干旱胁迫下海藻活性物质对蒙古黄芪光合作用、生长及品质的影响

2024-04-17刘杰郭嘉华赵鹏王永龙范菠菠耿志刚段天凤

核农学报 2024年5期

刘杰郭嘉华赵鹏王永龙范菠菠耿志刚段天凤，*

（1包头师范学院，内蒙古包头 014030；2内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特 010019；3农业农村部海藻类肥料重点实验室，山东青岛 266400）

干旱作为一种常见且高发的农业气象灾害，长期困扰着我国的农业生产，尤其是干旱半干旱地区，对作物的危害甚至超过了其他逆境因子的总和［1］。干旱胁迫对植物众多的生理代谢过程有着抑制和破坏作用，如干旱胁迫下玉米叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和电子传递速率均显著下降［2］；燕麦叶片的超氧阴离子、羟自由基、过氧化氢、丙二醛含量显著提高［3］；地黄的株高、生根数、根长、鲜质量均降低［4］；油菜叶片的吲哚乙酸、细胞分裂素和油菜素内酯含量显著降低，脱落酸含量显著增加［5］；北苍术的苍术素、苍术酮、白术内酯Ⅱ等次生代谢产物大量合成［6］。

黄芪作为我国重要的大宗药材，主要的基源植物之一是蒙古黄芪［Astragalusmembranaceusvar.mongholicus（Bunge） P.K.Hsiao］，具有补气升阳等作用［7］。现代药理研究发现黄芪含有黄芪甲苷等三萜皂苷类和毛蕊异黄酮葡萄糖苷等黄酮类次生代谢产物［8］，具有抗病毒［9］、抗氧化［10］和抗衰老［11］等功效。内蒙古包头市固阳县为蒙古黄芪的道地产区，年产量已超过全国总产量的十分之一［12］，但道地产区处于干旱地区农牧交错带，水分对药用植物的干物质积累量和次生代谢产物形成均有重要影响［13］。蒙古黄芪的植株较为矮小，具有花期相对较早、抗逆性较强、形态品质较好等特点［12］。

海藻活性物质，包括海藻酸、岩藻多糖、褐藻多酚等，是海藻肥的核心物质［14］，富含多种矿物质元素及植物内源激素等［15］。目前海藻活性物质的生物活性和应用功效正在被广泛研究、开发、应用［16］，在种子引发、叶面施肥、促进作物生长发育等农业生产领域中的各个环节均有着优良的应用功效［17］。而海藻酸（C6H8O6）n作为海藻活性物质中的主要功效物质，广泛存在于褐藻植物的细胞间质和细胞壁中，具有强化细胞壁的作用，也是植物的重要供能物质，在抵抗干旱等非生物胁迫方面具有明显作用，如海藻酸可缓解干旱胁迫对菜心［18］和甘蔗［19］造成的伤害。尽管海藻活性物质在植物抗逆方面的应用已有一些研究报道，但其在干旱胁迫条件下对蒙古黄芪生长和品质的生理调控尚不清楚。因此，本研究以蒙古黄芪种苗为试验材料，通过分析海藻活性物质对干旱胁迫下蒙古黄芪光合作用、抗逆能力、形态特性、内源激素以及药效成分含量的影响，旨在进一步明确海藻活性物质提高蒙古黄芪抗旱性的作用机制，为道地产区蒙古黄芪的抗旱栽培提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

一级蒙古黄芪［Astragalusmembranaceusvar.mongholicus（Bunge） P.K.Hsiao］种苗（平均根长≥40 cm、平均根粗≥8 mm、平均百苗重510 g），购于内蒙古包头市固阳县。育苗基质（有机质≥35%、N+P2O5+K2O≥2.5%、pH值6.8、导电率0.8 mS·cm-1）。盆栽盒（长50 cm、宽30 cm、高20 cm）。海藻活性物质（bioactive seaweed substances，BSS）（原料：野生泡叶藻；提取方法：酶解法；商品名称：蓝能量海藻精；登记证号：农肥（2015）准字4482号；生产单位：青岛明月蓝海生物科技有限公司；研发单位：农业农村部海藻类肥料重点实验室；主要指标：pH值8.0～10.0、有机质≥45%、海藻酸≥18%、K2O≥12%、水分≤5%、水不溶物≤2%）。

