000000b0_刘大会-土壤水分含量对丹参幼苗生长及有效成分的影响.doc

土壤水分含量对丹参幼苗生长及有效成分的影响刘大会1, 2，郭兰萍1*收稿日期基金项目 国家博士后基金（20080440502），国家自然科学基金（81072989），国家科技重大专项（2009zx09502-026，2009zx09301-005, 2009zx09308-002）通讯作者 *郭兰萍，Tel：010-64011944，E-mail: glp01126.com，黄璐琦1，金 航2，吴丽华2，曾艳1，张霁2，杨雁2(1. 中国中医科学院 中药研究所，北京，100700；2. 云南省农业科学院 药用植物研究所，云南 昆明，650231)摘要 目的：研究不同土壤水分含量对丹参幼苗生长和有效成分积累的影响，为丹参规范化栽培中水分管理提供理论依据。方法：采用盆栽土壤水分胁迫试验方法，对不同土壤水分含量条件下丹参植株生长发育、生物量以及有效成分丹参酮、丹酚酸B和矿质元素积累进行研究。结果：土壤严重干旱和水分过多将严重影响丹参植株生长发育，并也影响其药材产量和品质（外观和内在）的形成。轻度干旱则可显著提高丹参地上及地下的生物量，促进根部二氢丹参酮、隐丹参酮、丹参酮和丹参酮A 4种丹参酮组分以及丹酚酸B的合成与积累，并也增强植株对磷、钾、钙、镁、锰、锌、铜和铁等矿质元素的吸收与积累。结论：丹参苗期田间土壤水分以55%60%为宜，生产上建议丹参种植实行起垄栽培并做好田间排灌，以保持适当土壤水分含量，提高药材产量和品质。关键词 丹参；土壤水分；丹参酮；丹酚酸B；矿质元素 丹参（Salvia miltiorrhiza Bge.）是唇形科鼠尾草属植物，其干燥根及根茎为我国传统大宗中药，具有祛瘀止痛、活血通经、清心除烦的功效，并有“一味丹参，功同四物”之誉。丹参现主要为栽培药材，随着制药工业上对丹参药材需求量不断增加，其种植面积也不断扩大。如何规范丹参田间种植生产，提高栽培药材的质量和产量，特别是保证丹参中有效成分丹参酮和丹酚酸的含量稳定，现是生产上迫切需要解决的问题。土壤水分是影响植物生长发育的最重要因子之一，也是决定植物地理分布及限制农作物产量和品质的重要环境因素。随着中药资源生态学的发展，土壤水分状况和水分胁迫对药用植物生长发育、产量和品质形成的调控作用也引起大家的重视。李霞等1研究了水分胁迫对黄檗幼苗生长及其小檗碱、药根碱和掌叶防己碱含量的影响，发现干旱和水涝都导致黄檗幼苗生长受抑，而轻度干旱有利于上述3种生物碱的合成与积累，水涝则是导致上述3种生物碱的含量显著降低。谭勇等2研究了水分胁迫对菘蓝生长和有效成分积累的影响，发现水分胁迫和水分过多都不利于菘蓝根部靛玉红含量积累，而中度水分胁迫能促进靛玉红含量积累。郭巧生等3研究了不同水分处理对夏枯草果穗产量和品质的影响，发现80%85%时有利于夏枯草中熊果酸的积累。高扬等4也研究了不同土壤水分条件下丹参植株的耗水特征与水分利用率，发现土壤水分对丹参植株生长发育和产量形成具有明显的调控作用。但至今尚缺乏土壤水分对丹参药材主要药用成分丹参酮和丹酚酸以及矿质元素积累影响的基础研究。为此，本试验通过控制土壤供水，比较了不同土壤水分含量下丹参幼苗植株生长发育和药用成分积累的差异，旨在探讨培育条件对丹参幼苗生长和药用成分的影响，为丹参规范化栽培中水分管理提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验材料试验于2008年在中国中医科学院中药研究所人工气候室进行，人工气候室丹参试验期间运行参数如下：温度：2030（06:30时温度为20，6:3014:00时温度为20 - 30，14:000时温度为30- 20）；光照周期: 6:3018:30；光照强度：225450 umol.m-2.s-1（6:3010:00时和15:0018:30时光照强度为225 umol.m-2.s-1，10:0015:00时光照强度为450 umol.m-2.s-1），大气湿度：50% 70%。供试丹参种子来源于陕西省商洛市天津天士力丹参GAP种植基地。