咸水滴灌对肉苁蓉寄生体系盐离子分配及品质的影响

2022-06-08罗剑洪李丙文徐新文范敬龙马志国

干旱区研究 2022年3期

刘玲，罗剑洪，李丙文，徐新文，范敬龙，马志国

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐 830011；2.中国科学院大学，北京 101408；3.新疆生产建设兵团第二师34团农业技术发展中心，新疆尉犁 841506；4.暨南大学药学院，广东广州 510632）

肉苁蓉（Cistanche deserticolaMa）为列当科（Orobanchaceae）多年生根寄生草本植物，主要分布于我国西北干旱区，是传统名贵中药材［1］。伴随着肉苁蓉市场需求量的不断上升，野生资源濒临枯竭［2］，人工种植肉苁蓉已经成为市场的主要来源。当前，干旱区生态用水与农业用水矛盾十分突出［3］，开发利用地下咸水资源发展肉苁蓉产业日益普遍［4］。然而，较高矿化度的咸水灌溉会对植物产生离子毒害，抑制作物生长，致使作物减产，甚至死亡［5-8］。梭梭作为肉苁蓉的寄主，是典型的真盐生植物，其耐盐能力较强［9］，有学者研究发现，梭梭在50 g·L-1矿化度咸水灌溉时还可以继续生长［10］，在28 g·L-1咸水灌溉时不仅能够正常生长，还可以接种肉苁蓉［4］。而肉苁蓉作为全寄生植物，所需的营养成分全部来源于寄主，通过吸器将两者紧密相连，肉苁蓉可以被看作寄主梭梭的一个器官，两者之间通过源库关系构成统一整体，形成梭梭-肉苁蓉寄生体系，进行着物质与信息的交流［11-13］。有关梭梭耐盐性的研究很多［9-10,14］，但从两者共同构成的体系出发，针对梭梭-肉苁蓉寄生体系的研究较少，尤其是在高矿化度咸水灌溉条件下，高盐环境对肉苁蓉体内盐分含量及药用品质的影响尚不清楚。本文在目前肉苁蓉主要种植地的新疆南部地区，对不同矿化度咸水滴灌种植肉苁蓉的梭梭-肉苁蓉寄生体系盐分离子和肉苁蓉主要药用成分进行实验分析和研究，并针对上述问题展开探讨，其结果对开发利用咸水资源发展肉苁蓉种植产业具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 采样区概况

采样地在新疆生产建设兵团第二师34团（面积65 hm2）、第一师阿拉尔（面积4 hm2）以及和田策勒县（面积15 hm2）3 个肉苁蓉种植基地，均位于塔克拉玛干沙漠边缘，属暖温带极端干旱的大陆气候，降水稀少、蒸发潜力大、日照时间长、风沙活动强烈［15-16］，年均降雨量一般低于50 mm，蒸发量超过3000 mm。34 团肉苁蓉种植基地土壤为沙壤土，阿拉尔和策勒为流动风沙土。此外，34团和策勒梭梭林为2016年种植，阿拉尔为2017年种植，均采取行间配置模式，株行距1 m×3 m，滴灌灌溉，所有种植地均未施肥。

采样点灌溉模式如下，34 团I 区（Ⅰ34）：采用45.08 g·L-1的高矿化度地下井水灌溉；34 团Ⅱ区（Ⅱ34）：交替灌溉模式，3—6月采用井水和渠道淡水混合灌溉（矿化度12.3 g·L-1)，7—11月采用45.08 g·L-1井水灌溉；阿拉尔区（Alar）：采用13.92 g·L-1的地下咸水灌溉；策勒区（Cele）：采用1.73 g·L-1的地下淡水灌溉。各采样区灌溉制度一致，灌水定额为42 kg·株-1·次-1，全年灌水8—9次，其中6—8月灌水周期为20 d 左右，4 月、5 月、9 月和11 月各灌水1 次。灌溉水盐分离子含量见表1。