1.2 试验设计

选取10株一级蒙古黄芪种苗平栽于盛有育苗基质的盆栽盒中，蒙古黄芪种苗返青后每个盆栽盒中保留8株。采用两因素裂区设计，主区设正常水分（W0）、中度干旱胁迫（W1）和重度干旱胁迫（W2） 3个处理，田间持水量分别为75%～80%、60%～65%和45%～50%，每隔2 d利用称重法进行补水，田间持水量采用环刀法测定；副区设置叶面喷施清水（B0）、中等浓度（B1，3 g·L-1）和高等浓度（B2，6 g·L-1）海藻活性物质3个处理，共9个处理，每个处理重复3次。其中，清水和海藻活性物质于蒙古黄芪返青7 d后开始叶面喷施，每隔7 d喷施一次，每次150 mL，共3次，最后一次喷施后7 d随机选取样株进行指标的测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片光合作用指标于晴天的上午10∶00—12∶00，使用SPAD-502叶绿素测定仪（日本美能达公司）和Handy PEA植物效率分析仪（英国Hansatech公司）分别测定叶绿素相对含量（soil and plant analyzer develotrnent，SPAD）和叶绿素荧光参数最大光化学量子产量（maximum photochemical quantum yield，Fv/Fm）；使用CIRAS-3便携式光合仪（美国汉莎公司）测定叶片水分利用率（water utilization efficiency，WUE）、胞间CO2浓度（intercellular CO2concentration，Ci）、气孔导度（stomatal conductivity，Gs）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）、净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）等光合气体交换参数。

1.3.2 叶片抗逆能力指标摘下叶片后放入液氮速冻，并在-80 ℃冰箱保存，参考《植物生理学实验指导》［20］测定叶片的渗透调节物质，即可溶性糖（soluble sugar，SS）、可溶性蛋白（soluble protein，SP）、脯氨酸（proline，Pro）含量以及抗氧化酶过氧化氢酶（catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）活性。

1.3.3 根系形态特征指标及干物质积累量用预冷的蒸馏水清洗干净从盆栽盒中取出的根系后，使用卷尺测定根长（root length，RL）；使用电子游标卡尺测定距芦头1 cm处的根粗（root diameter，RD）；使用Expression 1100XL扫描仪（中国爱普生公司）和WinRHIZO Pro 2007根系分析软件测定根体积（root volume，RV）和根表面积（root superficial area，RSA）；于80 ℃烘干至恒重后使用电子天平测定根系干物质积累量（root dry matter accumulate，RDMA）。

1.3.4 根系内源激素指标用预冷的蒸馏水清洗干净从盆栽盒中取出的根系后，采用植物激素酶联免疫分析ELISA试剂盒（上海茁彩生物科技有限公司）测定内源激素生长素（auxin，IAA）、赤霉素（gibberellin，GA）、细胞分裂素（cytokinin，CTK）、脱落酸（abscisic acid，ABA）、油菜素内酯（brassinolide，BR）含量。

1.3.5 根系药效成分指标用预冷的蒸馏水清洗干净从盆栽盒中取出的根系后，参考《中华人民共和国药典 2020年版一部》［7］的方法测定药效成分毛蕊异黄酮葡萄糖苷（calycosin-7-glucoside，C7G）、黄芪甲苷（astragaloside，AS）含量。

1.4 数据处理

使用SPSS 24.0软件进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪叶片光合作用的影响

由表1可知，与W0处理相比，W1和W2处理蒙古黄芪叶片Ci上升了10.4%～31.2%，而Fv/Fm、SPAD、WUE、Gs、Tr、Pn分别下降了6.258%～15.621%、8.3%～22.6%、20.31%～22.22%、5.651%、5.47%～13.26%、26.95%～38.30%，说明干旱胁迫减弱了蒙古黄芪叶片的光合作用，以重度干旱胁迫下蒙古黄芪叶片光合作用的减弱最为明显。

表1 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪叶片光合作用的影响Table 1 Effect of BSS on photosynthesis of Mongolian milkvetch leaves under drought stress

与B0相比，W0条件下，B1处理显著降低了蒙古黄芪叶片Ci并显著提高了除SPAD和Gs外的其余光合作用指标，而B2处理仅显著提高了WUE和Pn；W1条件下，B1处理显著降低了Ci并显著提高了其余光合作用指标，而B2处理则显著降低了Fv/Fm；W2条件下，B1处理显著提高了除WUE和Ci外的其余光合作用指标，而B2处理显著提高了Ci并显著降低了除WUE和Pn外的其余光合作用指标。说明B1处理在不同干旱胁迫程度下均可有效增强蒙古黄芪叶片的光合作用，而B2处理反而减弱了W2条件下蒙古黄芪叶片的光合作用。

