微量元素缺乏对党参幼苗表观特征和生长的影响及部分生理特性测定

廉家敏， 陈 实， 王 立， 高 峰， 罗国庆， 王渭玲

(1.西北农林科技大学生命科学学院， 陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学化学与药学院， 陕西 杨凌 712100)

党参为桔梗科植物党参[Codonopsispilosula(Franch.) Nannf.]、素花党参[CodonopsispilosulaNannf.var.modesta(Nannf.) L. T. Shen]或川党参[CodonopsistangshenOliv.]的干燥根。性味甘、平，归脾、肺经，具有健脾益肺，养血生津之功效，为传统大宗药材之一，广泛分布于山西、陕西、甘肃等地区[1]。随着医疗水平及人们保健意识的提高，野生党参已满足不了市场需求，人工栽培党参的需求量逐年增加。土壤作为种植党参的营养基础，为党参提供生长所需的大量元素和次生代谢物积累所需的微量元素[2-3]。目前，大量元素氮、磷、钾及微量元素铁、锰、铜、锌等缺乏已经成为全球石灰性土壤中重要的营养失调问题[4]，我国北方干旱半干旱地区及石灰性土壤地区存在相当面积微量元素缺乏的土壤[5]。有关大量元素氮、磷、钾的缺乏对中药材如黄芪[6]、党参幼苗形态建成及抗逆性的影响[7]已有一些报道，微量元素在烟草、蔬菜、小麦、玉米等作物方面的作用亦多有报道。李宇、蒋红娟[8]发现，配施锌、钼、硼等微量元素能够在一定程度上缩短烟草生长周期，提高烟叶产量和质量；刘坤[9]对23种蔬菜中锌含量进行了监控与测定，推算锌含量与蔬菜食用之间的安全临界值；李春霞[10]研究了铁、锰等微量元素对小麦生长与吸收的影响，发现微量元素肥料能有效调节小麦光合性能，促进小麦生长；任先顺等[11]发现，在玉米生长过程中添加适量的硼、锌等微量元素能够提高玉米光合速率；周文[12]研究表明，对西瓜施用硼元素达0.125 g/株时产量显著增加。中药材种植与微量元素之间的关系也有一定研究，黄毅[13]揭了不同生长时期黄芪根中钙、镁等微量元素的变化规律；曹鲜艳[14]探究了铁、锰、铜、锌四种微量元素在黄芩生长过程中各生长部位的含量分布及动态变化，在一定程度上反映了微量元素与黄芩生长的关系；杨相[15]探究了黄芪不同生长时期对锰、钼、硼微量元素的需求，对大田微肥的施用有一定的指导作用。但关于微量元素的缺乏与党参形态建成、养分吸收及分布之间的相关性研究还很少。本试验采用人工控制营养液培养方法，研究铁、锰、铜、锌元素缺乏时党参幼苗的生长发育状况、营养缺乏症状、生理和营养特性，旨在为不同缺素地区党参的营养诊断与科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用的党参种子由陕西本草堂生物科技有限公司提供，经西北农林科技大学刘虎歧副教授鉴定为素花党参种子。

1.2 试验方法

精选籽粒饱满的党参种子于40～50 ℃温水中搅拌加入，待水温与手温相同时，再继续浸泡5 min，于纱布袋中过滤，清水冲洗干净，将种子整齐放于直径12.5 cm纸质发芽床上，于25 ℃，12 h/d的光照培养箱中进行发芽。待胚根长1 cm左右，移至育苗盆中，上覆0.5 cm基质，待其出苗至6～8 cm高时，挑选生长一致的幼苗进行营养缺素培养。试验设5个处理组：全营养液(ck)、缺铁(-Fe)、缺锰(-Mn)，缺铜(-Cu)、缺锌(-Zn)，每个处理6株，重复6次。改良了王渭玲等[6]的培养方法：在不透明培养缸上(35 cm×20 cm×10 cm)搭PVC发泡板，在板上打直径为6 mm的小孔，将党参幼苗的根穿过小孔并用脱脂棉固定，使幼苗的根部浸没在营养液中培养。每天用氧气泵向营养液中通气30 min，每隔3 d调节pH值至5.8，每7 d更换一次营养液。试验用水均为蒸馏水，化学试剂均为分析纯。

