噴施硅對(duì)蒙古黃芪抗氧化酶活性以及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

吳之濤，張英英，高正睿，魏廷邦，任寶倉(cāng)*，魏玉杰

(1 甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅武威 733006；2甘肅省特種藥源植物種質(zhì)創(chuàng)新與安全利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅武威 733006；3 武威市祁連山區(qū)道地中藥材生態(tài)栽培技術(shù)創(chuàng)新中心，甘肅武威 733006)

中藥材黃芪為豆科植物蒙古黃芪(Astragalusmembranaceusvar.mongholicus)或膜莢黃芪(Astragalusmembranaceus)的干燥根，性溫、味甘，具有補(bǔ)氣升陽(yáng)、利尿消腫、托毒生肌的功效[1]，在臨床上應(yīng)用廣泛，素有“十藥八芪”之稱。目前，野生黃芪種質(zhì)資源日漸稀少，已被列為國(guó)家三級(jí)保護(hù)植物，生產(chǎn)中黃芪藥材主要以人工栽培為主[2]。膜莢黃芪在栽培過程中根部形態(tài)變異較大，易產(chǎn)生“雞爪根”，商品性較差，嚴(yán)重影響藥材產(chǎn)量和品質(zhì)，大多數(shù)產(chǎn)區(qū)主要以蒙古黃芪為栽培品種[3]。黃芪作為甘肅省的道地藥材，隨著納入藥食同源管理，市場(chǎng)消費(fèi)需求逐年增大，受耕地面積的限制，黃芪連作種植后導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡，有害病原菌不斷積累，病害發(fā)生日趨加重，嚴(yán)重影響黃芪產(chǎn)量和品質(zhì)，已成為制約該產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素之一[4]。

硅是地殼中第二大元素，雖然該元素不是植物生長(zhǎng)必需的礦質(zhì)元素，但大量研究表明，硅可以增強(qiáng)植物的抗逆耐脅迫能力[5]，促進(jìn)植物生長(zhǎng)并提高產(chǎn)量[6]。目前關(guān)于硅的抗性機(jī)制研究，主要集中在物理屏障假說和誘導(dǎo)抗性假說兩個(gè)方面。一部分研究表明，植物施硅處理后能在表皮組織形成硅化細(xì)胞，組織硅質(zhì)化后形成機(jī)械屏障以阻礙病原的入侵[7]。另一部分研究表明，植物與病原菌互作過程中，施硅處理能提高植物抗氧化酶活性(SOD、CAT、POD和APX等)，有效清除植物體內(nèi)活性氧，從而增強(qiáng)植物的抗病能力[8]。

迄今，前人利用硅防治植物病害已有相關(guān)報(bào)道，其中硅對(duì)水稻白葉枯病、稻瘟病[9-10]、小麥白粉病[11]、葡萄白粉病[12]、黃瓜炭疽病[13]、番茄根腐病[14]等病害均有一定的防治效果，但對(duì)黃芪病害的防治研究卻鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以蒙古黃芪為試驗(yàn)材料，研究了噴施不同濃度硅對(duì)蒙古黃芪生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)、抗氧化酶活性、藥材產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，分析了施硅對(duì)黃芪白粉病、根腐病的防治效果，初步揭示了施硅增強(qiáng)黃芪抗病性、提升品質(zhì)和產(chǎn)量的機(jī)理，為大田生產(chǎn)中蒙古黃芪的高效栽培提供了理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在國(guó)家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系河西綜合試驗(yàn)站試驗(yàn)基地(102°51′0″ E，37° 40′30″ N)，屬北溫帶大陸性干旱氣候，干旱少雨，日照充足，晝夜溫差大。海拔高度1 786 m，年平均降水量158 mm，蒸發(fā)量2 021 mm，年平均氣溫7.7 ℃，無(wú)霜期155 d。試驗(yàn)區(qū)土壤為厚層灌漠土，土壤容重1.63 g·cm-3，耕層土壤堿解氮68.5 mg·kg-1，速效磷48.6 mg·kg-1，速效鉀283.7 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量19.80 g·kg-1，pH值為8.5。試驗(yàn)地前茬作物為黃芪。

