航天诱变种苗大小对当归物候特征、抗逆生理特性及药材产量的影响

刘宇晓，郭凤霞，陈 垣,2，王红燕，焦旭升，金建琴，刘晓峰

(1.甘肃农业大学 生命科学技术学院，农学院/甘肃省中药材规范化生产技术创新重点实验室/甘肃省药用植物栽培育种工程研究中心/甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070；2.甘肃天士力中天药业有限责任公司，甘肃省特色药用植物资源保护与利用工程实验室/甘肃省特色药材规范化可追溯栽培工程技术研究中心，甘肃定西 748100)

当归Angelicasinensis(Oliv.) Diels为伞形科当归属多年生草本药用植物，最早载于《神农本草经》，素有“妇科圣药”之称[1]，被列为补血药之首[2]，当归味甘、辛、微苦，归肝、心、脾经，具有补血活血、调经止痛，润肠通便的功效，用于血虚萎黄、月经不调等症[3]。是治疗妇科疾病的常用中药[4]。

甘肃岷县所产当归质量最佳，被誉为中国当归之乡[5]，然而，当归栽培品种主要为农家地方品种，为多种类型的混合体[6]，随着种植年限的延长，品种退化明显，早期抽薹率高，根病严重。尽管有人[6]开展了当归新品种选育研究，但目前尚不能解决生产上存在的问题。航天诱变育种是指通过将植物种子搭载宇宙飞船或返回式卫星，利用太空中的强辐射、微重力、高真空和弱磁场等使其性状发生遗传变异，然后从中选育出具有优良特性的现代育种新技术[7-10]，利用航天诱变途径已在中药材品种选育中初步得到应用[11-13]。本研究采用航天诱变进行育种，在有机栽培条件下探索当归航天新品种选育，以期选育符合育种目标的当归新品种。航天诱变当归种苗大小变异较大，对不同大小种苗的特性尚不了解，因此，本试验在诱变育种的基础上主要研究种苗大小对当归成药栽培生理生化特性及品质和产量的影响。旨在找出诱变育种后种苗大小与当归药材品质、产量的关系，为选育当归新品种在苗期选单株提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省定西市岷县禾驮乡石家台村，地理位置为北纬N 34°0′26″，东经E 104°0′01″，属典型温带大陆性季风气候，海拔2 800 m，年均降雨量800 mm左右，平均温度4.7 ℃，4-10月当归生长期平均温度5.5 ℃。该区高寒阴湿，土壤类型为高山草甸土，肥沃疏松，适宜当归生长，是当归的主要道地产区[5]。当归育苗采用熟地黄芪茬口育苗，整地时打碎土垡，清除石砾和杂草，耙平。

1.2 种苗来源

试验用材料为2016年航天诱变当归2 a生早期抽薹SP2代种子，经熟地黄芪茬口育成的种苗，由甘肃农业大学农学院陈垣教授鉴定为当归[Angelicasinensis(Oliv.) Diels]种苗。

1.3 当归成药栽培

当归成药栽培试验于2020年4月27日进行，前茬黄芪，种苗成药栽培采用单因素随机区组设计，首先参照甘肃省地方标准(DB62/T 2549-2014)和邱黛玉等[14]对当归种苗的分级方法，将当归种苗分为3个大小等级(表1)，然后将各级种苗采用覆黑膜穴栽，每处理重复3次, 共9个小区, 小区面积3 m×6 m=18 m2。移栽穴距40 cm，每穴2苗，每垄膜4行，小区间距0.50 m，四周设1 m保护带。

表1 当归种苗大小分级标准Table 1 Size grading standard of A.sinensis seedlings

1.4 当归成药栽培期返青率、成活率及早期抽薹率测定

移栽后观察各级种苗返青动态，5月下旬统计返青率，5-7月份统计成活率，6-8月统计早期抽薹率，5-10月的每月中旬对植株的生长发育动态进行测量。

返青率=返青株数/移栽总苗数×100%

移栽成活率=成活株数/移栽总苗数×100%

早期抽薹率=早期抽薹株数/返青总株数×100%

1.5 当归成药栽培期地上部生长发育指标测定

2020年6月3日当归返青后，随机挂牌定株，每重复15株，每处理共45株，测定当归株高、株幅、复叶数、叶柄粗、叶长、叶宽等地上部生长指标，以后每月测定1次，直到当归地上部枯萎。采用卷尺测定株高和株幅(精度1/10 cm)，采用数显游标卡尺测定茎粗(精度1/1 000 mm)，数取单株叶片数。