1.3 党参幼苗生理生化指标测定

在党参幼苗生长期间每天观察缺素症状并记录，每隔7 d对株高、根长和叶片数进行测定。取28 d的新鲜样品，测定生理指标[16-17]：叶绿素含量采用丙酮测定法；根系活力采用TTC法测定；可溶性蛋白采用考马斯亮蓝法测定；过氧化物歧化酶(POD)活性采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量采用紫外吸收法测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用邻苯三酚自氧化法测定。同时取新鲜植物，将植物置于烘箱中105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干，分别将地上与地下部分[14]用粉碎机粉碎，过100目筛，分别进行氮、磷、钾营养元素测定[18]：全氮采用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法测定；全磷采用钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，应用SPSS 19.0、Origin 9.0数据处理软件进行分析，Duncan法和LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 微量元素缺乏对党参幼苗的表观及生长的影响

2.1.1微量元素缺乏对党参幼苗表观的影响

党参幼苗营养液培养试验证明，植株在不同处理的缺素培养下，表现出不同的生长状况。

缺Fe：与ck相比，植株在处理第4天时，顶部嫩叶先失绿，叶色稍黄；处理第7天时，顶部叶片叶缘卷曲，叶脉也失绿而使叶片呈均一黄色；处理第17天时，部分植株顶部叶片枯萎，植株开始停止生长；处理第28天时，植株完全停止生长，植株矮小，叶片卷曲枯萎严重。

缺Mn：与ck相比，植株在处理第7天时，顶部幼嫩叶片失绿稍黄，叶脉仍呈现绿色；处理21 d时，叶片少而稀，底部叶片叶缘发黄，茎秆瘦弱，节间增长，侧枝分支少。

缺Cu：与ck相比，植株在处理第14天时，顶部嫩叶失绿稍黄；处理第28天时，幼叶发黄，叶尖萎蔫，叶片变小，侧枝增多。

缺Zn：与ck相比，在处理第14天时，植株矮化，叶片少而小，叶片扩展和伸长受抑制；处理第28天时，根部稀疏而细长，底部叶片叶缘萎蔫并呈焦黑状，部分老叶出现白色斑点，节间缩短，侧枝不发达。

图1 不同微量元素缺乏对党参幼苗形态的影响Fig.1 Effects of lack of different trace elements on the morphology of Codonopsis pilosula seedings

2.1.2微量元素缺乏对党参植株生长的影响

不同缺素处理对党参根长的影响见图2。与ck相比，缺Fe处理下党参根长生长明显缓慢；缺Zn处理下党参在第3周后根长生长显著增快；而缺Mn、缺Cu处理下党参根长生长则无明显增长趋势。

图2 不同缺素乏处理对党参根长的影响Fig.2 Effects of lack of different trace elements on root growth of Codonopsis pilosula

不同缺素处理对党参株高的影响见图3。与ck相比，缺Fe处理下第3周后株高变化不大；缺Mn、缺Cu处理下第2周后株高生长明显增快；缺Zn处理下第3周时株高生长明显缓慢。

图3 不同缺素处理对党参株高的影响Fig.3 Effects of different element deficiency treatments on plant height of Codonopsis pilosula

不同缺素处理对党参叶片数的影响见图4。与ck相比，缺Fe、缺Zn处理下第3周时叶片显著减少；缺Mn处理组下第4周时叶片增长数量显著减少；而缺Cu处理组下党参叶片数无显著性差异。

图4 不同缺素处理对党参叶片数的影响Fig.4 Effects of different element deficiency treatments onnumber of blades of Codonopsis pilosula

2.2 微量元素缺乏对党参幼苗生理特性的影响

2.2.1对叶绿素的影响

不同缺素处理对党参幼苗叶片叶绿素的影响见表1。与ck相比，4种缺素处理下叶绿素含量均降低，其中缺Fe处理下党参幼苗叶绿素含量显著最低，缺Zn次之。

表1 微量元素缺乏对党参幼苗叶绿素的影响Table 1 Effects of trace element deficiency on chlorophyll of Codonopsis pilosula seedlings

2.2.2对根系活力和可溶性蛋白的影响

不同缺素处理对党参幼苗根系活力和可溶性蛋白的影响见表2。与ck相比，缺Fe与缺Mn处理下党参幼苗根系活力显著升高；缺Cu与缺Zn处理下党参幼苗根系活力显著降低；4种缺素处理下党参幼苗可溶性蛋白含量均降低，且差异显著。

表2 微量元素缺乏对党参幼苗根系活力和可溶性蛋白的影响Table 2 Effects of trace element deficiency on root vigor and soluble protein of Codonopsis pilosula seedlings

2.2.3对幼苗抗氧化系统的影响

不同缺素处理对党参幼苗抗氧化系统的影响见表3。与ck相比，缺Fe处理下SOD、POD酶活性和MDA含量均明显降低(p<0.05)；缺Mn与缺Cu处理下SOD、POD活性显著高于对照(p<0.05)；4个处理下MDA含量均降低；CAT活性无显著性差异，但缺Fe处理下活性相对降低，其他处理活性相对升高。