2.2 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪叶片抗逆能力的影响

由表2可知，随着干旱胁迫程度的加重，蒙古黄芪叶片CAT活性呈先增高后降低的趋势，与W0处理相比，W1和W2处理SP、SS、Pro含量及POD、SOD活性分别提高了65.96%～78.40%、24.32%～38.16%、20.7%～22.0%、7.7%～13.3%、8.2%～10.5%，说明干旱胁迫造成了蒙古黄芪叶片渗透调节物质含量的增加以及抗氧化酶活性的提高，以中度干旱胁迫下蒙古黄芪叶片的抗逆能力提升最明显。

表2 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪叶片抗逆能力的影响Table 2 Effect of BSS on stress tolerance of Mongolian milkvetch leaves under drought stress

与B0相比，W0条件下，B1和B2处理均显著提高了蒙古黄芪叶片渗透调节物质的含量，但抗氧化酶活性均无显著差异；W1条件下，B1处理显著提高了渗透调节物质含量及CAT和POD活性，而B2处理则显著降低了渗透调节物质含量及CAT和POD活性；W2条件下，B1处理对抗逆能力的影响与W1条件下相一致，而B2处理则显著降低了渗透调节物质含量及POD活性。说明B1处理在不同干旱胁迫程度下均可有效提高蒙古黄芪叶片的抗逆能力，而B2处理则降低了W1和W2条件下蒙古黄芪叶片的抗逆能力。

2.3 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪根系形态特征及干物质积累量的影响

由表3可知，相较于W0处理，W1和W2处理蒙古黄芪的RSA增加了16.7%～17.9%，而RL、RD、RV、RDMA则分别降低了5.7%～8.0%、5.0%～16.5%、8.2%～25.0%、6.5%～28.9%。说明干旱胁迫抑制了根系的生长发育以及干物质量的积累，以重度干旱胁迫下的抑制效果最明显。

表3 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪根系形态特征及干物质积累量的影响Table 3 Effect of BSS on morphological characteristics and dry matter accumulation of Mongolian milkvetch roots under drought stress

与B0相比，W0条件下，B1处理显著提高了蒙古黄芪的RL、RD和RDMA，而B2处理仅显著提高了RD；W1条件下，B1处理根系形态特征及干物质积累量的变化与W0条件下相一致，而B2处理则无显著差异；W2条件下，B1和B2处理各指标间均无显著差异。说明B1处理可有效促进W0和W1条件下蒙古黄芪根系的生长发育和干物质量的积累。

2.4 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪根系内源激素含量的影响

由表4可知，相较于W0处理，W1和W2处理蒙古黄芪根系的ABA含量增加了10%～12%，而IAA、GA、CTK、BR含量则分别降低了15.3%～28.4%、6%～24%、9%～23%、6.6%～20.3%。说明干旱胁迫抑制了根系内源激素的积累，以重度干旱胁迫下的抑制效果最为明显。

表4 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪根系内源激素含量的影响Table 4 Effect of BSS on endogenous hormones content of Mongolian milkvetch roots under drought stress

与B0相比，W0条件下，B1处理显著提高了蒙古黄芪根系IAA、GA和BR的含量，而B2处理仅显著提高了BR含量；W1条件下，B1处理显著提高了IAA、GA、CTK和BR含量，而B2处理仅显著提高了BR含量；W2条件下，B1处理根系内源激素含量的变化与W1条件下相一致，而B2处理无显著差异。说明B1处理在不同干旱胁迫程度条件下均可有效促进蒙古黄芪根系内源激素含量的增加。

2.5 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪根系药效成分含量的影响

由图1可知，随着干旱胁迫程度的加重，蒙古黄芪根系药效成分含量均呈现先增高后降低的趋势，以W1B1处理的药效成分含量最高，C7G、AS的含量分别为0.067%、0.146%。说明适度的干旱胁迫有利于药效成分含量的增加。

图1 BSS对干旱胁迫下蒙古黄芪根系药效成分含量的影响Fig.1 Effect of BSS on medicinal composition content of Mongolian milkvetch roots under drought stress

与B0相比，W0条件下，B1处理显著提高了蒙古黄芪根系C7G、AS的含量，而B2处理仅显著提高了AS含量；W1条件下，B1处理药效成分含量的变化与W0条件下相一致，而B2处理药效成分含量无显著差异；W2条件下，B1处理显著提高了AS含量，而B2处理则显著降低了AS含量。说明B1处理在不同干旱胁迫程度条件下均可有效促进蒙古黄芪药效成分含量的增加，而B2处理在W2条件下甚至降低了药效成分含量。

