航天誘變種苗大小對當歸物候特征、抗逆生理特性及藥材產量的影響

劉宇曉，郭鳳霞，陳 垣,2，王紅燕，焦旭升，金建琴，劉曉峰

(1.甘肅農業大學 生命科學技術學院，農學院/甘肅省中藥材規范化生產技術創新重點實驗室/甘肅省藥用植物栽培育種工程研究中心/甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070；2.甘肅天士力中天藥業有限責任公司，甘肅省特色藥用植物資源保護與利用工程實驗室/甘肅省特色藥材規范化可追溯栽培工程技術研究中心，甘肅定西 748100)

當歸Angelicasinensis(Oliv.) Diels為傘形科當歸屬多年生草本藥用植物，最早載于《神農本草經》，素有“婦科圣藥”之稱[1]，被列為補血藥之首[2]，當歸味甘、辛、微苦，歸肝、心、脾經，具有補血活血、調經止痛，潤腸通便的功效，用于血虛萎黃、月經不調等癥[3]。是治療婦科疾病的常用中藥[4]。

甘肅岷縣所產當歸質量最佳，被譽為中國當歸之鄉[5]，然而，當歸栽培品種主要為農家地方品種，為多種類型的混合體[6]，隨著種植年限的延長，品種退化明顯，早期抽薹率高，根病嚴重。盡管有人[6]開展了當歸新品種選育研究，但目前尚不能解決生產上存在的問題。航天誘變育種是指通過將植物種子搭載宇宙飛船或返回式衛星，利用太空中的強輻射、微重力、高真空和弱磁場等使其性狀發生遺傳變異，然后從中選育出具有優良特性的現代育種新技術[7-10]，利用航天誘變途徑已在中藥材品種選育中初步得到應用[11-13]。本研究采用航天誘變進行育種，在有機栽培條件下探索當歸航天新品種選育，以期選育符合育種目標的當歸新品種。航天誘變當歸種苗大小變異較大，對不同大小種苗的特性尚不了解，因此，本試驗在誘變育種的基礎上主要研究種苗大小對當歸成藥栽培生理生化特性及品質和產量的影響。旨在找出誘變育種后種苗大小與當歸藥材品質、產量的關系，為選育當歸新品種在苗期選單株提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅省定西市岷縣禾馱鄉石家臺村，地理位置為北緯N 34°0′26″，東經E 104°0′01″，屬典型溫帶大陸性季風氣候，海拔2 800 m，年均降雨量800 mm左右，平均溫度4.7 ℃，4-10月當歸生長期平均溫度5.5 ℃。該區高寒陰濕，土壤類型為高山草甸土，肥沃疏松，適宜當歸生長，是當歸的主要道地產區[5]。當歸育苗采用熟地黃芪茬口育苗，整地時打碎土垡，清除石礫和雜草，耙平。

1.2 種苗來源

試驗用材料為2016年航天誘變當歸2 a生早期抽薹SP2代種子，經熟地黃芪茬口育成的種苗，由甘肅農業大學農學院陳垣教授鑒定為當歸[Angelicasinensis(Oliv.) Diels]種苗。

1.3 當歸成藥栽培

當歸成藥栽培試驗于2020年4月27日進行，前茬黃芪，種苗成藥栽培采用單因素隨機區組設計，首先參照甘肅省地方標準(DB62/T 2549-2014)和邱黛玉等[14]對當歸種苗的分級方法，將當歸種苗分為3個大小等級(表1)，然后將各級種苗采用覆黑膜穴栽，每處理重復3次, 共9個小區, 小區面積3 m×6 m=18 m2。移栽穴距40 cm，每穴2苗，每壟膜4行，小區間距0.50 m，四周設1 m保護帶。

表1 當歸種苗大小分級標準Table 1 Size grading standard of A.sinensis seedlings

1.4 當歸成藥栽培期返青率、成活率及早期抽薹率測定

移栽后觀察各級種苗返青動態，5月下旬統計返青率，5-7月份統計成活率，6-8月統計早期抽薹率，5-10月的每月中旬對植株的生長發育動態進行測量。

返青率=返青株數/移栽總苗數×100%

移栽成活率=成活株數/移栽總苗數×100%

早期抽薹率=早期抽薹株數/返青總株數×100%

1.5 當歸成藥栽培期地上部生長發育指標測定

2020年6月3日當歸返青后，隨機掛牌定株，每重復15株，每處理共45株，測定當歸株高、株幅、復葉數、葉柄粗、葉長、葉寬等地上部生長指標，以后每月測定1次，直到當歸地上部枯萎。采用卷尺測定株高和株幅(精度1/10 cm)，采用數顯游標卡尺測定莖粗(精度1/1 000 mm)，數取單株葉片數。