表3 微量元素缺乏对党参幼苗抗氧化系统的影响Table 3 Effects of trace element deficiency on antioxidant system of Codonopsis pilosula seedlings

2.3 不同缺素处理党参幼苗大量元素分布差异

不同缺素处理下党参幼苗地上地下部分全N、全P、全K的分布差异见表4。

表4 微量元素缺乏下党参幼苗全N、全P、全K的分布差异Table 4 Differences in the distribution of total N, total P and total K of Codonopsis pilosula seedlings in the absence of trace elements

与ck相比，4种缺素处理下党参幼苗地上部位全N分布显著降低；缺Fe处理下党参幼苗地下部位全N分布显著降低，而缺Mn、缺Cu及缺Zn处理下党参幼苗地下部位全N分布显著升高。

与ck相比，4种缺素处理下党参幼苗地上部位全P分布显著升高；缺Fe处理下党参幼苗地下部位全P的分布显著降低，而缺Cu与缺Zn处理下党参幼苗地下部位全P的分布均显著升高，缺Mn处理下则无明显差异。

与ck相比，缺Fe、缺Mn及缺Zn处理下党参幼苗地上部位全K的分布均显著升高，而缺Cu处理下则无明显差异；缺Fe、缺Mn处理下党参幼苗地下部位全K的分布明显升高，而缺Cu、缺Zn处理下无明显差异。

3 讨 论

3.1 微量元素缺乏影响党参光合作用及部分基因表达

在党参生长过程中，发现各处理下植株生长均受影响，缺素处理对党参的生长影响主要集中在两个方面： 1) 微量元素Fe、Mn、Cu、Zn参与党参幼苗的光合反应过程，缺乏某一种元素都会破坏某些酶和电子传递链的组成，从而抑制叶绿体蛋白和叶绿素的合成； 2) 微量元素缺乏，会诱导如H+-ATPase等一系列相关基因的表达。本试验中各微量元素缺乏处理下叶绿素含量均显著降低，表明微量元素参与光合作用的生理与分子水平过程，从一定程度上反映了微量元素对党参的表观生长影响与生理机制密切相关，且植物体对缺素胁迫有一定的响应，如缺Fe胁迫会导致线粒体羧酸(柠檬酸)的合成变化从而影响信号通路的传导[19]；Mn元素缺乏会上调细胞外基质、细胞表面结构和细胞粘附相关的基因[20]；缺Cu可能会改变膜的流动性，抑制叶绿体中光合系统电子传输[21]；叶绿体(GRMZM2G021687、PSA2)基因的表达谱会随缺Zn胁迫而改变[22]；但是如何调节植物对Fe、Mn、Cu、Zn等元素的吸收及相应细胞器功能，还有待进一步深入研究。

3.2 不同微量元素缺乏对党参幼苗体内氮、磷、钾含量有不同调节作用

在“农作物-土壤”系统内，作物生长过程所需的各种营养元素并不是孤立存在的，每一种营养元素在作物体内的分布也影响其他元素的有效性。氮、磷、钾肥作为肥料的三要素，研究微量元素缺乏下党参幼苗对氮、磷、钾的吸收及分布能从一定程度上指导农业生产。本试验结果表明，微量元素缺乏均降低了党参幼苗地上部分含氮量，表明适量的微量元素供应能促进党参幼苗地上部分含氮量提高，这与郑璞帆等[23]叶面喷施微量元素能提高烤烟氮含量的结论相一致，微量元素缺乏可能抑制了党参幼苗地上部位氮循环的过程，使根系吸收的氮累积在根部；微量元素缺乏均提高了党参幼苗地上部位全磷含量，缺Cu、缺Zn处理也提高党参幼苗地下部位全磷含量，提微量元素Fe、Mn、Cu、Zn的缺乏可能在一定程度上提高植株对全磷的吸收，但是其吸收机制目前尚不清楚[24]；微量元素缺乏均使党参幼苗地上、地下部位全钾含量提高，说明微量元素Fe、Mn、Cu、Zn的缺乏可能提高了处理期内党参幼苗的抗逆性，光合作用增强，光合产物增加。关于微量元素缺乏后植物怎样调节氮、磷、钾在植物体内的循环机制及其适应性，还有待更深入研究。

我国中药材种植中，土壤微量元素缺乏问题比较常见。本试验为党参在不同缺素地区的耐性和敏感性研究提供了一定的科学依据，但是针对党参对缺Mn和缺Cu的耐性、缺素与党参矿质元素转运以及标志性次生代谢产物合成之间的相关性，需要进一步探究和验证。