喷施硅对蒙古黄芪抗氧化酶活性以及产量和品质的影响

吴之涛，张英英，高正睿，魏廷邦，任宝仓*，魏玉杰

(1 甘肃省农业工程技术研究院，甘肃武威 733006；2甘肃省特种药源植物种质创新与安全利用重点实验室，甘肃武威 733006；3 武威市祁连山区道地中药材生态栽培技术创新中心，甘肃武威 733006)

中药材黄芪为豆科植物蒙古黄芪(Astragalusmembranaceusvar.mongholicus)或膜荚黄芪(Astragalusmembranaceus)的干燥根，性温、味甘，具有补气升阳、利尿消肿、托毒生肌的功效[1]，在临床上应用广泛，素有“十药八芪”之称。目前，野生黄芪种质资源日渐稀少，已被列为国家三级保护植物，生产中黄芪药材主要以人工栽培为主[2]。膜荚黄芪在栽培过程中根部形态变异较大，易产生“鸡爪根”，商品性较差，严重影响药材产量和品质，大多数产区主要以蒙古黄芪为栽培品种[3]。黄芪作为甘肃省的道地药材，随着纳入药食同源管理，市场消费需求逐年增大，受耕地面积的限制，黄芪连作种植后导致土壤养分失衡，有害病原菌不断积累，病害发生日趋加重，严重影响黄芪产量和品质，已成为制约该产业高质量发展的重要因素之一[4]。

硅是地壳中第二大元素，虽然该元素不是植物生长必需的矿质元素，但大量研究表明，硅可以增强植物的抗逆耐胁迫能力[5]，促进植物生长并提高产量[6]。目前关于硅的抗性机制研究，主要集中在物理屏障假说和诱导抗性假说两个方面。一部分研究表明，植物施硅处理后能在表皮组织形成硅化细胞，组织硅质化后形成机械屏障以阻碍病原的入侵[7]。另一部分研究表明，植物与病原菌互作过程中，施硅处理能提高植物抗氧化酶活性(SOD、CAT、POD和APX等)，有效清除植物体内活性氧，从而增强植物的抗病能力[8]。

迄今，前人利用硅防治植物病害已有相关报道，其中硅对水稻白叶枯病、稻瘟病[9-10]、小麦白粉病[11]、葡萄白粉病[12]、黄瓜炭疽病[13]、番茄根腐病[14]等病害均有一定的防治效果，但对黄芪病害的防治研究却鲜有报道。本试验以蒙古黄芪为试验材料，研究了喷施不同浓度硅对蒙古黄芪生长发育动态、抗氧化酶活性、药材产量和品质的影响，分析了施硅对黄芪白粉病、根腐病的防治效果，初步揭示了施硅增强黄芪抗病性、提升品质和产量的机理，为大田生产中蒙古黄芪的高效栽培提供了理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地设在国家中药材产业技术体系河西综合试验站试验基地(102°51′0″ E，37° 40′30″ N)，属北温带大陆性干旱气候，干旱少雨，日照充足，昼夜温差大。海拔高度1 786 m，年平均降水量158 mm，蒸发量2 021 mm，年平均气温7.7 ℃，无霜期155 d。试验区土壤为厚层灌漠土，土壤容重1.63 g·cm-3，耕层土壤碱解氮68.5 mg·kg-1，速效磷48.6 mg·kg-1，速效钾283.7 mg·kg-1，有机质含量19.80 g·kg-1，pH值为8.5。试验地前茬作物为黄芪。

1.2 试验材料

供试一年生蒙古黄芪种苗从甘肃省岷县当归城中药材交易市场购买，种苗平均根长(32.75±6.12) cm，根粗(5.13±1.06) mm，单根重(3.86±1.93) g；供试硅肥途保康(可溶性Si≥50 g/L)由江门市植保有限公司生产。