试验用土壤为褐土，取自中国医学科学院药用植物研究所试验基地，基本理化性状：pH 7.62，有机质1.40%，全氮0.076%，全磷0.083%，全钾2.33%，碱解氮50.90 mg/kg，有效磷30.72 mg/kg，速效钾95.60 mg/kg，有效钙3800 mg/kg，有效镁237 mg/kg，有效铜2.54 mg/kg，有效锌2.38 mg/kg，有效铁6.76 mg/kg，有效锰19.9 mg/kg，土壤最大田间持水量为24%。1.2 试验设计盆栽试验采用聚乙烯塑料钵（直径为10cm、盆高20cm），每盆土2.0 kg。丹参播种时间为 2008年10月10日，出苗后每盆留1株丹参苗。待出苗30天后，苗大小为8-10叶1心（11月17日）时进行土壤水分处理。试验设4个土壤水分处理，即土壤含水量保持在土壤最大田间持水量的15%20%（W1，严重干旱）、35%40%（W2，中度干旱）、55%60%（W3，轻度干旱）、75%80%（W4，充分供水）。采用称量法进行人工水分控制，每天下午18:00进行补水，用精度0.1 g电子秤称量。试验设4次重复。土壤水分处理60天后（2009年1月17日）结束试验，进行采样分析。1.3 测定指标与方法1.3.1 植株生长和产量的观察测定用常规方法测定植株株高、叶片数、侧芽数、叶长、叶片大小、根长、侧根数、根粗、地上干重、地下干重以及折干率等指标。1.3.2 丹参酮的测定采用HPLC指纹图谱法分析测定丹参根中丹参酮类成分。色谱条件： Waters高效液相色谱仪系统（2695泵，2996紫外检测器）；色谱柱为Waters MS C18 柱(5m，3.9 mm×150 mm)；流动相：乙腈-水，A：45%乙腈，B：82%乙腈；梯度洗脱，A溶液在梯度洗脱过程中的体积分数的变化如下：0-10min，90%80%；10-12 min，80%；1213 min，80%75%；13-15 min，75%40%；15-20 min，40%0%；20-25 min，0%90%；流速为1.0 mL/min；柱温：30；进样量：20 L；检测波长：270nm；记录时间：25 min。样品测定：精密称取丹参根样品粉末0.15g，置具塞三角瓶中，加25mL甲醇，称重并浸泡12h，在30下超声浸提30min，放冷，补充甲醇至原重，摇匀滤过，取滤液过0.45m滤膜超滤，并依上法测定（见图1-A）。123412341.二氢丹参酮；2.隐丹参酮；3.丹参酮；4.丹参酮A图1 丹参药材样品（A）和丹参酮组分对照品（B）色谱图标准曲线：分别精密称取二氢丹参酮、隐丹参酮、丹参酮和丹参酮A标准对照品适量，用甲醇溶解定容，并依上法测定（见图1-B）。所用标准对照品由中国药品生物制品检定所提供。1.3.3丹酚酸B的测定参照中国药典2005版的高效液相色谱法测定丹参根中丹酚酸B含量5。所用丹酚酸B标准对照品由中国药品生物制品检定所提供。1.3.4 矿质元素含量的测定 将植物样品粉碎过20目筛，采用凯氏定氮法测定氮6，钼锑抗比色法测定磷6，火焰光度法测定钾6，原子吸收法测定钙、镁、铁、锰、铜、锌6。2 结果与分析2.1 土壤水分含量对丹参幼苗生长和生物量的影响从表1可知，随着土壤水分含量的提高，W1W3处理植株的株高、叶片数、侧芽数、羽叶长、羽叶顶部小叶长和宽、主根长、主根粗和侧根数均显著大幅增加；同W1处理相比，W3处理植株上述指标分别增加了0.74、1.69、10.50、1.00、0.80、0.89、0.98、0.66和1.96倍。但充分供水（W4处理）会因土壤过湿而明显抑制了丹参地下部分生长发育，同W3处理相比，W4处理主根长、主根粗和侧根数分别降低了35.81%、42.65%和56.14%。上述结果表明，水分逆境（严重干旱和水分过多）对丹参生长发育有着较大抑制作用。从表1还可知，丹参对土壤水分含量要求较高，轻度干旱处理（W3）丹参幼苗叶重、根重和总重均较高，水分逆境则是明显限制了丹参各部位生物量的提高。丹参根部折干率和根/冠比一般是随着土壤水分含量的提高，呈大幅降低的趋势，这表明土壤水分对丹参地上与地下部分同化物质的分配具有明显的调控作用。表1还表明，土壤水分过多（W4）对丹参地下部分生长和生物量有着严重的抑制作用，同W3处理相比，W4处理地上部分叶重仅下降了15.60%，但地下部分根重、根部折干率和根/冠比则是分别下降了65.16%、30.88%和58.44%，这表明土壤水分过多将会导致丹参只长茎叶而不长根。而且，试验中还发现充分供水处理丹参根部因水分过多，还导致其根表皮开裂且根皮颜色发白，降低了丹参药材外观品质。