半夏連作障礙效應及生理機制研究

安 艷，楊 丹，李 鑫，晉小軍

(甘肅農業大學 農學院，甘肅省中藥材規范化生產技術創新重點實驗室，蘭州 730070)

半夏[Pinelliaternata(Thunb.)Breit.]為天南星科多年生草本植物，以干燥塊莖入藥[1-2]。具有燥濕化痰、降逆止嘔、消痞散結等功效，主要用于痰多咳喘，痰厥頭痛，痰飲眩悸，風痰眩暈，嘔吐反胃，胸脘痞悶，梅核氣；生用外治癰腫痰核，是我國常用的中藥材[3-6]。同一作物或者近緣植物在相同土地上連續種植，會出現植株長勢變弱、病蟲害嚴重及產量品質降低等現象，稱為連作障礙[7]。半夏連作導致病蟲草害嚴重及產量品質下降，給當地經濟帶來嚴重影響。輪作能減輕半夏連作障礙的發生，但由于輪作周期長，當地種植面積有限，嚴重制約了半夏的可持續發展。因此，本試驗通過對西和縣輪作及連作半夏生長發育動態、葉綠素質量分數、植株保護酶活性、MDA及滲透調節物質進行研究，探討連作對半夏生長發育的影響，以期為減輕半夏連作障礙，提高半夏產量品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試區選擇在隴南市西和縣盧河鄉王堡村廟子溝，海拔 1 692 m，年均降水量 532 mm，年蒸發量 1 236 mm，空氣相對濕度 73%，平均無霜期183 d，年日照時數1 757 h，日照百分率46%，晝夜溫差大，氣候偏旱[8]。

試驗地土層深厚，地勢平緩，屬中性或微酸性的棕壤，富含K元素。土壤養分指標，全氮1.27 g·kg-1，全磷0.17 g·kg-1，有機質11.75 g·kg-1，速效磷15.27 mg·kg-1，速效鉀105.60 mg·kg-1，銨態氮0.57 mg·kg-1，硝態氮14.9 g·kg-1，pH 7.09。

供試植物半夏種莖均來自湖北天門，經甘肅農業大學農學院晉小軍研究員鑒定為天南星科植物半夏的塊莖。

1.2 試驗設計

試驗于2016年3-9月在西和縣盧河鄉王堡村廟子溝進行，采用對比試驗。選擇輪作(玉米-小麥-馬鈴薯-玉米-半夏)和連作(玉米-小麥-馬鈴薯-半夏-半夏)不同茬口的試驗地，小區面積為3 m×4 m，設3次重復。選擇無病、無傷痕、無腐爛，直徑為0.5～1.5 cm的半夏塊莖進行種植，不同小區田間管理一致，具體為種植前施農家肥15 000 kg·hm-2，純N 292 kg·hm-2，P2O5225 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2作為基肥翻入土壤，生長期及時除草。于2016年4月26日至8月4日每隔25 d取一次樣并測定半夏的生長指標；于6月15日、7月10日及8月4日每小區按五點取樣法選取健康半夏植株，摘取健康成熟葉數片，混合，立即用去離子水沖洗，裝袋，置于液氮帶回實驗室，用于生理生化指標的測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標的測定 在半夏生育期內每隔25 d每小區隨機采取不同茬口的半夏植株各10株，測定其株高、生物量及塊莖直徑等生長指標。

1.3.2 葉綠素質量分數的測定 將采集的半夏葉片剪碎混勻，采用丙酮浸提法[8]浸提測定。

1.3.3 植株保護酶活性及滲透調節物質的測定 超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑(NBT)光還原法[9]測定；過氧化物酶(POD)采用愈創木酚法[10]進行測定；過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法[10]測定；丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法[9]測定；脯氨酸(Pro)質量分數用茚三酮顯色法[9]測定；可溶性糖采用蒽酮比色法[9]測定；可溶性蛋白質量分數采用考馬斯亮藍G- 250染色法[9]測定。