1.2 試驗(yàn)材料

供試一年生蒙古黃芪種苗從甘肅省岷縣當(dāng)歸城中藥材交易市場(chǎng)購(gòu)買，種苗平均根長(zhǎng)(32.75±6.12) cm，根粗(5.13±1.06) mm，單根重(3.86±1.93) g；供試硅肥途?？?可溶性Si≥50 g/L)由江門市植保有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置5個(gè)處理，硅噴施濃度依次為500、1 000、2 000和4 000 mg/L，CK為噴施等量清水，每個(gè)處理又分為苗期(5月27)、開花期(7月8日)和根莖伸長(zhǎng)期(9月26日)3個(gè)噴施時(shí)期。于2021年4月7日大田移栽黃芪種苗，采用露頭覆膜栽培方式，行距40 cm，株距15 cm，每個(gè)處理3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2(7.5 m×4 m)，小區(qū)間隔60 cm。各試驗(yàn)小區(qū)除噴施硅以外，氮肥施用尿素(純N約46.6%)，氮肥用量100 kg·hm-2，按基肥∶中期追肥= 2∶1分施，磷肥為過磷酸鈣(P2O5約14%)，純磷施用量150 kg·hm-2，鉀肥為氧化鉀(K2O約25%)，純鉀30 kg·hm-2均作基肥，其他栽培管理措施同大田一致。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 地上部生長(zhǎng)指標(biāo)每個(gè)小區(qū)選擇30株生長(zhǎng)一致的植株掛牌標(biāo)記，黃芪不同生育時(shí)期施硅7 d后測(cè)定黃芪株高、株幅、莖粗和葉綠素含量。株高和株幅用卷尺測(cè)定；莖粗指距離地面1 cm處主莖直徑，采用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺(0～150 mm)測(cè)定；葉綠素含量(SPAD值)用手持式SPAD-502葉綠素儀(日本柯尼卡美能達(dá)株式會(huì)社)進(jìn)行測(cè)定，時(shí)間選擇在早上9:00-10:00。

1.4.2 葉片抗氧化酶活性及丙二醛含量黃芪不同生育時(shí)期施硅3 d后選取生長(zhǎng)部位一致的葉片測(cè)定SOD(超氧化物歧化酶)、POD(過氧化物酶)、CAT(過氧化氫酶)、APX(抗壞血酸過氧化物酶)活性和MDA(丙二醛)含量，選用北京索萊寶有限公司生化試劑盒，根據(jù)說明書要求，使用SP-765型紫外可見分光光度計(jì)(上海光譜儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)定。

1.4.3 白粉病和根腐病防效黃芪營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后期調(diào)查白粉病的發(fā)病情況，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)調(diào)查30株，每株調(diào)查上中下部位各10片葉子，根據(jù)葉片的癥狀特征計(jì)算病情指數(shù)。病情分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下[15]：

0級(jí)：植株葉片無(wú)病斑；

1級(jí)：植株葉片病斑面積占葉面積的1/4；

2級(jí)：植株葉片病斑面積占葉面積的1/4～1/2；

3級(jí)：植株葉片病斑面積占葉面積的1/2～3/4；

4級(jí)：植株葉片病斑面積占葉面積的3/4以上。

2021年10月21日黃芪采挖后調(diào)查根腐病的發(fā)病情況，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)調(diào)查30株，根據(jù)根部的病斑特征計(jì)算病情指數(shù)。病情指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下[16]：