3.2 土壤水分含量对丹参植株丹参酮组分和丹酚酸B的影响表2表明，土壤水分含量对丹参根部二氢丹参酮、隐丹参酮、丹参酮和丹参酮A 4种丹参酮组分的含量和累积量也有显著影响。W1W3处理的4种丹参酮组分的含量和累积量及其丹参酮组分总累积量，随着土壤水分含量的提高呈逐步增加的趋势；其中，W3处理4种丹参酮组分含量比W1处理分别增加了118.71%、14.15%、99.24%和82.25%，累积量分别增加了7.36、3.25、5.69和4.85倍，而4种丹参酮的总累积量则是增加了4.68倍。但土壤水分过多后（W4）则会导致丹参根部4种丹参酮组分含量和累积量及丹参酮组分的总累积量显著大幅降低，甚至各项指标比严重干旱处理（W1）还低（除丹参酮A累积量略高外）。上述结果表明，轻度干旱有助于丹参植株丹参酮的合成与累积，土壤严重干旱和水分过多均对丹参植株丹参酮合成与累积有明显抑制作用。表1 土壤水分含量对丹参幼苗生长发育及生物量的影响（± s, n=4）处 理株高/ cm叶片数/ 个侧芽数/ 个羽叶长/ cm羽叶顶部小叶大小主根长/ cm长 /cm宽 /cmW1 9.98±3.05 b22.00±5.89 c0.00±0.00 b 8.86±2.13c3.81±0.89 b3.49±0.93 b9.13±1.70 cW215.12±2.36 a37.00±12.91 bc8.50±2.38 a12.56±1.24b5.62±0.24ab4.58±0.65 a15.90±4.91 abW317.32±2.46 a59.25± 7.18 a10.50±1.68a17.73±0.53a6.86±1.92 a6.61±1.12 a18.07±3.81 aW416.25±0.90 a50.50±10.03 ab9.00±0.00 a13.98±0.98b6.03±1.12 a5.13±0.88 a11.60±2.18 bc处 理主根粗/ cm侧根数/ 个叶重/ g/株根重/ g/株总重/ g/株根部折干率/ %根 / 冠比W10.82±0.03 b 6.50±3.70 b1.59±0.31 c1.79±0.38 b3.39±0.69 c21.82 ±2.41a1.12 ±0.02 aW21.10±0.16 ab11.00±4.97 b5.23±1.33 b4.58±1.58 a9.58±0.62 b18.00±2.25 b0.92±0.02 bW31.36±0.25 a19.25±8.54 a8.78±0.89 a6.86±1.91 a15.65±1.02a18.46±1.50ab0.77±0.26 abW40.78±0.06 b 8.25±2.22 b7.41±1.37ab2.39±0.40 b9.81±1.76 b12.76±1.17 c0.32±0.02 c表2 土壤水分含量对丹参根中丹参酮组分及丹酚酸B含量和累积量的影响（± s, n=4）处 理二氢丹参酮隐丹参酮丹参酮质量分数/ %累积量/ mg/株质量分数/ %累积量/ mg/株质量分数/ %累积量/ mg/株W10.0155±0.0008bc0.28±0.06 c0.0643±0.0153 ab1.17±0.42 bc0.0262±0.0047 b0.51±0.12 bW20.0194±0.0028 b0.88±0.28 b0.0457±0.0133 bc1.84±0.89 b0.0272±0.0087 b1.15±0.69 bW30.0339±0.0047 a2.34±0.75 a0.0734±0.0075 a4.97±1.05 a0.0522±0.0081 a3.41±1.32 aW40.0088±0.0050 c0.21±0.18 c0.0268±0.0108 c0.62±0.44 c0.0164±0.0099 b0.47±0.29 b处 理丹参酮A丹酚酸B丹参酮总累积量/ mg/株质量分数/ %累积量/ mg/株质量分数/ %累积量/ mg/株W10.1003±0.0424 bc2.13±0.77 c4.63±1.02 b77.48±29.45 c4.08±1.33 cW20.1356±0.0026 ab6.17±2.05 b5.43±1.18 b222.93±69.29 b10.04±3.65 bW30.1828±0.0263 a12.45±3.37a8.29±1.49 a580.97±103.43a23.17±6.24 aW40.0782±0.0582 c2.36±1.71 c5.90±0.93 b152.68±36.72 b3.66±1.64 c不同水分处理丹参根部丹酚酸B含量的高低为W3 >W4 >W2> W1，累积量的高低为W3 >W2 >W4> W1。