噴施硅對蒙古黃芪抗氧化酶活性以及產量和品質的影響

吳之濤，張英英，高正睿，魏廷邦，任寶倉*，魏玉杰

(1 甘肅省農業工程技術研究院，甘肅武威 733006；2甘肅省特種藥源植物種質創新與安全利用重點實驗室，甘肅武威 733006；3 武威市祁連山區道地中藥材生態栽培技術創新中心，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，具有補氣升陽、利尿消腫、托毒生肌的功效[1]，在臨床上應用廣泛，素有“十藥八芪”之稱。目前，野生黃芪種質資源日漸稀少，已被列為國家三級保護植物，生產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變異較大，易產生“雞爪根”，商品性較差，嚴重影響藥材產量和品質，大多數產區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，市場消費需求逐年增大，受耕地面積的限制，黃芪連作種植后導致土壤養分失衡，有害病原菌不斷積累，病害發生日趨加重，嚴重影響黃芪產量和品質，已成為制約該產業高質量發展的重要因素之一[4]。

硅是地殼中第二大元素，雖然該元素不是植物生長必需的礦質元素，但大量研究表明，硅可以增強植物的抗逆耐脅迫能力[5]，促進植物生長并提高產量[6]。目前關于硅的抗性機制研究，主要集中在物理屏障假說和誘導抗性假說兩個方面。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胞，組織硅質化后形成機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)，有效清除植物體內活性氧，從而增強植物的抗病能力[8]。

迄今，前人利用硅防治植物病害已有相關報道，其中硅對水稻白葉枯病、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，但對黃芪病害的防治研究卻鮮有報道。本試驗以蒙古黃芪為試驗材料，研究了噴施不同濃度硅對蒙古黃芪生長發育動態、抗氧化酶活性、藥材產量和品質的影響，分析了施硅對黃芪白粉病、根腐病的防治效果，初步揭示了施硅增強黃芪抗病性、提升品質和產量的機理，為大田生產中蒙古黃芪的高效栽培提供了理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在國家中藥材產業技術體系河西綜合試驗站試驗基地(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，蒸發量2 021 mm，年平均氣溫7.7 ℃，無霜期155 d。試驗區土壤為厚層灌漠土，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，有機質含量19.80 g·kg-1，pH值為8.5。試驗地前茬作物為黃芪。

1.2 試驗材料

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

1.3 試驗設計

本試驗采用單因素隨機區組設計，共設置5個處理，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，每個處理又分為苗期(5月27)、開花期(7月8日)和根莖伸長期(9月26日)3個噴施時期。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，每個處理3次重復，共15個小區，小區面積為30 m2(7.5 m×4 m)，小區間隔60 cm。各試驗小區除噴施硅以外，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 測定項目與方法

1.4.1 地上部生長指標每個小區選擇30株生長一致的植株掛牌標記，黃芪不同生育時期施硅7 d后測定黃芪株高、株幅、莖粗和葉綠素含量。株高和株幅用卷尺測定；莖粗指距離地面1 cm處主莖直徑，采用數顯式游標卡尺(0～150 mm)測定；葉綠素含量(SPAD值)用手持式SPAD-502葉綠素儀(日本柯尼卡美能達株式會社)進行測定，時間選擇在早上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期施硅3 d后選取生長部位一致的葉片測定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，根據說明書要求，使用SP-765型紫外可見分光光度計(上海光譜儀器有限公司)進行測定。

1.4.3 白粉病和根腐病防效黃芪營養生長后期調查白粉病的發病情況，每個小區隨機調查30株，每株調查上中下部位各10片葉子，根據葉片的癥狀特征計算病情指數。病情分級標準如下[15]：

0級：植株葉片無病斑；

1級：植株葉片病斑面積占葉面積的1/4；

2級：植株葉片病斑面積占葉面積的1/4～1/2；

3級：植株葉片病斑面積占葉面積的1/2～3/4；

4級：植株葉片病斑面積占葉面積的3/4以上。

2021年10月21日黃芪采挖后調查根腐病的發病情況，每個小區隨機調查30株，根據根部的病斑特征計算病情指數。病情指數分級標準如下[16]：

0級：健康無病斑；

1級：根部有1～2個黑色凹陷病斑；

2級：根部有3～5個黑色凹陷病斑；

3級：根部有6～10個黑色凹陷病斑，表皮粗糙；

4級：根部有10個以上黑色凹陷病斑，部分病斑連片形成網狀縱列。

病情指數=[∑(病級代表值×株數)]/(最高病級代表值×調查總株數)×100

防治效果=(對照病情指數-處理病情指數)/對照病情指數×100%

1.4.4 藥材產量及品質掛牌標記的黃芪植株單獨采挖(2021年10月21日)，測定根長、根粗、側根數、單株根鮮重和干重；小區實收后計產，根據小區面積折算產量；黃芪品質委托甘肅數字本草檢驗中心有限公司檢測，對黃芪甲苷含量、灰分和可溶性浸出物進行測定。

1.5 數據分析

試驗數據用Microsoft Excel 2013整理，利用SPSS22.0統計分析軟件，采用Duncan新復極差法進行差異性顯著分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度硅處理對蒙古黃芪生長發育動態的影響

在不同生育時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、根莖伸長期均顯著高于對照，但不同濃度處理間差異不顯著；各生育時期不同濃度硅處理對莖粗影響大多不顯著，僅苗期硅濃度為500 mg/L時、根莖伸長期硅濃度2 000 mg/L時顯著高于對照，增幅分別為23.10%和30.05%。硅濃度為2 000 mg/L時，株幅在開花期各濃度處理、苗期除2 000 mg/L處理、根莖伸長期1 000和2 000 mg/L處理均顯著高于對照，同期各濃度處理間大多無顯著差異；各生育時期施硅處理對植株葉綠素含量與對照均無顯著差異。可見，在蒙古黃芪生長前期，低濃度硅處理有助于植株生長發育，而在生長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指標的變化