1.6 當歸葉片采集及抗逆生理指標測定

2020年7月5日、8月25日、9月26日分別采集各處理長勢一致、高度相同的當歸中上部位葉片，采集后將當歸葉片分別放入含有液氮的冰盒中，當天帶回甘肅農業大學中草藥栽培與鑒定實驗室，放置4 ℃冰箱，用于抗逆生理指標的 測定。

參照Guo等[15]的方法，脂質過氧化程度以丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量和組織自動氧化速率(autoxidation rate，AR)衡量，AR測定5 h后的MDA含量，以每小時MDA含量的平均增加量來表示組織自動氧化速率。超氧物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氮藍四唑(nitro-blue tetrazolium，NBT)光化還原法測定，以每分鐘反應抑制NBT 光化還原 50% 定義為 1 個酶活性單位(U)，過氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創木酚顯色法測定，以在470 nm 處每分鐘酶活增加1為1個酶活性單位(U)，過氧化氫酶(catalase，CAT)活性采用紫外吸收法測定，以每分鐘酶活減少1為1個酶活性單位(U)。

1.7 當歸藥材農藝性狀和產量的測定

2020年10月17日為當歸藥材采挖期，每小區隨機抽取15株，每處理共30株，測定藥材根農藝性狀，并對小區藥材根計數，測定小區鮮藥材產量，最后換算為每公頃鮮藥材產量。

1.8 當歸根部灰分和主要藥用成分的測定

2020年10月20日將所有當歸藥材統一陰干，陰干后，將各個小區的樣品單獨粉碎、混合均勻、過2號篩，之后測定其含量指標。

當歸藥材灰分、水分、浸出物、阿魏酸和藁本內酯等品質指標及成分含量測定參照《中華人民共和國藥典》(2020年版)。

1.9 數據統計

采用Excel 2003軟件進行數據匯總和制圖，用SPSS 21.0軟件進行方差分析及顯著性分析，多重比較采用 Duncan’s法。

2 結果與分析

2.1 種苗大小對當歸物候特征的影響

由表2可見，不同等級種苗移栽后其返青率、成活率和早期抽薹率均出現差異，但趨勢均表現為大苗>中苗>小苗，其中，3種種苗的返青率和成活率無顯著差異(P>0.01)，大種苗返青率比中種苗和小種苗僅提高1.75%和2.90%，成活率比中種苗和小種苗提高2.75%和4.69%，但抽薹率卻表現出極顯著差異性(P<0.01)，大種苗較中種苗抽薹率增加32.06%，較小種苗抽薹率增加50.28%。

表2 不同種苗大小當歸物候特征Table 2 Phenological characteristics of A.sinensis under different sizes of seedlings

2.2 種苗大小對當歸地上部生長指標的影響

由圖1可知，當歸群體生長的總體趨勢在8月25日植株達到最大高度，之后開始逐步下降。當歸大苗在8月3日之后開始快速增長，8月25日達到最高值。8月初，氣溫較高，雨水充沛，當歸植株開始迅速生長，不斷長出新葉片。8月25日之后，天氣逐漸變涼，老葉凋零。

圖1 航天搭載不同大小當歸種子育成種苗成藥株生長動態的比較Fig.1 Comparison of growth dynamics of A.sinensis seedling with different sizes in space

還可看出，大、中、小種苗苗生長的整體趨勢相似，不同的是，大種苗的生長速度較快，小種苗的生長速度緩慢，但都在8月25日前后達到最大值并且不再繼續增高。株幅、葉柄粗、復葉數和葉面積的生長趨勢均與株高的生長趨勢大致相似，并且均是大種苗生長速度大于中種苗和小種苗。

2.3 種苗大小對當歸成藥栽培抗逆性的影響

2.3.1 種苗大小對當歸成藥栽培葉片MDA含量與組織自動氧化速率的影響 植物在逆境下產生的大量活性氧自由基會引起膜脂質過氧化，進而損傷膜系統，MDA是膜脂過氧化的最終產物，濃度過高有毒害作用，但低濃度具有信號誘導生物體增強抗逆性的功能。由圖2可知，在當歸生長前期，大苗栽葉片MDA含量極顯著高于中苗栽和小苗栽(P<0.01)，但組織自動氧化速率表現為大苗栽顯著低于小苗栽(P<0.01)，與中苗栽無顯著差異(P>0.05)；在當歸生長中期，當歸葉片MDA含量與前期相似，組織自氧化率為中苗栽顯著低于大苗栽與小苗栽(P<0.01)；在當歸生長后期，當歸葉片組織MDA含量明顯增加(CV=35.32%)，其中，小苗栽MDA含量高于同時期大苗栽與中苗栽當歸，自動氧化速率低于同時期大苗栽與中苗栽當歸。