这表明土壤过度干旱（W1和W2）和水分过多（W4）也不利于丹参根部丹酚酸B成分的合成和累积。特别是严重干旱处理（W1），其丹酚酸B的含量和累积量较轻度干旱处理（W3）分别下降了44.15%和86.66%。3.3 土壤水分含量对丹参植株矿质元素的影响土壤水分含量对丹参植株矿质元素含量也有显著影响。从表3可知，随着土壤水分含量增加，显著促进了丹参植株对磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、锰（Mn）、锌（Zn）和铜（Cu）等7种矿质元素的吸收，7种元素在丹参叶和根中含量较W1处理显著增加。但土壤水分过多（W4）也会对丹参植株Zn和Cu的吸收有一定的抑制作用，导致丹参叶和根中两元素的含量较轻度干旱处理（W3）有一定幅度的下降。丹参根部铁（Fe）元素含量是随着土壤水分含量增加而逐步增加；而叶部则相反，其Fe元素含量是随着土壤水分含量增加而逐步降低。另外，W2和W3处理丹参叶部和根部氮（N）元素含量较其他处理有一定幅度降低，特别是W3处理的下降幅度还非常大，这可能是由于W3处理植株生物量比较大，从而存在一定的“稀释效应”。表3 土壤水分含量对丹参植株矿质元素含量的影响（± s, n=4）处理N /%P /%K /%Ca /g/kgMg /g/kg叶根叶根叶根叶根叶根W12.29±0.12 a1.58±0.15 a0.21±0.05 c0.20±0.02 c1.53±0.21 b1.06±0.08 a13.35±0.21 b2.31±0.51 b12.41±1.54 a6.29±0.90 cW22.04±0.13 a1.79±0.27 a0.30±0.02 b0.25±0.01 b2.15±0.35 a1.13±0.06 a14.66±1.12 ab3.47±0.46 a13.35±0.59 a8.81±0.13 aW31.53±0.40 b1.16±0.24 b0.36±0.04 a0.26±0.02 b2.40±0.18 a1.17±0.04 a14.68±1.66 ab3.56±0.56 a12.87±0.54 a7.59±0.25 bW42.21±0.30 a1.86±0.25 a0.37±0.03 a0.35±0.04 a2.08±0.27 a1.22±0.08 a18.14±3.87 a3.68±1.12 a12.75±0.37 a9.71±0.17 a处理Fe /g/kgMn /mg/kgZn /mg/kgCu /mg/kg叶根叶根叶根叶根W10.99±0.21 a0.07±0.01 c30.87±1.73 b14.31±0.68 c27.29±3.46 a19.56±1.97 b8.68±1.41 b4.82±1.51 cW20.66±0.13 b0.12±0.03 b35.63±7.52 ab18.52±1.85 b29.38±5.58 a27.36±1.69 a9.92±1.36 b6.68±1.74 bcW30.52±0.05 b0.13±0.02 b37.72±4.21 ab22.37±1.15 ab36.11±4.07 a32.18±2.23 a12.43±0.33 a10.05±0.10 aW40.34±0.03 c0.27±0.04 a39.29±7.89 a25.01±3.34 a32.40±5.98 a31.47±5.74 a11.20±0.53 a8.39±1.16 ab3 讨论本研究再次证明土壤水分对丹参植株生长发育和产量形成有着显著的调控作用4。在干旱条件下，丹参植株会明显通过限制地上部分生长，减少水分蒸发，并将植株地上部分转化的同化产物尽量向地下部分的转运，提高根部的比重，增强根部对水分吸收能力和养分利用率，从而保证植株完成世代更替；而在过量供水条件下，充足的水分将导致丹参植株地上部分徒长，从而影响了根的生长，使根吸收能力降低，造成水分和养分的浪费；在水分适宜时（轻度干旱），丹参植株地上和地下部分生长则相对比较协调，既促进地上部分生长发育，以生产更多同化产物，又促进同化产物合理的分配和地下部分干物质的积累。