1.6 当归叶片采集及抗逆生理指标测定

2020年7月5日、8月25日、9月26日分别采集各处理长势一致、高度相同的当归中上部位叶片，采集后将当归叶片分别放入含有液氮的冰盒中，当天带回甘肃农业大学中草药栽培与鉴定实验室，放置4 ℃冰箱，用于抗逆生理指标的 测定。

参照Guo等[15]的方法，脂质过氧化程度以丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量和组织自动氧化速率(autoxidation rate，AR)衡量，AR测定5 h后的MDA含量，以每小时MDA含量的平均增加量来表示组织自动氧化速率。超氧物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氮蓝四唑(nitro-blue tetrazolium，NBT)光化还原法测定，以每分钟反应抑制NBT 光化还原 50% 定义为 1 个酶活性单位(U)，过氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈创木酚显色法测定，以在470 nm 处每分钟酶活增加1为1个酶活性单位(U)，过氧化氢酶(catalase，CAT)活性采用紫外吸收法测定，以每分钟酶活减少1为1个酶活性单位(U)。

1.7 当归药材农艺性状和产量的测定

2020年10月17日为当归药材采挖期，每小区随机抽取15株，每处理共30株，测定药材根农艺性状，并对小区药材根计数，测定小区鲜药材产量，最后换算为每公顷鲜药材产量。

1.8 当归根部灰分和主要药用成分的测定

2020年10月20日将所有当归药材统一阴干，阴干后，将各个小区的样品单独粉碎、混合均匀、过2号筛，之后测定其含量指标。

当归药材灰分、水分、浸出物、阿魏酸和藁本内酯等品质指标及成分含量测定参照《中华人民共和国药典》(2020年版)。

1.9 数据统计

采用Excel 2003软件进行数据汇总和制图，用SPSS 21.0软件进行方差分析及显著性分析，多重比较采用 Duncan’s法。

2 结果与分析

2.1 种苗大小对当归物候特征的影响

由表2可见，不同等级种苗移栽后其返青率、成活率和早期抽薹率均出现差异，但趋势均表现为大苗>中苗>小苗，其中，3种种苗的返青率和成活率无显著差异(P>0.01)，大种苗返青率比中种苗和小种苗仅提高1.75%和2.90%，成活率比中种苗和小种苗提高2.75%和4.69%，但抽薹率却表现出极显著差异性(P<0.01)，大种苗较中种苗抽薹率增加32.06%，较小种苗抽薹率增加50.28%。

表2 不同种苗大小当归物候特征Table 2 Phenological characteristics of A.sinensis under different sizes of seedlings

2.2 种苗大小对当归地上部生长指标的影响

由图1可知，当归群体生长的总体趋势在8月25日植株达到最大高度，之后开始逐步下降。当归大苗在8月3日之后开始快速增长，8月25日达到最高值。8月初，气温较高，雨水充沛，当归植株开始迅速生长，不断长出新叶片。8月25日之后，天气逐渐变凉，老叶凋零。

图1 航天搭载不同大小当归种子育成种苗成药株生长动态的比较Fig.1 Comparison of growth dynamics of A.sinensis seedling with different sizes in space

还可看出，大、中、小种苗苗生长的整体趋势相似，不同的是，大种苗的生长速度较快，小种苗的生长速度缓慢，但都在8月25日前后达到最大值并且不再继续增高。株幅、叶柄粗、复叶数和叶面积的生长趋势均与株高的生长趋势大致相似，并且均是大种苗生长速度大于中种苗和小种苗。

2.3 种苗大小对当归成药栽培抗逆性的影响

2.3.1 种苗大小对当归成药栽培叶片MDA含量与组织自动氧化速率的影响 植物在逆境下产生的大量活性氧自由基会引起膜脂质过氧化，进而损伤膜系统，MDA是膜脂过氧化的最终产物，浓度过高有毒害作用，但低浓度具有信号诱导生物体增强抗逆性的功能。由图2可知，在当归生长前期，大苗栽叶片MDA含量极显著高于中苗栽和小苗栽(P<0.01)，但组织自动氧化速率表现为大苗栽显著低于小苗栽(P<0.01)，与中苗栽无显著差异(P>0.05)；在当归生长中期，当归叶片MDA含量与前期相似，组织自氧化率为中苗栽显著低于大苗栽与小苗栽(P<0.01)；在当归生长后期，当归叶片组织MDA含量明显增加(CV=35.32%)，其中，小苗栽MDA含量高于同时期大苗栽与中苗栽当归，自动氧化速率低于同时期大苗栽与中苗栽当归。