圖2 不同種苗大小當歸成藥栽培葉片MDA含量和自動氧化速率Fig.2 Content of MDA and automatic oxidation rate of A.sinensis under different sizes of seedlings

2.3.2 種苗大小對當歸成藥栽培葉片抗氧化酶活性的影響 不同種苗大小對當歸葉片抗氧化酶活性具有一定的影響(圖3)。生長初期，大苗栽當歸葉片POD和SOD活性最高，中苗栽與小苗栽活性較弱，彼此無顯著性差異(P>0.05)，大苗栽當歸葉片CAT活性高于小苗栽與中苗栽，但與中苗栽差異不顯著(P>0.05)；生長中期，大苗栽當歸葉片POD活性顯著高于中苗栽與小苗栽，而小苗栽SOD活性高于大苗栽與中苗栽，CAT活性三處理無顯著性差異；在生長后期，同樣大苗栽當歸葉片SOD活性大于中苗栽大于小苗栽，而POD和CAT活性三處理基本持平，中苗栽CAT活性高于大苗栽和小苗栽，差異顯著。這與當歸的生長勢有關，在生長前期，大苗栽當歸生長發育態勢強，生活力旺盛，而中苗栽與小苗栽當歸生長發育緩慢，生活力較弱，在生長后期，大苗栽當歸由于前期生長發育好而在后期生活力變弱，小苗栽與中苗栽當歸卻在后期仍具有生活力，因此其酶活性基本一致。

圖3 不同種苗大小當歸成藥栽培葉片抗氧化酶活性Fig.3 Antioxidant enzyme activities in leaves under different sizes of A.sinensis seedlings

2.4 種苗大小對當歸成藥栽培品質指標及產量的影響

由表3可知，種苗大小對苗栽當歸蘆頭長、蘆頭粗、根長、根粗、側根數等根部形態無顯著影響(P>0.05),但對單株鮮質量、單根鮮質量以及根鮮產量具有顯著影響(P<0.05)。中苗栽當歸單株鮮質量最高(m=111.80 g)，但其單根鮮質量(m=81.81 g)不及小苗栽(m=84.17 g)；大苗栽單株鮮質量最低(m=78.85 g)，這是因為大苗栽當歸生長速度快，后期葉片衰老發黃后脫落嚴重，其地上部分鮮產量較低(m=19.53 g)，而中苗栽當歸在生長后期生長態勢較好，葉片干枯脫落少，地上部分鮮產量最高(m=29.99 g，P<0.05)；小苗栽當歸的根單根鮮質量最大，其產量(6 382.46 kg/hm2)也極顯著高于大苗栽與中苗栽(P< 0.01)，大苗栽當歸產量最低，僅為1 073.48 kg/hm2，可能由于大苗栽當歸生殖生長強于營養生長，將土壤中的養分用于供給地上部分的生長，而小苗栽與中苗栽當歸地上部分生長緩慢，將土壤中營養物質吸收后用于根部生長，營養生長強度大于生殖生長，因此小苗栽當歸單根鮮質量與根鮮產量均最佳，中苗栽次之，大苗栽最低。

表3 航天誘變當歸不同種苗大小的藥材農藝性狀和產量Table 3 Agronomic characters and yield of radix A.sinensis by space mutation under different sizes of seedlings

2.5 種苗大小對當歸成藥栽培品質指標及含量的影響

由表4和圖4可知，不同苗栽當歸的品質與含量具有顯著性差異(P<0.05)，大苗栽當歸總灰分(7.13%)和酸不溶性灰分(2.06%)超過藥典規定(2020版，<7.0%，<2.0%)，小苗栽和中苗栽當歸總灰分和酸不溶性灰分都顯著小于大苗栽且都符合藥典規定(P<0.01)；浸出物含量都符合藥典規定(≥45%)但各苗栽當歸差異顯著 (P<0.01)，小苗栽當歸浸出物含量最高 (51.13%)，大苗栽和中苗栽浸出物含量較低，差異不顯著 (P>0.05)；阿魏酸和藁本內酯含量均為小苗栽最高(0.133%，1.409%)，顯著(P< 0.01)高于大苗栽(0.063%，0.630%)而與中苗栽 (0.129%， 0.123%)差異不顯著(P>0.05)，但都符合藥典規定(≥0.050%，≥0.4%)。

