北方地區黃芪根系發育、成分積累及表觀生長種間差異

徐海軍 姚 琴 程薪宇 王曉飛

（1. 東北林業大學森林植物生態學教育部重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 黑龍江省科學院大慶分院，大慶 163319；3. 大慶油田礦區事業服務部園林綠化公司，大慶 163711；4. 上饒師范學院生命科學學院，上饒 334001）

膜莢黃芪（Astragalus membranaceus）或蒙古黃芪（Astragalus membranaceusvar.mongholicus）的干燥根可入藥［1～2］（《中華人民共和國藥典》2015 版），其味甘、性微溫，歸脾、肺經，具有補氣升陽，益衛固表，利水消腫，生津養血，行滯通痹，托毒排膿，斂瘡生肌之功效，在臨床、膳食、保健、飼用等方面都有廣泛的應用［3～6］。

近些年，黃芪野生資源儲量不斷減少，加之市場需求逐年增加，促使黃芪人工種植產業迅猛發展。黃芪種植多以蒙古黃芪為主，膜莢黃芪較少，隨著黃芪產區逐漸“北移”，膜莢黃芪的種植面積逐漸增加，但生產過程中蒙古黃芪和膜莢黃芪生長及藥用成分差異仍未受到關注。經典分類學主要依據子房有毛與否，小葉大小和數目特征，確定蒙古黃芪為膜莢黃芪的變種；后來，許多學者又分別從物候節律，地上部分發育形態學、開花生物學、染色體差異［7］、種子形態［8～9］、葉片結構［10］、分子標記［11～12］等多個方面提供了分類依據，闡述蒙古黃芪為獨立的種。因此，蒙古黃芪與膜莢黃芪種間分類學識別特征較為明確，但二者之間在栽培種植中與經濟性狀相關的生物學特征差異還需在生產中進一步了解。北方地區氣候寒冷，蒙古黃芪和膜莢黃芪的根系品質、物質積累二者間有較大差異，差異變化如何還未見報道。本文從根系結構發育、根系形態、藥用成分、表觀生長量等生物學特征比較分析兩個種在生產種植中的差異，以期為北方地區黃芪種植在品種篩選、種植管理方面提供基礎數據和理論支持。

1 試驗地概況

黑龍江省位于我國東北部，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫在-5℃～5℃，≥10℃積溫在1 800～2 800℃，年降水量400～650 mm，無霜期100～150 d，大部分地區初霜凍在9 月下旬出現，終霜凍在4 月下旬至5 月上旬結束，無霜期多為110 d左右。

本試驗分別在第Ⅲ積溫帶和第Ⅵ積溫帶設置試驗點（見圖1），試驗點具體位置和立地特征如下：試驗點1：大興安嶺呼瑪北園區中心苗圃（51°43′35″N，126°36′59E），開荒耕地、森林暗棕壤，面積7 畝；試驗點2：大興安嶺呼瑪三卡鄉（51°06′20″N，126°52′35″E），試驗地形為林緣坡地，面積15 畝，沙壤土；試驗點3：拜泉縣國富鎮中藥材種植示范基地（47°37′43″N，126°21′14″E），試驗地形為丘陵坡地（耕地），黑鈣土，面積30畝。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

膜莢黃芪（Astragalus membranaceus）和蒙古黃芪（Astragalus membranaceusvar.mongolicus），種子購于內蒙古赤峰。采用大田起壟直播種植，壟間距為60 cm；試驗點1（簡稱“北園區”）、試驗點2（簡稱“三卡”）、試驗點3（簡稱“拜泉”）分別于2017年5月25日、5月27日和5月21日播種。

2.2 樣品采集與制備

9 月中旬分別從3 個試驗點調查、取樣，蒙古黃芪和膜莢黃芪分開采集，在每個品種的試驗區內隨機布設20個樣方（1 m×1 m），在每一個樣方內選擇3 株標準植株進行測量，測量指標包括株高、地徑、根長、根粗、地上鮮重/地下鮮重（A/U 值）；同時，采集根系帶回實驗室低溫烘干（60℃）至恒重后、粉碎，低溫保存，待成分（毛蕊異黃酮苷、刺芒柄花苷、毛蕊異黃酮、多糖）測定。

根系形態結構發育觀測自出苗開始30、45、60、110 d 分別進行取樣，根據植株長勢，選擇具有代表性的植株采集根部、洗凈后，截取主根中上部根段用FAA固定，帶回做半薄切片。