0級(jí)：健康無(wú)病斑；

1級(jí)：根部有1～2個(gè)黑色凹陷病斑；

2級(jí)：根部有3～5個(gè)黑色凹陷病斑；

3級(jí)：根部有6～10個(gè)黑色凹陷病斑，表皮粗糙；

4級(jí)：根部有10個(gè)以上黑色凹陷病斑，部分病斑連片形成網(wǎng)狀縱列。

病情指數(shù)=[∑(病級(jí)代表值×株數(shù))]/(最高病級(jí)代表值×調(diào)查總株數(shù))×100

防治效果=(對(duì)照病情指數(shù)-處理病情指數(shù))/對(duì)照病情指數(shù)×100%

1.4.4 藥材產(chǎn)量及品質(zhì)掛牌標(biāo)記的黃芪植株單獨(dú)采挖(2021年10月21日)，測(cè)定根長(zhǎng)、根粗、側(cè)根數(shù)、單株根鮮重和干重；小區(qū)實(shí)收后計(jì)產(chǎn)，根據(jù)小區(qū)面積折算產(chǎn)量；黃芪品質(zhì)委托甘肅數(shù)字本草檢驗(yàn)中心有限公司檢測(cè)，對(duì)黃芪甲苷含量、灰分和可溶性浸出物進(jìn)行測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2013整理，利用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異性顯著分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度硅處理對(duì)蒙古黃芪生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)的影響

在不同生育時(shí)期噴施不同濃度硅以后，蒙古黃芪株高、莖粗、株幅、葉綠素含量均不同程度地高于同期對(duì)照(表1)。其中，各硅濃度處理蒙古黃芪株高在苗期、開花期、根莖伸長(zhǎng)期均顯著高于對(duì)照，但不同濃度處理間差異不顯著；各生育時(shí)期不同濃度硅處理對(duì)莖粗影響大多不顯著，僅苗期硅濃度為500 mg/L時(shí)、根莖伸長(zhǎng)期硅濃度2 000 mg/L時(shí)顯著高于對(duì)照，增幅分別為23.10%和30.05%。硅濃度為2 000 mg/L時(shí)，株幅在開花期各濃度處理、苗期除2 000 mg/L處理、根莖伸長(zhǎng)期1 000和2 000 mg/L處理均顯著高于對(duì)照，同期各濃度處理間大多無(wú)顯著差異；各生育時(shí)期施硅處理對(duì)植株葉綠素含量與對(duì)照均無(wú)顯著差異?？梢姡诿晒劈S芪生長(zhǎng)前期，低濃度硅處理有助于植株生長(zhǎng)發(fā)育，而在生長(zhǎng)中后期中高濃度硅處理的促生作用較好。

表1 不同濃度硅處理下蒙古黃芪生長(zhǎng)指標(biāo)的變化

表2 不同濃度硅處理對(duì)蒙古黃芪白粉病、根腐病的防治效果

2.2 不同濃度硅處理對(duì)蒙古黃芪抗性氧化酶活性和丙二醛含量的影響

圖1顯示，蒙古黃芪3個(gè)生育時(shí)期施硅處理的SOD、CAT、POD和APX活性均不同程度高于同期對(duì)照，且整體均隨著硅濃度的增加呈先升高后降低趨勢(shì)。其中，蒙古黃芪SOD活性僅在開花期當(dāng)硅濃度為2 000 mg/L時(shí)與對(duì)照差異顯著，增幅達(dá)到56.45%，其他時(shí)期各處理間與對(duì)照差異均不顯著。CAT活性苗期、開花期和根莖伸長(zhǎng)期2 000 mg/L濃度處理顯著高于對(duì)照，增幅分別達(dá)到178.10%、141.85%和200.99%，除根莖伸長(zhǎng)期500、1 000 mg/L濃度處理外，其余時(shí)期其他處理間與對(duì)照均無(wú)顯著差異。POD活性隨生育期推進(jìn)整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，并在開花期、根莖伸長(zhǎng)期2 000 mg/L濃度處理時(shí)顯著高于對(duì)照，增幅分別達(dá)到34.59%和33.20%，除苗期4 000 mg/L濃度處理外，其余時(shí)期其他處理間與對(duì)照差異不顯著。APX活性僅在根莖伸長(zhǎng)期2 000 mg/L處理下顯著高于對(duì)照，增幅為207.74%，其他生育期與對(duì)照差異不顯著。同時(shí)，蒙古黃芪3個(gè)生育時(shí)期施硅處理的MDA含量均低于對(duì)照，且整體隨著硅濃度的增加有逐漸降低的趨勢(shì)，但同期各處理間與對(duì)照間均差異不顯著。可見，蒙古黃芪抗氧化酶活性在各生育期不同濃度施硅處理下大多無(wú)顯著變化，未受到過氧化傷害，但在開花期、根莖伸長(zhǎng)期噴施2 000 mg/L硅多有利于顯著提高。