表4 航天誘變當歸不同種苗大小成分含量Table 4 Content of A.sinensisunder treament of space induction

圖4為不同苗栽當歸成藥超高效液相圖譜，混合標準品色譜圖(A)；不同苗栽當歸成藥根的阿魏酸含量超高效液相色譜圖(B)；不同苗栽當歸成藥根的藁本內酯含量超高效液相色譜圖(C)

3 討 論

3.1 合理選擇種苗可以降低當歸早期抽薹率

在當歸生產中，第1年育苗，第2年移栽成藥，將肉質根收獲用作當歸藥材，如果要留種，則將第2年當歸留株越冬，經春化作用后抽薹開花，但目前在當歸生產中第2年就會出現早期抽薹現象，即30%以上的植株抽薹開花，嚴重者高達70%以上[16]，使當歸根部木質化，成藥少，有效成分含量低，成藥生產效率低。本試驗得出，小苗栽當歸抽薹率較低，僅7.97%，中苗栽當歸抽薹率26.22%，大苗栽當歸抽薹率高達58.25%，抽薹率高是大苗產量低的關鍵因素。但3類苗栽當歸返青率和移栽成活率差異不顯著(P>0.05)，大苗栽當歸返青率為86.68%，移栽成活率為 76.78%，中苗栽當歸返青率為84.93%，移栽成活率為74.03%，小苗栽當歸返青率為83.78%，移栽成活率為72.09%，這可能與當歸種苗的抗逆性有關，大苗栽當歸初期抗氧化活性好，MDA含量低，膜脂過氧化速率慢，抗逆性好，可更好地適應生長環境，生長發育態勢好，生存能力強，但小苗栽當歸初期抗氧化酶活性低，MDA濃度較高，植物產生了大量的活性氧自由基引起膜脂過氧化，苗栽當歸抗逆性弱，生長發育態勢較弱，返青率、移栽成活率較低，中苗栽當歸介于兩者之間，因此當歸種苗越大返青率和移栽成活率越高，早期抽薹率也越高，在當歸生產中合理選擇種苗可以降低成藥栽培當歸早期抽薹率，提高農業生產效率，這與王興政等[17]、邱黛玉等[14]研究結論相似，幼苗必須滿足一定的營養物質水平才可能通過春化，所以種苗越大，苗齡越長，越具備春化條件，越易第2年正常通過光照階段而提前抽薹開花。曾宇馨等[18]通過文獻計量學方法，輔以CiteSpace軟件分析得出與當歸早期抽薹有關的關鍵詞主要有反季育苗、內外源激素、海拔、連作障礙、生物學特性等，因此引起當歸早期抽薹的因素很多，不能在單一因素上徹底解決當歸早期抽薹的問題，但可以通過育種，選育出抽薹率極低的品種，降低當歸早期抽薹率，提高農業生產效率。

3.2 合理選擇當歸種苗可提高苗栽當歸產量與品質

優質種苗來源是其藥材品質和產量的基礎保證[19]，當歸產量由群體密度和單株根質量構成[20]。本研究得出，種苗大小對苗栽當歸蘆頭長、蘆頭粗、根長、根粗、側根數等根部形態無顯著影響(P>0.05)，但對單株鮮質量、單根鮮質量以及根鮮產量具有顯著影響(P<0.05)。盡管大苗栽當歸蘆頭長、蘆頭粗、根長、根粗、側根數等都優于小苗栽當歸，但其單根鮮質量卻遠不及小苗栽當歸，這可能與當歸木質化程度或根部含水量有關，大苗栽當歸地上部分生長指標在個生長階段都優于小苗栽當歸與中苗栽當歸，8月份抽薹率高達58.25%，木質化嚴重，在生長后期葉片枯萎，生活力下降，成木質根，影響次生代謝產物積累，而小苗栽與中苗栽當歸生長發育緩慢，抽薹率低，根部木質化程度低，肉質根含水量多。因此，雖然各苗栽當歸主要質量性狀差異不顯著(P>0.05)，但產量差異顯著(P<0.01)，是由于小苗栽和中苗栽當歸抽薹率低，根部木質化程度小，再加之該試驗建立在航天誘變新品種選育的基礎上，8月份當歸早期抽薹后拔除抽薹株，使得單位面積大苗栽當歸總株數小于中苗栽和小苗栽當歸，產量差異更加顯著。藺海明等[21]和劉新慧等[22]認為一般將種苗根直徑控制在0.3～0.5 cm, 百苗質量控制在40～70 g其生產效率最高。而王興政等[15]認為小苗栽(苗質量<0.3 g，蘆頭粗<0.28 cm)當歸生活力弱, 產量低, 在實際生產中中苗栽當歸最適宜農業生產；這可能由于本試驗當歸種苗來源與王興政試驗所用種苗來源不一致，本試驗所用當歸種苗來源于2016年航天誘變所育SP2代種子所育種苗，航天誘變增強了同等級當歸苗栽成藥期植株對環境的適應性，因此在農業生產中選擇當歸苗栽時要綜合種苗大小及活性等因素。