2.3 測定方法

表觀生長量測定：黃芪株高、地徑、根長、根粗（距主根上端1 cm，10 cm 處直徑粗度，分別記為R0，R1）用卷尺和游標卡尺測量；根系形態利用根形指數（Root shape coefficient，RS1）表示，計算如下：

式中：RS1 為根形指數平均值，i表示第i株黃芪樣品，Ri0為第i株根系上端徑粗，Ri1第i株根系中端徑粗，n表示樣本數量。

根系結構觀測：利用GMA半薄切片法［13～14］。

藥效成分指標：黃芪多糖采用硫酸—苯酚比色法；毛蕊異黃酮苷、刺芒柄花苷、毛蕊異黃酮用高效液相色譜法測量［15～19］。

2.4 數據處理

用SPSS（16.0）對數據進行單因素方差分析（One-Way ANOVA），數據分析前進行正態性檢驗（Shapiro-Wilk test），未符合正態性分布的數據進行了對數轉化后符合正態性再進行分析，借助photoshop7.0 圖版排列、Excel 軟件制表，數據為平均值±標準差（Mean±SD）。

3 結果與分析

3.1 蒙古黃芪與膜莢黃芪根系結構發育差異性

蒙古黃芪與膜莢黃芪播種60 d 之內根系結構無明顯的差異，其中播種約30 d 時，根表皮及大部分皮層細胞已經脫落（見圖2A，箭頭所示），根表通常僅殘留1 層細胞。中柱鞘細胞分裂形成由3～5 層細胞組成的周皮（見圖2A）。周皮內側由薄壁細胞和壁較薄的纖維組成。原靠近周皮的部分薄壁細胞破裂形成空隙（見圖2B，箭頭所示）。再向內依次為韌皮部、形成層和木質部。木質部中央除了導管和薄壁細胞外，還存在很多較細的纖維（見圖2C）。播種45 d 時，根韌皮束間的薄壁細胞隨著根直徑的增大而撕裂，形成與韌皮束相間排列的較大空隙（見圖2D），韌皮部厚度及木質部直徑約為播種30 d 時的2 倍。韌皮部周圍薄壁細胞無淀粉或產生少量淀粉（見圖2D）。木質部中導管完全由纖維包裹，并與木射線呈輻射狀相間排列（見圖2E）。根部中央偶有撕裂形成空隙（見圖2F，箭頭所示）。

播種60 d 后，黃芪根的周皮已增厚至5～6 層細胞厚（見圖3A），韌皮束外纖維已較為發達，此時韌皮射線和木射線中的多數薄壁細胞中已有淀粉開始積累（見圖3B）。此后，蒙古黃芪和膜莢黃芪在細胞內含物方面逐漸出現明顯的差異（見圖3C）。待播種110 d 左右后，可以看到蒙古黃芪的木射線和韌皮射線薄壁細胞幾乎完全被淀粉粒填滿（見圖3D）。膜莢黃芪韌皮射線中淀粉量情況與蒙古黃芪相似，但木射線薄壁細胞卻并未被淀粉粒填滿（見圖3E，箭頭所示）。而除了淀粉量多少外，蒙古黃芪與膜莢黃芪最大的不同即其木質部束、韌皮部束與射線的寬度比（見圖3F）明顯要小于相同培養環境下的膜莢黃芪（見圖3G）。

3.2 蒙古黃芪與膜莢黃芪根系藥用成分差異性

蒙古黃芪與膜莢黃芪除了毛蕊異黃酮含量無顯著差異外（P＞0.05），毛蕊異黃酮葡萄糖苷、刺芒柄花苷、多糖含量方面蒙古黃芪均顯著高于膜莢黃芪（P＜0.05），其中，毛蕊異黃酮葡萄糖苷、刺芒柄花苷和多糖含量蒙古黃芪分別是膜莢黃芪的1.8倍、1.6倍、1.3倍（見圖5）。

3.3 蒙古黃芪與膜莢黃芪根系形態差異性

在田間調查中，凡是出現分叉根或測根較多且主根不明顯的均記為“分叉根”，相對于直根而言，分叉根被視為畸變根進行數據統計。采樣觀測結果顯示，膜莢黃芪根系畸變率遠高于蒙古黃芪，前者畸變率高達70%（見圖6a），后者畸變率為53.1%（見圖6b）。