表1 灌溉水盐分离子组成Tab.1 Filing ion compostion

1.2 样品采集与方法

土壤样品采集时间在2019 年10 月上旬植物生长季末期，在各样地内随机选取采样点（滴头处）采集植物根际土样，采样深度在接种层40～45 cm 处。采用残渣烘干法测定土壤可溶性总盐，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-和采用离子色谱法测定，和测定采用电位滴定法。土壤可溶性盐分离子含量见表2。

表2 各样点40～45 cm深度土壤可溶性盐分离子含量Tab.2 Soil soluble salt ions contents in 40-45 cm soil layer

梭梭样品采集时间为2019 年10 月上旬，在34团种植地Ⅰ34和Ⅱ34各选取一株接种肉苁蓉的梭梭，每个植株分4个部分进行样品采集分析，即主根、细根（直径小于2 mm）、主茎和同化枝（植株中部），样品烘干后采用离子色谱法测定Cl-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+和，残渣烘干法测定总盐。

肉苁蓉样品采集时间在2020 年4 月初，在肉苁蓉出土期对肉苁蓉进行样本采集，均为前1 a接种的一年生肉苁蓉。每个样地内随机选取3株拱土期未露头的肉苁蓉植株，阴干后将整株全部打碎成粉末，混合均匀，盐离子含量测定方法同梭梭。主要药用成分苯乙醇苷类中的松果菊苷、毛蕊花糖苷、肉苁蓉苷A 和2′乙酰基毛蕊花糖苷的含量使用Thermo Ultimate 3000液相色谱仪进行测定。

1.3 数据处理

采用SPSS 26 进行单因素方差分析，邓肯氏新复极差法进行多重比较，当P＜0.05时，差异性被认为具有统计学意义，Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 寄生体系盐离子含量的分布

34团种植地Ⅰ34和Ⅱ34梭梭-肉苁蓉寄生体系不同器官盐离子分布如图1所示。主要有以下3个显著特征：（1）Ⅰ34寄主梭梭体内各器官总盐、Na+、K+、Cl-、Mg2+和SO24-含量均表现为：同化枝＞主根＞细根＞主茎，而Ca2+则不同，细根含量最高，主茎最低。相比较而言，同化枝总盐分别是主根和细根的2.6 倍和3.2倍，主茎仅为同化枝的1/9，主根与细根两者之间差异不大，可见梭梭同化枝中聚集了植物体的大部分盐分。（2）与Ⅰ34相比，Ⅱ34梭梭体内各器官总盐、Na+、K+、Mg2+和SO24-含量分配与Ⅰ34基本一致，只有Cl-和Ca2+含量略有不同。此外，Ⅰ34和Ⅱ34相比，Ⅰ34同化枝、主根、细根和主茎中总盐含量较Ⅱ34分别高出0.003 mg·g-1、20.9 mg·g-1、26.8 mg·g-1和3.1 mg·g-1；就单盐离子而言，细根中各盐分离子含量均表现为Ⅰ34高于Ⅱ34，其他器官中Na+、Cl-和Mg2+含量Ⅰ34均高于Ⅱ34，只有K+和Ca2+含量相反，Ⅰ34较Ⅱ34分别低17.0 mg·g-1和1.5 mg·g-1。（3）对于寄生体肉苁蓉，Ⅰ34体内总盐含量和寄主细根相近，Cl-和K+含量与寄主同化枝相近，并远高于细根，分别是细根的2.1倍和2.4倍，Na+含量分配规律与总盐规律相似，Mg2+、SO24-和Ca2+含量均低于细根，与主茎盐离子含量相近。与Ⅰ34相比，Ⅱ34肉苁蓉盐离子含量分配规律与Ⅰ34基本一致，肉苁蓉体内总盐含量与寄主主根相近，并高于细根中的盐含量。

图1 梭梭不同器官和肉苁蓉体内盐分离子含量Fig.1 Salt ion content in different organs of H.ammodendron and C.deserticola

由表3可知，2个采样点内K+/Na+的值则以梭梭主茎和肉苁蓉体内相对较高，且都超过了1.5，根系居中，同化枝为最低。Ⅰ34梭梭细根和主根分别是肉苁蓉的31.8%和37.2%、Ⅱ34分别为肉苁蓉的15.6%和33.2%，Ⅰ34和Ⅱ34同化枝中K+/Na+值仅为肉苁蓉的16.7%和26.5%。