1.3 试验设计

本试验采用单因素随机区组设计，共设置5个处理，硅喷施浓度依次为500、1 000、2 000和4 000 mg/L，CK为喷施等量清水，每个处理又分为苗期(5月27)、开花期(7月8日)和根茎伸长期(9月26日)3个喷施时期。于2021年4月7日大田移栽黄芪种苗，采用露头覆膜栽培方式，行距40 cm，株距15 cm，每个处理3次重复，共15个小区，小区面积为30 m2(7.5 m×4 m)，小区间隔60 cm。各试验小区除喷施硅以外，氮肥施用尿素(纯N约46.6%)，氮肥用量100 kg·hm-2，按基肥∶中期追肥= 2∶1分施，磷肥为过磷酸钙(P2O5约14%)，纯磷施用量150 kg·hm-2，钾肥为氧化钾(K2O约25%)，纯钾30 kg·hm-2均作基肥，其他栽培管理措施同大田一致。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 地上部生长指标每个小区选择30株生长一致的植株挂牌标记，黄芪不同生育时期施硅7 d后测定黄芪株高、株幅、茎粗和叶绿素含量。株高和株幅用卷尺测定；茎粗指距离地面1 cm处主茎直径，采用数显式游标卡尺(0～150 mm)测定；叶绿素含量(SPAD值)用手持式SPAD-502叶绿素仪(日本柯尼卡美能达株式会社)进行测定，时间选择在早上9:00-10:00。

1.4.2 叶片抗氧化酶活性及丙二醛含量黄芪不同生育时期施硅3 d后选取生长部位一致的叶片测定SOD(超氧化物歧化酶)、POD(过氧化物酶)、CAT(过氧化氢酶)、APX(抗坏血酸过氧化物酶)活性和MDA(丙二醛)含量，选用北京索莱宝有限公司生化试剂盒，根据说明书要求，使用SP-765型紫外可见分光光度计(上海光谱仪器有限公司)进行测定。

1.4.3 白粉病和根腐病防效黄芪营养生长后期调查白粉病的发病情况，每个小区随机调查30株，每株调查上中下部位各10片叶子，根据叶片的症状特征计算病情指数。病情分级标准如下[15]：

0级：植株叶片无病斑；

1级：植株叶片病斑面积占叶面积的1/4；

2级：植株叶片病斑面积占叶面积的1/4～1/2；

3级：植株叶片病斑面积占叶面积的1/2～3/4；

4级：植株叶片病斑面积占叶面积的3/4以上。

2021年10月21日黄芪采挖后调查根腐病的发病情况，每个小区随机调查30株，根据根部的病斑特征计算病情指数。病情指数分级标准如下[16]：

0级：健康无病斑；

1级：根部有1～2个黑色凹陷病斑；

2级：根部有3～5个黑色凹陷病斑；

3级：根部有6～10个黑色凹陷病斑，表皮粗糙；

4级：根部有10个以上黑色凹陷病斑，部分病斑连片形成网状纵列。

病情指数=[∑(病级代表值×株数)]/(最高病级代表值×调查总株数)×100

防治效果=(对照病情指数-处理病情指数)/对照病情指数×100%

1.4.4 药材产量及品质挂牌标记的黄芪植株单独采挖(2021年10月21日)，测定根长、根粗、侧根数、单株根鲜重和干重；小区实收后计产，根据小区面积折算产量；黄芪品质委托甘肃数字本草检验中心有限公司检测，对黄芪甲苷含量、灰分和可溶性浸出物进行测定。

1.5 数据分析

试验数据用Microsoft Excel 2013整理，利用SPSS22.0统计分析软件，采用Duncan新复极差法进行差异性显著分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度硅处理对蒙古黄芪生长发育动态的影响