图2 不同种苗大小当归成药栽培叶片MDA含量和自动氧化速率Fig.2 Content of MDA and automatic oxidation rate of A.sinensis under different sizes of seedlings

2.3.2 种苗大小对当归成药栽培叶片抗氧化酶活性的影响 不同种苗大小对当归叶片抗氧化酶活性具有一定的影响(图3)。生长初期，大苗栽当归叶片POD和SOD活性最高，中苗栽与小苗栽活性较弱，彼此无显著性差异(P>0.05)，大苗栽当归叶片CAT活性高于小苗栽与中苗栽，但与中苗栽差异不显著(P>0.05)；生长中期，大苗栽当归叶片POD活性显著高于中苗栽与小苗栽，而小苗栽SOD活性高于大苗栽与中苗栽，CAT活性三处理无显著性差异；在生长后期，同样大苗栽当归叶片SOD活性大于中苗栽大于小苗栽，而POD和CAT活性三处理基本持平，中苗栽CAT活性高于大苗栽和小苗栽，差异显著。这与当归的生长势有关，在生长前期，大苗栽当归生长发育态势强，生活力旺盛，而中苗栽与小苗栽当归生长发育缓慢，生活力较弱，在生长后期，大苗栽当归由于前期生长发育好而在后期生活力变弱，小苗栽与中苗栽当归却在后期仍具有生活力，因此其酶活性基本一致。

图3 不同种苗大小当归成药栽培叶片抗氧化酶活性Fig.3 Antioxidant enzyme activities in leaves under different sizes of A.sinensis seedlings

2.4 种苗大小对当归成药栽培品质指标及产量的影响

由表3可知，种苗大小对苗栽当归芦头长、芦头粗、根长、根粗、侧根数等根部形态无显著影响(P>0.05),但对单株鲜质量、单根鲜质量以及根鲜产量具有显著影响(P<0.05)。中苗栽当归单株鲜质量最高(m=111.80 g)，但其单根鲜质量(m=81.81 g)不及小苗栽(m=84.17 g)；大苗栽单株鲜质量最低(m=78.85 g)，这是因为大苗栽当归生长速度快，后期叶片衰老发黄后脱落严重，其地上部分鲜产量较低(m=19.53 g)，而中苗栽当归在生长后期生长态势较好，叶片干枯脱落少，地上部分鲜产量最高(m=29.99 g，P<0.05)；小苗栽当归的根单根鲜质量最大，其产量(6 382.46 kg/hm2)也极显著高于大苗栽与中苗栽(P< 0.01)，大苗栽当归产量最低，仅为1 073.48 kg/hm2，可能由于大苗栽当归生殖生长强于营养生长，将土壤中的养分用于供给地上部分的生长，而小苗栽与中苗栽当归地上部分生长缓慢，将土壤中营养物质吸收后用于根部生长，营养生长强度大于生殖生长，因此小苗栽当归单根鲜质量与根鲜产量均最佳，中苗栽次之，大苗栽最低。

表3 航天诱变当归不同种苗大小的药材农艺性状和产量Table 3 Agronomic characters and yield of radix A.sinensis by space mutation under different sizes of seedlings

2.5 种苗大小对当归成药栽培品质指标及含量的影响

由表4和图4可知，不同苗栽当归的品质与含量具有显著性差异(P<0.05)，大苗栽当归总灰分(7.13%)和酸不溶性灰分(2.06%)超过药典规定(2020版，<7.0%，<2.0%)，小苗栽和中苗栽当归总灰分和酸不溶性灰分都显著小于大苗栽且都符合药典规定(P<0.01)；浸出物含量都符合药典规定(≥45%)但各苗栽当归差异显著 (P<0.01)，小苗栽当归浸出物含量最高 (51.13%)，大苗栽和中苗栽浸出物含量较低，差异不显著 (P>0.05)；阿魏酸和藁本内酯含量均为小苗栽最高(0.133%，1.409%)，显著(P< 0.01)高于大苗栽(0.063%，0.630%)而与中苗栽 (0.129%， 0.123%)差异不显著(P>0.05)，但都符合药典规定(≥0.050%，≥0.4%)。