表3 梭梭不同器官和肉苁蓉体内K+/Na+比Tab.3 K+/Na+ratio in different organs of H.ammodendron and C.deserticola

2.2 各采样地肉苁蓉盐离子含量

从图2 可知，2 种土壤条件下，肉苁蓉体内总盐含量均随灌水矿化度、土壤总盐的增加而增加，相同土壤类型下的肉苁蓉盐离子含量存在显著性差异，Ⅰ34总盐含量比Ⅱ34高17.92%，Alar 比Cele 高43.45%。就单盐离子而言，各种植地内肉苁蓉盐离子含量均为：K+＞Cl-＞Na+＞Ca2+＞SO42-，K+、Cl-和Na+这3 类盐离子含量占比高达84%～88%。其中Cl-、Na+和含量显示出，随灌溉水矿化度和土壤盐分水平的升高而升高的趋势，Ⅰ34较Ⅱ34分别高出27.8%、28.0%和118.2%，Alar 分别是Cele 的2.02 倍、1.67 倍和4.39倍，而K+含量在各采样点之间并没有表现出显著性差异。

图2 肉苁蓉体内总盐与盐分离子含量Fig.2 The content of total salt and salt ions in C.deserticola

由图3可知，与盐分离子含量的变化趋势相反，K+/Na+值随土壤盐分含量的增加而降低，且相同土壤类型下接种的肉苁蓉K+/Na+值存在显著差异。沙壤土中土壤盐分较高的Ⅰ34采样地K+/Na+值反而较低，而以盐分含量较低的Ⅱ34采样点的K+/Na+值较高，后者是前者的1.26 倍；流动风沙土中肉苁蓉K+/Na+的值同样表现为Cele 高于Alar，为Alar 的1.76倍。

图3 不同采样点的肉苁蓉K+/Na+比Fig.3 K+/Na+ratio in different sampling points

2.3 各样地肉苁蓉生化有效物质含量

由图4可知，肉苁蓉体内苯乙醇苷类总含量（总苷）随灌溉水矿化度、土壤总盐含量的增加而增加。沙壤土Ⅰ34接种的肉苁蓉总苷含量是Ⅱ34的2.0倍，总苷的4 种组成成分中，毛蕊花糖苷、2′乙酰基毛蕊花糖苷和松果菊苷含量与总苷具有相似的变化规律，均为随灌溉水矿化度和土壤总盐含量的升高而升高，但肉苁蓉苷A 无显著差异。流动风沙土中接种的肉苁蓉总苷以及4种苷类化合物均与上述结果一致，Alar 总苷含量是Cele 的22.47 倍，并且其他4 种苷类化合物远高于淡水滴灌的Cele，毛蕊花糖苷、2′乙酰基毛蕊花糖苷、松果菊苷和肉苁蓉苷A的含量分别是Cele 的23.72 倍、28.64 倍、17.42 倍和4.85倍。

图4 肉苁蓉苯乙醇苷类含量Fig.4 Contents of phenylethanoid glycosides in C.deserticola

3 讨论

3.1 咸水滴灌对寄生体系盐离子分布的影响

咸水滴灌会引起土壤含盐量增加，随着灌溉水矿化度的升高，土壤含盐量也呈现上升趋势［17］。盐分胁迫会对植物生长带来不利影响，反之，植物在长期对环境的适应过程中，也产生了对盐分胁迫的忍耐机制。真盐生植物进化出了独特的保护机制，如稀盐盐生植物，能将盐分区隔化到细胞的液泡中或储存器官中，以避免盐离子对生长器官的危害［18-19］。笔者的研究显示，在寄主梭梭各器官中，盐离子含量在同化枝、主根、细根和主茎中依次降低，这与崔旭盛等［20］对梭梭不同器官中K 和Na 含量的分布结果是一致的。同化枝中盐分含量最高，这是由于梭梭肉质化的同化枝富含发达的液泡，因而梭梭能有效的将Na+区隔化在液泡中以保持细胞的渗透势［21-22］；根系是梭梭吸收营养元素和矿物质成分的主要器官，其中盐分含量较低，总盐含量仅为同化枝的1/4，表明梭梭对根系生理功能具有一定的保护作用；茎是输导组织，而非储存器官，这就是茎中盐分积累少、含量最低的主要原因［23］。由此可知，这可能是梭梭在高盐环境中生长的优势所在，与前人研究结果相似［24］。本研究结果进一步显示，在梭梭-肉苁蓉寄生体系中，肉苁蓉体内盐分离子含量（包括总盐、Na+和Cl-）与梭梭根系的含量相当，并远低于同化枝，这说明进入肉苁蓉体内的盐分含量并不高，其机制还需要进一步研究。