2.3 不同濃度硅處理對(duì)蒙古黃芪白粉病、根腐病的防治效果及其與抗氧化酶活性間關(guān)系

表2顯示，不同濃度硅處理對(duì)蒙古黃芪白粉病、根腐病均有一定的防治效果。其中，各硅處理對(duì)蒙古黃芪白粉病的病情指數(shù)和防治效果與對(duì)照相比均達(dá)到顯著水平，且當(dāng)硅濃度為2 000 mg/L時(shí)病情指數(shù)最低(28.24)、防效最高(47.05%)，但各硅處理間均無(wú)顯著差異。各硅處理對(duì)蒙古黃芪根腐病的病情指數(shù)和防治效果分別在34.07～42.96、23.19%～39.08%之間，也以2 000 mg/L硅處理病情指數(shù)最低、防效最佳，顯著高于其他處理。

同時(shí)，從表3可以看出，蒙古黃芪白粉病、根腐病病情指數(shù)與CAT、POD、SOD和APX活性呈負(fù)相關(guān)，其中白粉病病情指數(shù)與POD活性、根腐病病情指數(shù)與APX活性的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到顯著水平；而白粉病、根腐病病情指數(shù)均與MDA含量呈顯著正相關(guān)。

2.4 不同濃度硅處理對(duì)蒙古黃芪產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

蒙古黃芪采挖后對(duì)藥材外觀性狀指標(biāo)和產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示(表4)：不同濃度硅處理蒙古黃芪的根長(zhǎng)、根粗、單根鮮重和單根干重均不同程度高于對(duì)照，側(cè)根數(shù)均低于對(duì)照。其中，根長(zhǎng)在500 mg/L硅處理下達(dá)到最大值，根粗在2 000 mg/L硅處理下達(dá)到最大值，側(cè)根數(shù)此時(shí)達(dá)到最小值，但在各施硅處理及對(duì)照間均無(wú)顯著差異；單根鮮重、單根干重和產(chǎn)量均在2 000 mg/L硅處理下達(dá)到最大值，且在此時(shí)與對(duì)照差異顯著，增幅分別為30.97%、33.79%和32.29%，它們?cè)谄渌杼幚硐屡c對(duì)照無(wú)顯著差異。

同時(shí)，不同濃度硅處理對(duì)于提升蒙古黃芪品質(zhì)具有促進(jìn)作用(表5)，施硅處理和對(duì)照黃芪藥材水分、灰分、可溶性浸出物和黃芪甲苷含量均優(yōu)于2020版《中國(guó)藥典》標(biāo)準(zhǔn)。其中，各硅處理黃芪藥材水分和灰分均不同程度低于對(duì)照，但僅硅濃度為500和4 000 mg/L時(shí)的灰分含量降幅達(dá)到顯著水平，所有處理水分含量和1 000、2 000 mg/L施硅處理的灰分含量均與對(duì)照差異不顯著。各施硅處理的可溶性浸出物和黃芪甲苷含量均不同程度高于對(duì)照，但僅在2 000 mg/L硅處理下顯著高于對(duì)照和其他處理，此時(shí)分別比對(duì)照顯著提高了16.48%和31.96%。