在不同生育时期喷施不同浓度硅以后，蒙古黄芪株高、茎粗、株幅、叶绿素含量均不同程度地高于同期对照(表1)。其中，各硅浓度处理蒙古黄芪株高在苗期、开花期、根茎伸长期均显著高于对照，但不同浓度处理间差异不显著；各生育时期不同浓度硅处理对茎粗影响大多不显著，仅苗期硅浓度为500 mg/L时、根茎伸长期硅浓度2 000 mg/L时显著高于对照，增幅分别为23.10%和30.05%。硅浓度为2 000 mg/L时，株幅在开花期各浓度处理、苗期除2 000 mg/L处理、根茎伸长期1 000和2 000 mg/L处理均显著高于对照，同期各浓度处理间大多无显著差异；各生育时期施硅处理对植株叶绿素含量与对照均无显著差异。可见，在蒙古黄芪生长前期，低浓度硅处理有助于植株生长发育，而在生长中后期中高浓度硅处理的促生作用较好。

表1 不同浓度硅处理下蒙古黄芪生长指标的变化

表2 不同浓度硅处理对蒙古黄芪白粉病、根腐病的防治效果

2.2 不同浓度硅处理对蒙古黄芪抗性氧化酶活性和丙二醛含量的影响

图1显示，蒙古黄芪3个生育时期施硅处理的SOD、CAT、POD和APX活性均不同程度高于同期对照，且整体均随着硅浓度的增加呈先升高后降低趋势。其中，蒙古黄芪SOD活性仅在开花期当硅浓度为2 000 mg/L时与对照差异显著，增幅达到56.45%，其他时期各处理间与对照差异均不显著。CAT活性苗期、开花期和根茎伸长期2 000 mg/L浓度处理显著高于对照，增幅分别达到178.10%、141.85%和200.99%，除根茎伸长期500、1 000 mg/L浓度处理外，其余时期其他处理间与对照均无显著差异。POD活性随生育期推进整体表现为增加趋势，并在开花期、根茎伸长期2 000 mg/L浓度处理时显著高于对照，增幅分别达到34.59%和33.20%，除苗期4 000 mg/L浓度处理外，其余时期其他处理间与对照差异不显著。APX活性仅在根茎伸长期2 000 mg/L处理下显著高于对照，增幅为207.74%，其他生育期与对照差异不显著。同时，蒙古黄芪3个生育时期施硅处理的MDA含量均低于对照，且整体随着硅浓度的增加有逐渐降低的趋势，但同期各处理间与对照间均差异不显著。可见，蒙古黄芪抗氧化酶活性在各生育期不同浓度施硅处理下大多无显著变化，未受到过氧化伤害，但在开花期、根茎伸长期喷施2 000 mg/L硅多有利于显著提高。

2.3 不同浓度硅处理对蒙古黄芪白粉病、根腐病的防治效果及其与抗氧化酶活性间关系

表2显示，不同浓度硅处理对蒙古黄芪白粉病、根腐病均有一定的防治效果。其中，各硅处理对蒙古黄芪白粉病的病情指数和防治效果与对照相比均达到显著水平，且当硅浓度为2 000 mg/L时病情指数最低(28.24)、防效最高(47.05%)，但各硅处理间均无显著差异。各硅处理对蒙古黄芪根腐病的病情指数和防治效果分别在34.07～42.96、23.19%～39.08%之间，也以2 000 mg/L硅处理病情指数最低、防效最佳，显著高于其他处理。

同时，从表3可以看出，蒙古黄芪白粉病、根腐病病情指数与CAT、POD、SOD和APX活性呈负相关，其中白粉病病情指数与POD活性、根腐病病情指数与APX活性的相关系数均达到显著水平；而白粉病、根腐病病情指数均与MDA含量呈显著正相关。