2.6 干物质积累量和药效成分含量与测定指标间的相关性

以根系的干物质积累量作为蒙古黄芪产量的主要构成因子，以药效成分含量作为品质的主要构成因子，与测定指标进行Pearson相关性分析。结果表明（表5），蒙古黄芪根系的两种药效成分含量均与Gs和CAT活性呈极显著的高度正相关，说明叶片光合作用和抗氧化酶活性的提高有利于品质的提升。根系干物质积累量与Ci呈极显著的高度负相关，与Fv/Fm、SPAD、Gs、Tr、Pn、RL、RD、RV、IAA、GA、CTK、BR含量呈极显著的高度正相关，说明叶片光合作用、根系生长和内源激素含量的提高有利于产量的提升。

表5 干物质积累量和药效成分与测定指标的Pearson相关性系数Table 5 Pearson correlation coefficient of dry matter accumulation and medicinal composition with measurement indicators

3 讨论

3.1 干旱胁迫对蒙古黄芪生长及品质的影响

干旱胁迫是影响蒙古黄芪生长和品质的主要非生物胁迫之一。本研究表明，蒙古黄芪在干旱胁迫下的光合作用明显减弱，表现在Fv/Fm、SPAD、WUE、Gs、Tr、Pn的降低；抗逆能力明显提高，表现在SP、SS、Pro含量和POD、SOD活性的提高；根系的生长受到制约，表现在RL、RD、RV、RDMA的减小；根系内源激素的分泌受到抑制，表现在IAA、GA、CTK、BR含量的显著降低与ABA含量的显著提高，这分别与前人在玉米［2］、燕麦［3］、地黄［4］、油菜［5］上的研究有相似之处。随着干旱胁迫程度的加重，根系药效成分的含量均呈现先升高后降低的趋势，说明适度的干旱胁迫增加了药效成分的含量，这也与适度的环境胁迫能增加药用植物次生代谢产物含量即“逆境出品质”的研究结论［21-22］相符，而重度干旱胁迫可能抑制了蒙古黄芪次生代谢途径，进而导致药效成分含量下降［23］。

3.2 互作效应对蒙古黄芪生长及品质的影响

崔丹丹等［18］研究表明，干旱胁迫下海藻肥中的海藻酸可以显著提高菜心的株高、最大叶长、叶绿素含量和抗氧化酶活性，并显著降低菜心叶片中自由基的含量；陈迪文等［19］的研究也表明，干旱胁迫下海藻提取物中的海藻酸可以增加甘蔗的植株鲜重、叶片超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性，提高甘蔗的抗旱系数。本研究表明，不同干旱胁迫程度条件下，中等浓度的海藻活性物质促进了蒙古黄芪叶片光合作用和根系的生长，提高了植株抗逆能力及根系内源激素和药效成分的含量，原因可能是海藻活性物质在叶面喷施时更易通过茎叶表面细胞膜进入蒙古黄芪细胞，从而激活蒙古黄芪生长发育的调控途径，包括一氧化氮介导、脱落酸信号转导、生长素诱导等途径，进而增强其抵抗干旱胁迫和次生代谢的能力［24］。而在重度干旱胁迫程度条件下，高等浓度的海藻活性物质反而抑制了蒙古黄芪的生长和药效成分含量的积累，原因可能是高等浓度的海藻活性物质引起了蒙古黄芪叶片的翻卷，从而降低了其抵抗重度干旱胁迫的能力。

蒙古黄芪产质量主要构成因子与测定指标的相关性分析表明，叶片光合作用和抗氧化酶活性的提高有利于根系药效成分含量的提升，叶片光合作用、根系的生长和内源激素含量的提高有利于根系干物质积累量的提升，其中光合作用的增强对蒙古黄芪产质量的提高均有着重要影响。魏廷邦等［25］的研究也表明，黄芪产量与各项光合指标、生物指标、叶绿素含量、质量指标均呈现显著或极显著正相关关系。原因可能是光合作用制造的有机物直接在根系中进行了积累，促进了产量的提高，蒙古黄芪的药效成分主要为次生代谢产物，而次生代谢产物的合成主要是以初生代谢产物为原料，光合作用制造的有机物为药效成分的积累提供了原料，这也与前人在香青兰［26］、甘草［27］上的研究有相似之处。

相较产量，药用植物栽培更注重药效成分含量的提高，且更讲究道地性，但在药用植物栽培过程中产量和品质往往不能兼得［28］。本研究W0B1处理的产量最高，W1B1处理的药效成分含量最高，符合上述规律。因此，在蒙古黄芪道地产区的大田抗旱栽培过程中，可以进一步增加海藻活性物质的浓度梯度，以探究最佳施用量范围，使其在保证品质的基础上尽可能提高产量。