麦秸秆水浸液处理间黄芩幼苗根长存在显著性差异(P<0.05)。

图1 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗根长的影响

2.1.6 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗苗高的影响 从图2可以看出,3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗苗高的影响也表现为低浓度促进生长,高浓度抑制生长。具体而言，在25 mg/mL浓度处理下的黄芩幼苗苗高达到最大值,其中商麦5226处理下的黄芩幼苗苗高最高,商麦1619处理的次之,131232处理的最矮。在60 mg/mL浓度处理下，黄芩幼苗最矮,其较对照降低了13.6%(商麦5226)、6.4%(商麦1619)、19.4%(131232)。方差分析结果表明，不同小麦秸秆水浸液处理间黄芩幼苗苗高存在显著性差异(P<0.05)。

图2 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗苗高的影响

2.1.7 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗鲜质量的影响 由图3可见：在相同的浓度处理下,商麦5226处理的黄芩幼苗鲜质量最大,商麦1619处理次之,131232处理最低；3种小麦秸秆水浸液处理下黄芩幼苗鲜质量最大值均出现在25 mg/mL浓度处,与对照相比,鲜质量增加了28.1%(商麦5226)、23.2%(商麦1619)、17.8%(131232)，以商麦5226对黄芩幼苗鲜质量的促进作用更明显。随着小麦秸秆水浸液浓度的进一步升高,这种促进作用减弱并最终转变为抑制作用。方差分析结果表明，不同浓度3种小麦秸秆水浸液处理间黄芩幼苗的鲜质量存在显著性差异(P<0.05)。

图3 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗鲜质量的影响

2.2 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗种子萌发和幼苗生长的影响

2.2.1 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗种子发芽率的影响 由表5可知,在相同的浓度处理下,商麦1619处理的桔梗种子发芽率最高,商麦5226处理次之,131232处理最低。低浓度的3种小麦秸秆水浸液均对桔梗种子的发芽率表现出一定的促进作用,在3种小麦秸秆水浸液浓度达到10 mg/mL时,桔梗的种子发芽率最高,达到显著水平(P<0.05),其化感效应指数为0.1054(商麦5226)、0.1157(商麦1619)、0.0942(131232)。但随着小麦秸秆水浸液浓度的增加,3种供体小麦对桔梗种子的发芽率表现出抑制作用。在浓度为60 mg/mL的3种小麦秸秆水浸液作用下,桔梗的发芽率达到最低。由上可以判断,3种小麦秸秆水浸液对桔梗种子发芽率的影响表现为低浓度促进,高浓度抑制。在3种小麦秸秆水浸液中,商麦1619相较于其他两种小麦而言,其对桔梗种子发芽率的促进作用更明显。

2.2.2 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗种子发芽指数的影响 由表6可知,3种小麦秸秆水浸液的不同浓度对桔梗发芽指数的影响与对发芽率的影响相似,表现出了随浓度的增加先升后降的趋势。在5 mg/mL的小麦秸秆水浸液处理下,桔梗种子的发芽指数达最大,其中商麦1619处理下种子发芽指数最高(与对照相比差异显著),商麦5226处理次之,131232处理最低。桔梗种子的最低发芽指数均出现在60 mg/mL处理下,与对照相比差异显著(P<0.05),其发芽指数下降了9.9%(商麦5226)、7.8%(商麦1619)、13.8%(131232)。由此可知,低浓度的小麦秸秆水浸液可以促进桔梗种子发芽,高浓度的小麦秸秆水浸液则抑制桔梗种子发芽；在3种不同小麦中,商麦1619对桔梗种子发芽指数的促进作用最大,131232对桔梗种子发芽指数的抑制作用最明显。

表5 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗种子发芽率的影响

表6 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗种子发芽指数的影响

2.2.3 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗幼苗可溶性蛋白含量的影响 由表7可见,在浓度为5～10 mg/mL的3种小麦秸秆水浸液处理下,桔梗幼苗的可溶性蛋白含量均高于对照,并在10 mg/mL浓度处达到最高,与对照相比差异显著(P<0.05),分别增长了10.8%(商麦5226)、13.6%(商麦1619)、8.3%(131232)。在60 mg/mL小麦水浸液作用下,桔梗幼苗的可溶性蛋白含量均低于对照，化感效应指数分别为-0.2658(商麦5226)、-0.2475(商麦1619)、-0.2863(131232)。这表明,低浓度小麦秸秆水浸液处理能够提高桔梗幼苗的可溶性蛋白含量；在3种小麦中,商麦1619的促进作用最强,商麦5226次之,131232最差。

2.2.4 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗幼苗可溶性糖含量的影响 由表8可知,低浓度的3种小麦秸秆水浸液处理下的桔梗幼苗可溶性糖含量均高于对照,在5 mg/mL浓度处达到最高含量,分别增长了3.5%(商麦5226)、4.2%(商麦1619)、2.1%(131232),但增加量未达到显著水平。高浓度的3种小麦秸秆水浸液处理下的桔梗幼苗可溶性糖含量均低于对照,在60 mg/mL浓度处达到最低含量,且与对照相比差异显著。这表明,低浓度小麦秸秆水浸液处理能够促进桔梗体内碳水化合物的运转,且在3种小麦中,商麦1619的促进作用最明显,131232的抑制作用最明显。