表4 航天诱变当归不同种苗大小成分含量Table 4 Content of A.sinensisunder treament of space induction

图4为不同苗栽当归成药超高效液相图谱，混合标准品色谱图(A)；不同苗栽当归成药根的阿魏酸含量超高效液相色谱图(B)；不同苗栽当归成药根的藁本内酯含量超高效液相色谱图(C)

3 讨 论

3.1 合理选择种苗可以降低当归早期抽薹率

在当归生产中，第1年育苗，第2年移栽成药，将肉质根收获用作当归药材，如果要留种，则将第2年当归留株越冬，经春化作用后抽薹开花，但目前在当归生产中第2年就会出现早期抽薹现象，即30%以上的植株抽薹开花，严重者高达70%以上[16]，使当归根部木质化，成药少，有效成分含量低，成药生产效率低。本试验得出，小苗栽当归抽薹率较低，仅7.97%，中苗栽当归抽薹率26.22%，大苗栽当归抽薹率高达58.25%，抽薹率高是大苗产量低的关键因素。但3类苗栽当归返青率和移栽成活率差异不显著(P>0.05)，大苗栽当归返青率为86.68%，移栽成活率为 76.78%，中苗栽当归返青率为84.93%，移栽成活率为74.03%，小苗栽当归返青率为83.78%，移栽成活率为72.09%，这可能与当归种苗的抗逆性有关，大苗栽当归初期抗氧化活性好，MDA含量低，膜脂过氧化速率慢，抗逆性好，可更好地适应生长环境，生长发育态势好，生存能力强，但小苗栽当归初期抗氧化酶活性低，MDA浓度较高，植物产生了大量的活性氧自由基引起膜脂过氧化，苗栽当归抗逆性弱，生长发育态势较弱，返青率、移栽成活率较低，中苗栽当归介于两者之间，因此当归种苗越大返青率和移栽成活率越高，早期抽薹率也越高，在当归生产中合理选择种苗可以降低成药栽培当归早期抽薹率，提高农业生产效率，这与王兴政等[17]、邱黛玉等[14]研究结论相似，幼苗必须满足一定的营养物质水平才可能通过春化，所以种苗越大，苗龄越长，越具备春化条件，越易第2年正常通过光照阶段而提前抽薹开花。曾宇馨等[18]通过文献计量学方法，辅以CiteSpace软件分析得出与当归早期抽薹有关的关键词主要有反季育苗、内外源激素、海拔、连作障碍、生物学特性等，因此引起当归早期抽薹的因素很多，不能在单一因素上彻底解决当归早期抽薹的问题，但可以通过育种，选育出抽薹率极低的品种，降低当归早期抽薹率，提高农业生产效率。

3.2 合理选择当归种苗可提高苗栽当归产量与品质

优质种苗来源是其药材品质和产量的基础保证[19]，当归产量由群体密度和单株根质量构成[20]。本研究得出，种苗大小对苗栽当归芦头长、芦头粗、根长、根粗、侧根数等根部形态无显著影响(P>0.05)，但对单株鲜质量、单根鲜质量以及根鲜产量具有显著影响(P<0.05)。尽管大苗栽当归芦头长、芦头粗、根长、根粗、侧根数等都优于小苗栽当归，但其单根鲜质量却远不及小苗栽当归，这可能与当归木质化程度或根部含水量有关，大苗栽当归地上部分生长指标在个生长阶段都优于小苗栽当归与中苗栽当归，8月份抽薹率高达58.25%，木质化严重，在生长后期叶片枯萎，生活力下降，成木质根，影响次生代谢产物积累，而小苗栽与中苗栽当归生长发育缓慢，抽薹率低，根部木质化程度低，肉质根含水量多。因此，虽然各苗栽当归主要质量性状差异不显著(P>0.05)，但产量差异显著(P<0.01)，是由于小苗栽和中苗栽当归抽薹率低，根部木质化程度小，再加之该试验建立在航天诱变新品种选育的基础上，8月份当归早期抽薹后拔除抽薹株，使得单位面积大苗栽当归总株数小于中苗栽和小苗栽当归，产量差异更加显著。蔺海明等[21]和刘新慧等[22]认为一般将种苗根直径控制在0.3～0.5 cm, 百苗质量控制在40～70 g其生产效率最高。而王兴政等[15]认为小苗栽(苗质量<0.3 g，芦头粗<0.28 cm)当归生活力弱, 产量低, 在实际生产中中苗栽当归最适宜农业生产；这可能由于本试验当归种苗来源与王兴政试验所用种苗来源不一致，本试验所用当归种苗来源于2016年航天诱变所育SP2代种子所育种苗，航天诱变增强了同等级当归苗栽成药期植株对环境的适应性，因此在农业生产中选择当归苗栽时要综合种苗大小及活性等因素。