本研究也表明，丹参对土壤水分的要求较高，土壤严重干旱和水分过多都不利于丹参生长和产量与品质的形成，这同野生丹参主要生于山坡、林下、溪旁的生境条件分布特征7以及我国栽培丹参主要分布于长江和黄河两大水系之间及其周边地区的植物地理分布特征7是相一致的。丹参酮和丹酚酸为丹参药材的主要药效成分5。本研究表明，土壤严重干旱和水分过多将会导致丹参药材中丹参酮组分和丹酚酸B含量与累积量大幅降低，而轻度干旱（土壤水分含量为55%60%）则会显著促进丹参上述成分的合成与积累，这同李霞1和谭勇2等在不同中药材上研究结论是一致的。有研究表明8，丹参酮A主要分布于丹参根组织的木栓层（红色表皮），其次是韧皮部，而木质部中的含量则较少；丹酚酸B则是主要分布于木质部和韧皮部。轻度干旱处理丹参植株主根长和侧根数较严重干旱和过量供水处理显著增加，这也相对增加了丹参植株根组织的木栓层和韧皮部的总重与比重，因而促进丹参药材中丹参酮组分和丹酚酸B的合成与积累。另有研究表明9，10，N对丹参素和丹参酮A的积累表现了负面效应，P对丹参素和丹参酮A的积累表现正效应；而施用Fe、Mn、Zn和Cu等微肥在提高丹参植株这些元素含量的同时，也显著促进了丹参酮A的积累。本研究发现，轻度干旱处理显著促进丹参植株对P、Mn、Zn和Cu以及丹参根部对Fe元素的吸收和累积，而降低了丹参植株N元素的含量，因而这一定程度上也促进了丹参药材中丹参酮组分和丹酚酸B的合成与积累。本研究发现，随着土壤水分含量增加促进了丹参植株各种矿质元素的吸收和一些元素含量显著提高，这同周静等11在柑桔上的研究结论是一致的。其原因有两方面：一是土壤水分含量提高显著促进丹参植株地上和地下部分生长，从而提高丹参根系量和根系吸收表面积，增强植株对元素的吸收能力。二是土壤中各种矿质元素均是以离子态被植物根系吸收利用，土壤水分含量增加则促进土壤中各种矿质元素离子的溶出和移动，从而间接增强了丹参根系对矿质元素的吸收能力。丹参主要以根部入药，生产上要求丹参药材的根条长、粗壮、根皮红且不开裂。土壤严重干旱和水分过多在严重影响丹参植株生长的同时，也显著影响其药材产量和品质（外观和内在）的形成。比较而言，丹参苗期田间土壤水分以55%60%的轻度干旱为宜，生产上丹参种植宜实行起垄栽培并做好田间排水防涝和合理灌溉，以保持田间适当土壤水分含量，提高药材产量和品质。另一方面，植物不同生育期对水分的敏感性也不同，需水量也不一样，并且作物各阶段的水分处理还具有补偿生长的作用12 。因此，研究丹参不同生育时期对水分的需求规律和土壤水分效应以及不同生育时期之间对水分的相互影响，制定合理的丹参田间水分管理措施，对确保栽培药材的质量和产量，实现栽培药材的优质稳产具有重要意义。参考文献1 李霞，王洋，阎秀峰. 水分胁迫对黄檗幼苗三种生物碱含量的影响J. 生态学报，2007，27(1)：582 谭勇，梁宗锁，董娟娥，等. 水分胁迫对菘蓝生长发育和有效成分积累的影响J. 中国中药杂志，2008，33(1)：193 郭巧生，周黎君，龚伟慧，等. 不同水分处理对夏枯草果穗产量和品质的影响J. 中国中药杂志，2010，35(14)：17954 高扬，梁宗锁，刘燕. 不同土壤水分条件下丹参耗水特征与水分利用率的研究J. 西北植物学报，2004，24(12)：22215 中国药典 一部S. 2005: 526 鲍士旦. 土壤农化分析(第3版) M . 北京：中国农业出版社，20007 黄璐琦. 丹参大全卷1丹参植物学M. 北京：人民卫生出版社，2008：328 段增强，刘媛媛，郑小军，等. 丹参酮A和丹酚酸B在丹参根组织中的分布特征研究J. 河南农业大学学报，2007，41(2)：1789 韩建萍，梁宗锁. 氮、磷对丹参生长及丹参素和丹参酮A积累规律研究J. 中草药，2005，36(5)：75610 韩建萍，梁宗锁，张文生. 微量元素对丹参生长发育及有效成分的影响J. 植物营养与肥料学报，2005，11(4)：56011 周静，崔键，胡锋，等. 土壤水分对柑橘根和叶营养元素的影响J. 中国果树，2008，(5)：1412 胡田田，康绍忠. 植物抗旱性中的补偿效应及其在农业节水中的应用J. 