3.3 合理選擇當歸種苗可有效提高苗栽當歸藥用成分含量

當歸主要有效成分為揮發油、阿魏酸、鞣質及多糖等[23-24]，阿魏酸和揮發油的含量是衡量當歸內在品質的重要指標[3], 揮發油中藁本內酯的相對含量是當歸內在品質的一個標志性成分[25]。本研究得出，不同苗栽當歸藁本內酯及阿魏酸含量均達到2020年版《中國藥典》規定的限度。但不同苗栽當歸的品質與含量具有顯著性差異 (P<0.05)，大苗栽當歸總灰分(7.13%)和酸不溶性灰分(2.06%)超過藥典規定(2020版， <7.0%，<2.0%)，小苗栽和中苗栽當歸總灰分和酸不溶性灰分都顯著小于大苗栽，且都符合藥典規定(P<0.01)；浸出物含量都符合藥典規定(≥45%)，但各苗栽當歸差異顯著(P<0.01)，小苗栽當歸浸出物含量最高(51.13%)，大苗栽和中苗栽浸出物含量較低，差異不顯著(P>0.05)；大苗栽當歸阿魏酸和藁本內酯含量最低，小苗栽當歸阿魏酸(0.133%)和藁本內酯(1.409%)含量最高，中苗栽次之，當歸種苗大小與當歸成藥阿魏酸和藁本內酯含量呈負相關，這是因為小苗栽當歸生長發育速度緩慢，成藥有效物質積累多，而大苗栽當歸則在前期生長發育速度快，早期抽薹率高，當歸從營養生長向生殖生長再到花形態建成, 需要營養物質的積累[17]，因此根部營養物質積累少，有效成分含量低。杜弢等[26]也研究得出小苗栽當歸成藥阿魏酸含量最高(0.076 2%)，但其認為各等級苗栽當歸成藥株間的含量沒有相關性，藥材中阿魏酸的含量與種苗等級沒有線性關系，因為大苗栽當歸阿魏酸含量為0.073 6%，中苗栽當歸為0.063 0%。發生此差異的原因可能是取樣測定時的誤差造成或者種苗來源和分級標準不一致所致。本試驗所用種苗來源于航天誘變育種SP2代種子所育種苗，因此其阿魏酸和藁本內酯含量遠遠超過藥典標準，并且各級苗栽當歸阿魏酸含量都大于杜弢等[26]測定的當歸阿魏酸的含量，小苗栽當歸更是其測定的2倍之多。這也表明航天誘變可以創造出較為優異的當歸群體，在誘變育種中合理選擇當歸種苗可有效提高苗栽當歸藥用成分含量，為選擇早期抽薹率低、抗逆性強、成藥率高的優良當歸新品種奠定良好的基礎。

4 結 論

本研究中，大苗栽當歸成藥株表現出良好的生長發育態勢，抗逆性強及膜脂過氧化程度低，但早期抽薹率高，成藥率低。小苗栽當歸成藥株地上部前期生長發育緩慢，但地下根性狀較好，單根鮮質量大，抽薹率低，單位面積產量高，中苗栽當歸除了在生長后期生長勢具有優勢外，產量處于中間水平。綜合來看，生產中選用小苗栽或中苗栽都能夠降低當歸苗栽成藥株早期抽薹率，提高生產效率，但在本試驗中，小苗栽當歸成藥株表現出優良的物候特征和成藥特性，將是新品種選育的寶貴種質資源，可為當歸航天誘變新品種選育奠定良好的基礎以選擇群體。

致謝:甘肅省定西市岷縣郎銀忠、李雪芳和賈哈柱提供試驗地和種苗貯藏條件并協助田間管理；隴西縣鞏昌鎮園藝村郭志軍、郭天明、郭太平、郭愛偉和郭愛峰提供種子貯藏條件并協助田間管理及取樣；甘肅農業大學碩士生葛鑫、陳永中、劉蘭蘭、周洋參與當歸移栽及指標測定。在此一并表示感謝。