2 結果與分析

2.1 連作對半夏生長指標的影響

當植物受到某種外部不利環境因子影響時，將通過其內部一系列生理生化變化反映在外觀形態上。如表1所示，輪作及連作栽培的半夏隨時間變化，其株高、塊莖直徑、地上部分生物量、地下部分生物量均逐漸增加；在半夏生長發育的各個時期，連作半夏株高、塊莖直徑、地上部分生物量和地下部分生物量均低于同時期輪作。其中株高及地上部分生物量除4月26日差異不顯著外，其他各個時期輪作均顯著高于連作；輪作半夏塊莖直徑、地下部分生物量在各個時期均顯著高于同一時期連作。

表1 連作對半夏植株生長的影響Table 1 Effects of continuous cropping on the growth of Pinellia ternata

注：同列不同小寫字母表示同一時期不同處理差異顯著性(P<0.05)。下同。

Note:Different lowercase letters in same column indicate significant difference among various treatments in the same period(P<0.05).The same as follows.

表1顯示，輪作半夏株高為12.00～24.06 cm，全年平均達19.26 cm，連作株高為10.43～14.79 cm，平均為13.11 cm，連作較輪作年平均株高低31.93%；輪作及連作塊莖直徑分別為1.03～1.72 cm和0.86～1.30 cm，年平均為1.41 cm和1.13 cm，連作較輪作年平均塊莖直徑低19.86%；輪作及連作單株地上部分生物量分別為0.44～1.90 g和0.31～0.67 g，年平均為1.19 g和0.52 g，連作較輪作年平均單株地上部分生物量低56.30%；輪作及連作半夏單株地下部分生物量分別為0.77～2.73 g和0.39～1.52 g，年平均為1.67 g 和1.03 g，連作較輪作年平均單株地下部分生物量低 38.32%。

2.2 連作對半夏葉片葉綠素質量分數的影響

葉綠素是一類植物體內與光合作用有關的重要色素，其質量分數變化不僅反映植物遭受到一定程度的脅迫，也直接影響光合效率和光合產物的累積[11]。分析連作對半夏葉片葉綠素質量分數的影響，結果見表2。從表2看出，輪作半夏葉片葉綠素a、葉綠素b及葉綠素質量分數隨時間的變化均逐漸增加，連作半夏隨時間變化均逐漸降低；輪作及連作半夏類胡蘿卜素質量分數均呈先增后降的趨勢。

表2 連作對半夏葉綠素質量分數的影響Table 2 Effects of continuous cropping on chlorophyll mass fraction of Pinellia ternata

進一步分析連作對半夏葉片葉綠素質量分數的影響，由表2可知，輪作葉綠素質量分數顯著高于同一時期連作；連作半夏葉綠素質量分數較同一時期輪作分別下降14.51%、33.48%、49.06%。從葉綠素組分看，連作葉綠素a和葉綠素b的質量分數均比同一時期輪作有不同程度的下降，其中，葉綠素a和葉綠素b的質量分數分別比同一時期輪作低10.14%、30.19%、46.63%和25.45%、41.94%、55.41%；連作半夏類胡蘿卜素的質量分數顯著低于同一時期輪作，比同一時期輪作分別低17.14%、20.00%和16.13%；但葉綠素a/葉綠素b的值連作均高于同一時期輪作。連作半夏葉片葉綠素質量分數降低，這說明連作半夏葉片類囊體的垛疊程度降低，葉綠體的捕光能力和能量傳遞速率降低[12-13]。

2.3 連作對半夏葉片SOD、POD和CAT活性的影響

SOD、POD和CAT為植物細胞內的重要保護酶，它們與其他抗氧化酶和抗氧化物質協同作用，共同防御產生過量的活性氧及自由基[14]。由表3可知，輪作及連作半夏其葉片SOD、POD和CAT活性隨時間變化均呈逐漸升高趨勢；連作半夏3種保護酶活性在各個時期均顯著低于輪作，其中輪作SOD、POD和CAT活性最高分別為323.43 U·g-1、3 154.44 U·g-1·min-1和605.28 U·g-1·min-1，連作SOD、POD和CAT活性最高分別為248.33 U·g-1、2 506.67 U·g-1·min-1和426.67 U·g-1·min-1。

表3 連作對半夏植株SOD、POD和CAT活性的影響Table 3 Effects of Pinellia ternata continuous cropping on activities of SOD, POD and CAT in plants