2.4 不同浓度硅处理对蒙古黄芪产量和品质的影响

蒙古黄芪采挖后对药材外观性状指标和产量进行测定，结果显示(表4)：不同浓度硅处理蒙古黄芪的根长、根粗、单根鲜重和单根干重均不同程度高于对照，侧根数均低于对照。其中，根长在500 mg/L硅处理下达到最大值，根粗在2 000 mg/L硅处理下达到最大值，侧根数此时达到最小值，但在各施硅处理及对照间均无显著差异；单根鲜重、单根干重和产量均在2 000 mg/L硅处理下达到最大值，且在此时与对照差异显著，增幅分别为30.97%、33.79%和32.29%，它们在其他硅处理下与对照无显著差异。

同时，不同浓度硅处理对于提升蒙古黄芪品质具有促进作用(表5)，施硅处理和对照黄芪药材水分、灰分、可溶性浸出物和黄芪甲苷含量均优于2020版《中国药典》标准。其中，各硅处理黄芪药材水分和灰分均不同程度低于对照，但仅硅浓度为500和4 000 mg/L时的灰分含量降幅达到显著水平，所有处理水分含量和1 000、2 000 mg/L施硅处理的灰分含量均与对照差异不显著。各施硅处理的可溶性浸出物和黄芪甲苷含量均不同程度高于对照，但仅在2 000 mg/L硅处理下显著高于对照和其他处理，此时分别比对照显著提高了16.48%和31.96%。

3 讨 论

硅对植物的生长发育具有明显的促进作用，施硅能有效提高植株叶片叶绿素含量和光合速率，增加光合产物的积累；硅被植物吸收后主要分布在输导组织，通过改善矿质元素的吸收，增强根系活力，从而促进植株营养器官的生长[17]。本试验研究结果表明，不同浓度硅处理均能提高蒙古黄芪的株高、茎粗和株幅，适宜的硅浓度(1 000 mg/L和2 000 mg/L)能显著地促进蒙古黄芪的生长。可能是施硅一方面提高了叶片叶绿素含量，促进光合产物积累，促进营养元素吸收，另一方面施硅后叶片表面形成的硅化细胞和表皮组织里形成的角质——硅双层结构使植株抗氧化能力增强，提高了蒙古黄芪的抗病能力。这与Mateos-Naranjo[18]、郑世英等[19]在不同作物上施硅的研究结论一致。但在本研究中，当硅浓度增加到4 000 mg/L时，与其他硅处理相比，蒙古黄芪的生长受到一定的抑制，这表明施硅对蒙古黄芪的生长存在剂量效应，推测原因可能是高浓度硅处理(4 000 mg/L)会对蒙古黄芪根系产生毒害作用，影响矿质养分的吸收，不利于植株的生长。

表3 病情指数与抗氧化酶及丙二醛的相关系数

表4 不同浓度硅处理下蒙古黄芪外观性状及产量构成

表5 不同浓度硅处理下蒙古黄芪品质分析

施硅对提高作物产量和品质具有重要作用，目前大多数研究主要集中在禾谷类作物和园艺作物上，均认为施用适宜浓度硅肥能够提高作物产量和改善品质[24-25]。但在中药材方面的研究却鲜有报道。蒙古黄芪以根入药，药材根的外观性状和品质是衡量药材根个体质量的重要指标。在本试验中施硅能增加蒙古黄芪根长、根粗、单根鲜重和单根干重，促进蒙古黄芪增产。分析增产的原因可能是施硅有助于提高蒙古黄芪抗性，进而促进N、P和K等营养元素吸收，提高光合效率，促进地上部分光合产物向地下部分转运和富集，有助于植株根部生长。同时，施硅后蒙古黄芪的内在品质(水分、灰分、可溶性浸出物和黄芪甲苷含量)均优于2020版《中国药典》标准，可能与施硅增强植株的抗逆胁迫能力有关，从而提高碳氮代谢产物含量，这与张文晋[26]报道的在旱盐胁迫下硅提高甘草产量和品质的研究结果相一致。综合评价不同浓度硅处理对蒙古黄芪生长和品质的影响，认为当硅浓度为2 000 mg/L时具有较好的防病促生作用，能显著提高蒙古黄芪药材产量，改善药材品质。