黃芪根系直徑在分叉或側根增多后，其主根直徑粗度會隨之變小。對于1年生黃芪，根形指數（RS1）可以很好地反映根系形狀。膜莢黃芪和蒙古黃芪直根的根形指數分別為0.798、0.764，95%置信區間分別為0.77～0.82、0.74～0.79；而分叉根的根形指數均值分別為0.589 和0.614，置信區間分別為0.56～0.61、0.59～0.64；可見，根形指數大于0.75多為直根，而小于0.6多為分叉根或爪根（見圖6c）?？傮w上，蒙古黃芪和膜莢黃芪無論直根和爪根在根形系數上均表現為差異不顯著，主要差異在于蒙古黃芪根形系數變化區間要高于膜莢黃芪，這可能與蒙古黃芪根系畸變率低于膜莢黃芪有關。

3.4 蒙古黃芪與膜莢黃芪表觀生長量差異性

從表觀生長量差異分析可知（見表1），膜莢黃芪在株高、根長、地徑、A/U值方面與蒙古黃芪有顯著性差異（P＜0.05），而根粗（R0、R1）方面則二者差異不顯著（P＞0.05）。根長方面膜莢黃芪顯著低于蒙古黃芪，前者是后者的0.78～0.88 倍，而株高、地徑、A/U 值方面膜莢黃芪則顯著高于蒙古黃芪（P＜0.05），且前者分別是后者的1.14～1.22 倍、1.13～1.46 倍、1.21～1.80 倍?？梢?，在膜莢黃芪植株生長狀況要較蒙古黃芪旺盛，尤其是地上植株生長量及物質分配比例膜莢黃芪顯著高于蒙古黃芪。

表1 蒙古黃芪與膜莢黃芪生長差異性分析Table1 Analysis of growth difference between A.mongolicus and A.membranaceus

4 討論

根系形態解剖可以很好地反映根系發育變化和分析種間特性差異。試驗結果表明，蒙古黃芪和膜莢黃芪在前期發育階段（60 d），根系結構發育并未表現出明顯的差異，但其發育速度很快。在播種30 d 時，根已進入次生生長階段，表皮及大部分皮層細胞已經脫落，中柱鞘細胞恢復分裂能力，形成由3～5 層細胞組成的周皮；播種45 d 時，韌皮部厚度及木質部直徑約為播種30 d 時的2 倍。此結果與王爾彤［7］和燕玲等［20］解剖觀測發現基本相一致。隨著根系生長，木質部束、韌皮部束及射線的形成，韌皮射線和木射線中的多數薄壁細胞中已有淀粉開始積累，自此蒙古黃芪和膜莢黃芪在細胞內含物方面逐漸出現明顯的差異，待播種110 d 左右后，蒙古黃芪的淀粉含量要明顯高于膜莢黃芪?？梢?，蒙古黃芪和膜莢黃芪根系特征差異自生長中后期開始逐漸體現，且主要表現在細胞內含物數量方面。此外，由于黃芪側根原基起源于中柱鞘細胞，為典型的內起源方式，在次生生長過程，側根在主根上發生的位置及其數目不確定［7］，而側根的發生直接影響著根系形態，試驗中蒙古黃芪根系在發育后期畸變率要顯著低于膜莢黃芪，這可能與物種的遺傳特性相關。

蒙古黃芪和膜莢黃芪親源關系相近［21］，試驗表明在北方地區均可進行人工種植，但生物學性狀卻相差較大。北方地區膜莢黃芪地上植株生長要明顯大于蒙古黃芪，主要表現在株高、地徑以及地上生物量分配方面。膜莢黃芪株高顯著高于蒙古黃芪，莖干粗壯挺實，地上部分生物量積累較大，這可能與兩個種的生物學特性差異有關［10，20］，膜莢黃芪葉大、枝干硬實粗壯更有利于獲取地上空間資源、更有利于光合作用，從而可以較多地積累碳水化合物。不過從地下部分生長發育、物質分配量來看，蒙古黃芪反而呈現明顯的優勢，主要表現在根系內含物的變化、根形態變化、地下生物量分配比例及根系功能性成分含量方面。

根系藥用成分方面，毛蕊異黃酮葡萄糖苷、刺芒柄花苷和多糖含量蒙古黃芪分別是膜莢黃芪的1.8倍、1.6倍、1.3倍；物質分配比例數據顯示，膜莢黃芪地上/地下生物量分配比例要遠高于蒙古黃芪，可見，蒙古黃芪雖然地上部分生物量積累弱于膜莢黃芪，但地下根系的物質積累量和經濟性狀要明顯好于膜莢黃芪。因此，建議北方高寒地區黃芪種植的品種選擇應根據實際生產需要。