3 討 論

硅對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有明顯的促進(jìn)作用，施硅能有效提高植株葉片葉綠素含量和光合速率，增加光合產(chǎn)物的積累；硅被植物吸收后主要分布在輸導(dǎo)組織，通過改善礦質(zhì)元素的吸收，增強(qiáng)根系活力，從而促進(jìn)植株?duì)I養(yǎng)器官的生長(zhǎng)[17]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，不同濃度硅處理均能提高蒙古黃芪的株高、莖粗和株幅，適宜的硅濃度(1 000 mg/L和2 000 mg/L)能顯著地促進(jìn)蒙古黃芪的生長(zhǎng)?？赡苁鞘┕枰环矫嫣岣吡巳~片葉綠素含量，促進(jìn)光合產(chǎn)物積累，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)元素吸收，另一方面施硅后葉片表面形成的硅化細(xì)胞和表皮組織里形成的角質(zhì)——硅雙層結(jié)構(gòu)使植株抗氧化能力增強(qiáng)，提高了蒙古黃芪的抗病能力。這與Mateos-Naranjo[18]、鄭世英等[19]在不同作物上施硅的研究結(jié)論一致。但在本研究中，當(dāng)硅濃度增加到4 000 mg/L時(shí)，與其他硅處理相比，蒙古黃芪的生長(zhǎng)受到一定的抑制，這表明施硅對(duì)蒙古黃芪的生長(zhǎng)存在劑量效應(yīng)，推測(cè)原因可能是高濃度硅處理(4 000 mg/L)會(huì)對(duì)蒙古黃芪根系產(chǎn)生毒害作用，影響礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，不利于植株的生長(zhǎng)。

表3 病情指數(shù)與抗氧化酶及丙二醛的相關(guān)系數(shù)

表4 不同濃度硅處理下蒙古黃芪外觀性狀及產(chǎn)量構(gòu)成

表5 不同濃度硅處理下蒙古黃芪品質(zhì)分析

施硅對(duì)提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要作用，目前大多數(shù)研究主要集中在禾谷類作物和園藝作物上，均認(rèn)為施用適宜濃度硅肥能夠提高作物產(chǎn)量和改善品質(zhì)[24-25]。但在中藥材方面的研究卻鮮有報(bào)道。蒙古黃芪以根入藥，藥材根的外觀性狀和品質(zhì)是衡量藥材根個(gè)體質(zhì)量的重要指標(biāo)。在本試驗(yàn)中施硅能增加蒙古黃芪根長(zhǎng)、根粗、單根鮮重和單根干重，促進(jìn)蒙古黃芪增產(chǎn)。分析增產(chǎn)的原因可能是施硅有助于提高蒙古黃芪抗性，進(jìn)而促進(jìn)N、P和K等營(yíng)養(yǎng)元素吸收，提高光合效率，促進(jìn)地上部分光合產(chǎn)物向地下部分轉(zhuǎn)運(yùn)和富集，有助于植株根部生長(zhǎng)。同時(shí)，施硅后蒙古黃芪的內(nèi)在品質(zhì)(水分、灰分、可溶性浸出物和黃芪甲苷含量)均優(yōu)于2020版《中國(guó)藥典》標(biāo)準(zhǔn)，可能與施硅增強(qiáng)植株的抗逆脅迫能力有關(guān)，從而提高碳氮代謝產(chǎn)物含量，這與張文晉[26]報(bào)道的在旱鹽脅迫下硅提高甘草產(chǎn)量和品質(zhì)的研究結(jié)果相一致。綜合評(píng)價(jià)不同濃度硅處理對(duì)蒙古黃芪生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響，認(rèn)為當(dāng)硅濃度為2 000 mg/L時(shí)具有較好的防病促生作用，能顯著提高蒙古黃芪藥材產(chǎn)量，改善藥材品質(zhì)。