通常使用K+/Na+值作为衡量植物耐盐能力的标准之一，适量的Na+可以有效促进旱生植物梭梭的生长和抗旱性，当Na+的施用量超过0.6 mg·g-1会对梭梭起到抑制作用［25］。而本研究中灌溉水中Na+含量分别高达14.0 mg·g-1和3.8 mg·g-1，均高于该阈值，Ⅰ34梭梭不同器官总盐和Na+含量均高于Ⅱ34，而同化枝中K+含量则相反，这可能是由于梭梭通过积累大量的Na+并将其区隔化至液泡中来适应环境胁迫，而不是K+［26］，有研究已表明，Na+是梭梭适应干旱环境的重要调节物质［27］。在寄生体系内，梭梭细根中K+含量以及K+/Na+值都维持在较高水平，而肉苁蓉体内K+含量和K+/Na+值均高于细根的对应值，这说明肉苁蓉在体内富集大量K+，而限制Na+的进入，这与崔旭盛等［28］在肉苁蓉生殖生长阶段的研究结果一致，表明肉苁蓉能通过对离子的选择性吸收而形成自我保护，以抵抗高盐胁迫。

3.2 咸水滴灌对肉苁蓉体内盐分含量的影响

梭梭根系是肉苁蓉与寄主的连结点，并通过库源关系构成统一整体，梭梭作为“源”不断向肉苁蓉“库”中转移生长所需的物质成分，因而寄主的生理状态对肉苁蓉的生长发育有直接影响［29］，本研究结果显示，灌水矿化度较高的采样地梭梭根系中的盐分含量较高，肉苁蓉体内总盐、Na+和Cl-含量也随之增加，表明肉苁蓉随寄主生长环境的变化而变化。

与总盐、Na+和Cl-含量的变化趋势不同，肉苁蓉体内K+含量在采样点之间并没有显著差异，即并未随土壤盐离子含量的升高而变化。有研究表明，不同产地的管花肉苁蓉、不同花色肉苁蓉种质以及不同生育阶段的肉苁蓉对K+都具有较强的吸收能力［28，30-31］，肉苁蓉对K+具有显著的富集作用，本研究支持这个结论。

3.3 咸水滴灌对肉苁蓉主要药用有效成分的影响

肉苁蓉作为名贵中药，含苯乙醇苷类、环烯醚萜类、木质素类和多糖等多种有效成分［32］，而苯乙醇苷类含量是肉苁蓉质量评价的主要标准之一［33-34］。这些苷类、萜类物质是植物的次生代谢物质，是植物长期适应环境胁迫的产物［35］。干旱胁迫对管花肉苁蓉悬浮细胞中松果菊苷和毛蕊花糖苷的积累有明显促进作用［36］，本研究结果与之相似，随着灌溉水矿化度和土壤盐分含量的升高，不同土壤立地类型接种的肉苁蓉体内苯乙醇苷类物质显著增加。显然，盐分胁迫会促进肉苁蓉次生代谢物质的产生，有利于肉苁蓉有效药用成分的积累。

在长期的高盐胁迫下，寄主梭梭的生长会受到抑制，因此，在开发利用咸水资源种植肉苁蓉的生产实践过程中，如何既确保寄主正常生长和生物量的有效积累，又能尽可能提高接种肉苁蓉的品质，需要控制好两者之间的平衡，确定适宜的咸水灌溉阈值，制定合理的灌溉制度是关键所在。