表2 不同濃度硅處理對蒙古黃芪白粉病、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個生育時期施硅處理的SOD、CAT、POD和APX活性均不同程度高于同期對照，且整體均隨著硅濃度的增加呈先升高后降低趨勢。其中，蒙古黃芪SOD活性僅在開花期當硅濃度為2 000 mg/L時與對照差異顯著，增幅達到56.45%，其他時期各處理間與對照差異均不顯著。CAT活性苗期、開花期和根莖伸長期2 000 mg/L濃度處理顯著高于對照，增幅分別達到178.10%、141.85%和200.99%，除根莖伸長期500、1 000 mg/L濃度處理外，其余時期其他處理間與對照均無顯著差異。POD活性隨生育期推進整體表現為增加趨勢，并在開花期、根莖伸長期2 000 mg/L濃度處理時顯著高于對照，增幅分別達到34.59%和33.20%，除苗期4 000 mg/L濃度處理外，其余時期其他處理間與對照差異不顯著。APX活性僅在根莖伸長期2 000 mg/L處理下顯著高于對照，增幅為207.74%，其他生育期與對照差異不顯著。同時，蒙古黃芪3個生育時期施硅處理的MDA含量均低于對照，且整體隨著硅濃度的增加有逐漸降低的趨勢，但同期各處理間與對照間均差異不顯著。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顯著變化，未受到過氧化傷害，但在開花期、根莖伸長期噴施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系

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

同時，從表3可以看出，蒙古黃芪白粉病、根腐病病情指數與CAT、POD、SOD和APX活性呈負相關，其中白粉病病情指數與POD活性、根腐病病情指數與APX活性的相關系數均達到顯著水平；而白粉病、根腐病病情指數均與MDA含量呈顯著正相關。

2.4 不同濃度硅處理對蒙古黃芪產量和品質的影響

蒙古黃芪采挖后對藥材外觀性狀指標和產量進行測定，結果顯示(表4)：不同濃度硅處理蒙古黃芪的根長、根粗、單根鮮重和單根干重均不同程度高于對照，側根數均低于對照。其中，根長在500 mg/L硅處理下達到最大值，根粗在2 000 mg/L硅處理下達到最大值，側根數此時達到最小值，但在各施硅處理及對照間均無顯著差異；單根鮮重、單根干重和產量均在2 000 mg/L硅處理下達到最大值，且在此時與對照差異顯著，增幅分別為30.97%、33.79%和32.29%，它們在其他硅處理下與對照無顯著差異。

同時，不同濃度硅處理對于提升蒙古黃芪品質具有促進作用(表5)，施硅處理和對照黃芪藥材水分、灰分、可溶性浸出物和黃芪甲苷含量均優于2020版《中國藥典》標準。其中，各硅處理黃芪藥材水分和灰分均不同程度低于對照，但僅硅濃度為500和4 000 mg/L時的灰分含量降幅達到顯著水平，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照，但僅在2 000 mg/L硅處理下顯著高于對照和其他處理，此時分別比對照顯著提高了16.48%和31.96%。

3 討 論

硅對植物的生長發育具有明顯的促進作用，施硅能有效提高植株葉片葉綠素含量和光合速率，增加光合產物的積累；硅被植物吸收后主要分布在輸導組織，通過改善礦質元素的吸收，增強根系活力，從而促進植株營養器官的生長[17]。本試驗研究結果表明，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)能顯著地促進蒙古黃芪的生長。可能是施硅一方面提高了葉片葉綠素含量，促進光合產物積累，促進營養元素吸收，另一方面施硅后葉片表面形成的硅化細胞和表皮組織里形成的角質——硅雙層結構使植株抗氧化能力增強，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論一致。但在本研究中，當硅濃度增加到4 000 mg/L時，與其他硅處理相比，蒙古黃芪的生長受到一定的抑制，這表明施硅對蒙古黃芪的生長存在劑量效應，推測原因可能是高濃度硅處理(4 000 mg/L)會對蒙古黃芪根系產生毒害作用，影響礦質養分的吸收，不利于植株的生長。

表3 病情指數與抗氧化酶及丙二醛的相關系數

表4 不同濃度硅處理下蒙古黃芪外觀性狀及產量構成

表5 不同濃度硅處理下蒙古黃芪品質分析

施硅對提高作物產量和品質具有重要作用，目前大多數研究主要集中在禾谷類作物和園藝作物上，均認為施用適宜濃度硅肥能夠提高作物產量和改善品質[24-25]。但在中藥材方面的研究卻鮮有報道。蒙古黃芪以根入藥，藥材根的外觀性狀和品質是衡量藥材根個體質量的重要指標。在本試驗中施硅能增加蒙古黃芪根長、根粗、單根鮮重和單根干重，促進蒙古黃芪增產。分析增產的原因可能是施硅有助于提高蒙古黃芪抗性，進而促進N、P和K等營養元素吸收，提高光合效率，促進地上部分光合產物向地下部分轉運和富集，有助于植株根部生長。同時，施硅后蒙古黃芪的內在品質(水分、灰分、可溶性浸出物和黃芪甲苷含量)均優于2020版《中國藥典》標準，可能與施硅增強植株的抗逆脅迫能力有關，從而提高碳氮代謝產物含量，這與張文晉[26]報道的在旱鹽脅迫下硅提高甘草產量和品質的研究結果相一致。綜合評價不同濃度硅處理對蒙古黃芪生長和品質的影響，認為當硅濃度為2 000 mg/L時具有較好的防病促生作用，能顯著提高蒙古黃芪藥材產量，改善藥材品質。