3.3 合理选择当归种苗可有效提高苗栽当归药用成分含量

当归主要有效成分为挥发油、阿魏酸、鞣质及多糖等[23-24]，阿魏酸和挥发油的含量是衡量当归内在品质的重要指标[3], 挥发油中藁本内酯的相对含量是当归内在品质的一个标志性成分[25]。本研究得出，不同苗栽当归藁本内酯及阿魏酸含量均达到2020年版《中国药典》规定的限度。但不同苗栽当归的品质与含量具有显著性差异 (P<0.05)，大苗栽当归总灰分(7.13%)和酸不溶性灰分(2.06%)超过药典规定(2020版， <7.0%，<2.0%)，小苗栽和中苗栽当归总灰分和酸不溶性灰分都显著小于大苗栽，且都符合药典规定(P<0.01)；浸出物含量都符合药典规定(≥45%)，但各苗栽当归差异显著(P<0.01)，小苗栽当归浸出物含量最高(51.13%)，大苗栽和中苗栽浸出物含量较低，差异不显著(P>0.05)；大苗栽当归阿魏酸和藁本内酯含量最低，小苗栽当归阿魏酸(0.133%)和藁本内酯(1.409%)含量最高，中苗栽次之，当归种苗大小与当归成药阿魏酸和藁本内酯含量呈负相关，这是因为小苗栽当归生长发育速度缓慢，成药有效物质积累多，而大苗栽当归则在前期生长发育速度快，早期抽薹率高，当归从营养生长向生殖生长再到花形态建成, 需要营养物质的积累[17]，因此根部营养物质积累少，有效成分含量低。杜弢等[26]也研究得出小苗栽当归成药阿魏酸含量最高(0.076 2%)，但其认为各等级苗栽当归成药株间的含量没有相关性，药材中阿魏酸的含量与种苗等级没有线性关系，因为大苗栽当归阿魏酸含量为0.073 6%，中苗栽当归为0.063 0%。发生此差异的原因可能是取样测定时的误差造成或者种苗来源和分级标准不一致所致。本试验所用种苗来源于航天诱变育种SP2代种子所育种苗，因此其阿魏酸和藁本内酯含量远远超过药典标准，并且各级苗栽当归阿魏酸含量都大于杜弢等[26]测定的当归阿魏酸的含量，小苗栽当归更是其测定的2倍之多。这也表明航天诱变可以创造出较为优异的当归群体，在诱变育种中合理选择当归种苗可有效提高苗栽当归药用成分含量，为选择早期抽薹率低、抗逆性强、成药率高的优良当归新品种奠定良好的基础。

4 结 论

本研究中，大苗栽当归成药株表现出良好的生长发育态势，抗逆性强及膜脂过氧化程度低，但早期抽薹率高，成药率低。小苗栽当归成药株地上部前期生长发育缓慢，但地下根性状较好，单根鲜质量大，抽薹率低，单位面积产量高，中苗栽当归除了在生长后期生长势具有优势外，产量处于中间水平。综合来看，生产中选用小苗栽或中苗栽都能够降低当归苗栽成药株早期抽薹率，提高生产效率，但在本试验中，小苗栽当归成药株表现出优良的物候特征和成药特性，将是新品种选育的宝贵种质资源，可为当归航天诱变新品种选育奠定良好的基础以选择群体。

致谢:甘肃省定西市岷县郎银忠、李雪芳和贾哈柱提供试验地和种苗贮藏条件并协助田间管理；陇西县巩昌镇园艺村郭志军、郭天明、郭太平、郭爱伟和郭爱峰提供种子贮藏条件并协助田间管理及取样；甘肃农业大学硕士生葛鑫、陈永中、刘兰兰、周洋参与当归移栽及指标测定。在此一并表示感谢。