2.4 連作對半夏葉片MDA質量摩爾濃度和滲透調節物質質量分數的影響

丙二醛(MDA)是植物細胞內膜脂過氧化的產物，其摩爾質量濃度可反映植物膜脂過氧化和膜系統傷害程度[13,15]。由表4可知，輪作及連作半夏其葉片MDA質量摩爾濃度隨時間變化呈逐漸升高趨勢；連作半夏MDA質量摩爾濃度顯著高于同一時期輪作。其中連作葉片MDA質量摩爾濃度比同一時期輪作分別高37.78%、33.80%和31.07%，MDA質量摩爾濃度的增加說明連作脅迫導致膜脂過氧化損傷。

可溶性糖和可溶性蛋白也是重要的滲透調節物質，在一定程度上說明植物在逆境下的受傷害程度和抵抗能力[16]。輪作及連作半夏其葉片可溶性糖、可溶性蛋白質量分數均隨時間變化呈逐漸升高趨勢；連作半夏葉片可溶性糖、可溶性蛋白質量分數顯著高于同一時期輪作，比同一時期輪作分別高16.83%、19.85%、19.89%和15.93%、25.04%、15.95%；連作半夏脯氨酸質量分數顯著高于同一時期輪作，分別是同一時期輪作的1.55、2.11、2.03倍。連作半夏植物體內滲透調節物質質量分數增加，說明半夏在連作條件下受到傷害。

表4 連作對半夏葉片MDA和滲透調節物質的影響Table 4 Effects of Pinellia ternata continuous cropping on MDA and osmotic adjustment substances in leaves

3 小結與討論

試驗通過對連作和輪作半夏生長指標進行對比，結果表明，連作半夏較輪作年平均株高、塊莖直徑、地上部分生物量及地下部分生物量分別低31.93%、19.86%、56.30%和38.32%，說明連作半夏株高和塊莖直徑均受到抑制，導致各個時期地上和地下部分生物量分別比同一時期輪作明顯降低，連作嚴重抑制半夏的生長發育。

造成這一現象的原因，從半夏生理指標可見，連作半夏葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素質量分數顯著降低，葉綠素質量分數較同一時期輪作分別下降14.51%、33.48%和49.06%。而葉綠素在植物光合作用中起捕獲光能的作用，其質量分數直接影響光合作用的強弱[17]。因此，葉綠素質量分數降低直接影響半夏葉綠體的捕光能力和能量傳遞速率，導致光合能力減弱，光合產物減少。由此可見，葉綠素質量分數的降低，會造成植株生長下降，這是導致半夏連作減產的原因之一。試驗發現連作半夏生長指標及葉片葉綠素質量分數顯著低于輪作，這與前人在半夏[18]中的研究結果一致。

在逆境脅迫下，植物葉綠體內的氧會被活化成對細胞有傷害的活性氧。試驗結果表明，輪作及連作半夏葉片SOD、POD、CAT活性、MDA質量摩爾濃度、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的質量分數均隨時間變化逐漸增加，這是因為西和縣8月份溫度高，說明在輕度脅迫下，葉綠體內的主要活性氧清除系統，如SOD、POD和CAT活性等明顯升高，能夠及時消除這些活性氧[19]；連作脅迫顯著降低連作半夏SOD、POD和CAT活性，而MDA質量摩爾濃度及脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的質量分數顯著增加，說明在重度脅迫下，葉綠體內主要活性氧清除系統活性明顯下降，不能及時消除這些活性氧，對膜脂過氧化和蛋白質合成產生抑制，最終影響葉片的光合作用[19]。正是生理代謝方面的改變導致連作半夏形態上的改變，這也是半夏連作減產的基本原因。

本試驗結果發現，連作降低半夏葉片葉綠素質量分數、SOD、POD和CAT活性，增加了MDA質量摩爾濃度及脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質量分數，與前人在當歸[12]中報道連作脅迫使植株葉片光合色素質量分數減少，SOD、POD和CAT活性降低及可溶性糖和脯氨酸質量分數、MDA質量摩爾濃度增加的結果一致。