表7 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗幼苗可溶性蛋白含量的影响

表8 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗幼苗可溶性糖含量的影响

2.2.5 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗幼苗根长的影响 由图4可知,低浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗幼苗根长增长均有一定的促进作用。在0～10 mg/mL 3种小麦秸秆水浸液处理下，桔梗幼苗的根长增长受到促进作用,根长最大值均在10 mg/mL处理下,比对照的幼苗根长增加了8.9%(商麦5226)、13.2%(商麦1619)、7.1%(131232)。随着小麦秸秆水浸液浓度的进一步升高,这种促进作用降低并转变为抑制作用。方差分析结果表明，在不同浓度3种小麦秸秆水浸液处理间桔梗幼苗根长存在显著性差异(P<0.05)。

图4 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗幼苗根长的影响

2.2.6 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗幼苗苗高的影响 在图5中,3种小麦秸秆水浸液处理下的桔梗幼苗苗高最大值均在10 mg/mL浓度处,其中商麦1619处理下的黄芩幼苗苗高最高,商麦5226处理次之,131232处理最矮。在60 mg/mL浓度处理下的桔梗幼苗最矮,其相比于对照而言,降低了13.6%(商麦5226)、6.4%(商麦1619)、19.4%(131232)。方差分析结果表明，在不同浓度3种小麦秸秆水浸液处理间桔梗幼苗苗高存在显著性差异(P<0.05)。

2.2.7 不同浓度3种小麦秸秆水浸液对桔梗幼苗鲜质量的影响 由图6可知,在相同的浓度处理下,商麦1619处理的桔梗幼苗鲜质量最高,商麦5226处理次之,131232处理最低。桔梗幼苗鲜质量最大值均出现在10 mg/mL浓度处,与对照相比,幼苗鲜质量增加了18.9%(商麦5226)、19.5%(商麦1619)、17.5%(131232)。随着小麦秸秆水浸液浓度的进一步升高,这种促进作用减弱并转变为抑制作用,在60 mg/mL浓度处理下的幼苗鲜质量最低。方差分析结果表明，在不同小麦秸秆水浸液处理间桔梗幼苗鲜质量存在显著性差异(P<0.05)。

3 讨论

在黄芩和桔梗种子萌发试验中,黄芩种子的发芽率在商麦5226秸秆水浸液25 mg/mL浓度处最高,化感指数为0.0865；发芽指数在商麦5226秸秆水浸液10 mg/mL浓度处最高,化感指数为0.0746。商麦1619对桔梗种子萌发的促进作用最强,发芽率在10 mg/mL浓度处最高,化感指数为0.1052；发芽指数在5 mg/mL浓度处最高,化感指数为0.0721。由上可知,与桔梗相比,小麦秸秆水浸液对黄芩种子萌发的化感促进作用更大。

在种子萌发试验中,发现不同浓度3种小麦秸秆水浸液对药材种子幼苗根的影响较为敏感,对根的化感作用不仅表现在根长上,还与根的卷曲程度和颜色深浅相关,与对照相比,受抑制的根明显卷曲且颜色暗。说明了小麦秸秆水浸液中的化感物质对黄芩和桔梗幼苗细胞分裂有抑制作用,而根较茎明显,这与彭晓邦等对丹参[22]的研究结果一致。在对受体黄芩的研究中,其幼苗根长均在25 mg/mL小麦秸秆水浸液处与对照相比差异显著,化感效应指数分别为0.2901(商麦5226)、0.2593(商麦1619)、0.2302(131232)。在对受体桔梗的研究中,其幼苗根长均在10 mg/mL浓度处与对照相比差异显著,化感效应指数分别为0.0899(商麦5226)、0.1312(商麦1619)、0.0708(131232)。由上可知,小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗根长的促进作用大于桔梗。

本试验发现,经3种小麦低浓度水浸液处理的黄芩和桔梗幼苗的可溶性蛋白和可溶性糖含量均高于对照,这表明,在逆境条件下植物可能会产生一些特异蛋白并增加可溶性糖含量以抵御外界的不利影响。这与李坤等对葡萄的研究结果[23]一致。在对受体黄芩的研究中,可溶性蛋白最高含量在浓度为25 mg/mL的商麦1619处理下测得,化感效应指数为0.2201；可溶性糖最高含量在浓度为10 mg/mL的商麦5226处理下测得,化感效应指数为0.0835。在对桔梗的化感研究中,可溶性蛋白最高含量在浓度为10 mg/mL的商麦1619处理下测得,化感效应指数为0.1365；可溶性糖最高含量在浓度为5 mg/mL的商麦1619处理下测得,化感效应指数为0.0415。因此,小麦秸秆水浸液对黄芩幼苗生长的影响更大,低浓度的商麦5226秸秆水浸液对黄芩种子的萌发和幼苗生长最有利,低浓度的商麦1619秸秆水浸液对桔梗种子的萌发和幼苗生长最有利。

水浸提法是目前研究化感作用的有效方法之一,已有相关报道[18]。本试验通过水浸提法,探讨了小麦秸秆水浸液对黄芩和桔梗种子萌发和幼苗生长的影响,得到了“低浓度促进,高浓度抑制”的结论,这又一次验证了植物化感作用对受体的影响具有明显的浓度效应[24]。

本试验得到以下结论:低浓度的商麦5226对黄芩种子萌发及幼苗生长最有利,低浓度的商麦1619促进桔梗种子萌发及幼苗生长作用最强。相对于桔梗而言,小麦秸秆水浸液对黄芩的种子萌发和幼苗生长影响更大,桔梗种子的萌发和生长对浓度更加敏感,相对于黄芩而言,其适宜浓度更低。本试验以模拟研究,通过外施化感物质的方法研究了不同浓度3种小麦秸秆水浸液对黄芩和桔梗的化感作用。但在实际生产中,两者的交融关系更为复杂,所以对两者的相互关系还需在大田生产中作进一步研究。