生态学报，2005，25(4)：885Effects of soil water content on the seedlings growth and active ingredients of Salvia miltiorrhiza Bge. LIU Da-hui 1, 2, GUO Lan-ping1*, HUANG Lu-qi1, JIN Hang2, WU Li-hua2, ZEN Yan1, ZHANG Ji2, YANG Yan2(1. Institute of Chinese Material Medica, China Academy of Chinese Material Science, Beijing 10070, China; 2. Institute of Medicinal Plants, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650231, China)Abstract Objective: In order to provide a scientific water management for the standardized cultivation, the effects of soil water content on the seedlings growth and active ingredients of S. miltiorrhiza. were studied. Method: A water stress experiment with pot culture studied the effects of different soil water content on the seedlings growth, biomass and the accumulation of tanshinone, salvianolic acid B and mineral nutrition of S. miltiorrhiza. Result: It was had serious influence on the growth, yield, outlooking and quality inside of S. miltiorrhiza when the soil was under severe drought or the soil was too much water. But the shoot and root biomass of S. miltiorrhiza was increased significantly under mild drought. As well as the content and cumulant of dihydrotanshinone, cryptotanshinone, tanshinone, tanshinoneA and salvianolic acid B in root of mild drought were increased. It also enhanced the P, K, Ca, Mg, Mn, Zn, Cu and Fe contents of S. miltiorrhiza under mild drought. Conclusion: The overall results from the experiment suggest that the appropriate soil water content is 55% to 60% in seedling stage of S. miltiorrhiza. And it will be strongly recommended that the ridge culture and suitable soil moisture management must be carry out in production of S. miltiorrhiza in order to improve the yield and quality of medicinal materials. Key words Salvia miltiorrhiza Bge.; soil water content; tanshinone; salvianolic acid B; mineral nutrition 10