不同光質對黃芪抗氧化酶活性及產量和品質的影響

胡瑜輝，楊振宇，宋詩娟，王寶慧，石志勇，牛景萍，梁建萍，柴 智

（1.山西農業大學生命科學學院，山西太谷030801；2.山西中醫藥大學基礎醫學院，山西晉中030619）

黃芪是山西省主要道地藥材，《中華人民共和國藥典》2010版收錄藥用黃芪為蒙古黃芪（Astragalus membranaceusBunge var.Mongholicus（Bge.）Hsiao）和膜莢黃芪（Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge.）的干燥根[1]。黃芪中含有黃芪皂苷、黃酮、多糖、多種氨基酸以及硒、鋅等14種人體所需要的微量元素[2]，具有補氣固表、脫毒生肌之功效，在臨床、制藥和保健等方面廣泛應用。但是近年來，由于環境污染和濫挖濫采的原因，使野生黃芪的產量和分布面積急劇減少[3]，人工栽培成為商品黃芪的主要來源。如何提高人工栽培黃芪的品質和產量來代替野生黃芪資源，已經成為學者們研究的重要目標以及任務。藥用植物特別是道地藥材的質量與環境存在著密切的相關性，其次生代謝產物的積累受到很多環境因素如海拔、光照和水分等的影響，光質對植物的形態建成、生理生化特性及物質代謝都具有一定的影響，光能過量或不足對植物都可能造成脅迫[1]。藥用植物栽培地的選擇和生態條件的調控已經成為影響栽培藥材產量及品質的關鍵因子[4-5]。

在植物體內光作為能量來源和信號物質，其受體能接收不同波長的光信號，通過信號轉導至細胞內，影響次生代謝通路中關鍵酶基因的表達，進而影響植物的生理過程，最終影響生物量、抗氧化酶活性和藥用有效成分的積累[6-8]。隨著科學技術研究的不斷進步，通過人工調節不同光質以提高經濟作物的產量和品質已經成為現實[9]。覆蓋不同光質色膜是作為光質調節的一種重要方法，其已應用于植物的設施栽培中，不同波長的光質被植物體內分子吸收后可產生一系列的化學反應，進而調節植株的形態建成、生長發育及生理代謝等[10]。利用不同顏色的濾光膜遮光探明藥用植物的生長及其藥用有效成分積累的變化，不僅可對道地藥材形成的機制和次生代謝途徑做出科學分析，而且對生產中提高次生代謝產物含量具有重要的指導意義。

本試驗通過在人工栽培黃芪幼苗中設置不同光質色膜，研究光質對黃芪抗氧化系統和有效成分含量的影響，探討光適應策略，以期找到適于黃芪生長的光生態條件，為定向生產優質藥材提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西農業大學生命科學學院藥用植物實踐教學與科研基地進行。該地位于山西農業大學校園內，屬暖溫帶季風氣候，地處東經112°32′，北緯37°26′，海拔870 m。一年四季分明，年平均氣溫5～10℃，年均降水量456 mm，無霜期約170 d。

1.2 試驗材料

供試材料為1年生蒙古黃芪實生苗，種子采自山西省渾源縣官兒鄉；光質采用與太陽光透光率相近的不同顏色的濾光膜進行處理，光膜購于上海偉康有色塑料廠。

1.3 試驗方法

試驗采用單因素4水平隨機區組設計，每個處理重復3次。當黃芪生長至60 d后，于2018年8月1日進行黃光（Y）、藍光（B）、紅光（R）3種光質處理，同時以自然光作為對照（CK）。其中，紅色光膜波長為620～780 nm，波峰為662 nm；黃色光膜波長為560～590 nm，波峰為570 nm；藍色光膜波長為400～450 nm，波峰為420 nm。3種光膜透光率均為85%，每組處理30株黃芪。光質處理采用木桿搭建遮光棚進行，搭建高度約100 cm，頂部及四周均用濾光膜覆蓋，下部距地面20 cm，以便通風，防止遮光棚內溫度過高。光質處理后，于1、30、60、90、120 d（成熟期）采集黃芪葉片，測定其生理指標。待地上部分凋亡后挖出黃芪根，烘干，測定總多糖、總皂苷和總黃酮的含量，并計算產量。

1.4 測定指標及方法

生理指標參考高俊鳳[11]的方法進行測定，其中，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑法測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，細胞質膜透性采用電導儀法測定，脯氨酸含量采用茚三酮法測定。

次生代謝物（總多糖、總皂苷和總黃酮）含量測定參照梁建萍等[12]的方法進行，其中，總多糖含量采用蒽酮-硫酸比色法測定，總皂苷含量采用香草醛-硫酸比色法測定，總黃酮含量采用硝酸鋁-亞硝酸鈉比色法測定。

1.5 數據分析

數據結果采用平均值±標準差表示，采用Microsoft Excel 2010及SPSS 23.0對試驗數據進行方差分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 不同光質處理對黃芪抗氧化酶活性的影響

由圖1可知，隨著黃芪的生長，自然光（CK）、黃光、藍光和紅光4種光質下SOD活性均呈逐漸下降的趨勢；從5個時期來看，黃光下，SOD活性始終顯著高于其他3種光質。處理1 d時，黃光、藍光和紅光處理下的SOD活性分別比自然光（CK）條件下高出28.6%（P＜0.05）、5.7%和5.9%；處理30、60、90 d后，黃光和紅光處理下的SOD活性均顯著高于自然光（CK）（P＜0.05），黃光處理下的變幅最大，藍光處理下的變幅最??；處理60 d時，黃光、藍光和紅光下SOD活性分別較自然光（CK）高出42.2%（P＜0.05）、8.6%和18.0%（P＜0.05）；處理120 d時，4種光質對SOD活性的影響同處理1 d時的趨勢一致。

從圖1可以看出，與自然光（CK）相比，黃光處理可提高POD活性，藍光處理降低了POD活性，紅光處理對POD活性無明顯影響。處理30 d時，黃光處理下POD活性高出自然光（CK）18.0%（P＜0.05），藍光處理下低于自然光（CK）22.7%（P＜0.05）；處理90 d時，黃光處理下POD活性高于自然光（CK）19.1%（P＜0.05），藍光處理下POD活性低于自然光（CK）24.6%（P＜0.05）。

從圖1可以看出，CAT活性變化對光質的響應與SOD、POD活性都不同，CAT活性受光質影響程度較小，隨著黃芪的生長，CAT活性無明顯增加或降低的趨勢，活性變化趨于平穩。處理1 d時，黃光、藍光和紅光處理下均顯著低于自然光（CK）（P＜0.05），分別下降了30.3%、20.3%和27.2%；處理30～120 d時，不同光質處理間的CAT活性均無顯著差異。

2.2 不同光質處理對黃芪MDA含量、電導率和脯氨酸含量的影響

從圖2可以看出，隨著黃芪的生長，自然光（CK）、黃光、藍光和紅光4種光質處理下的MDA含量總體呈逐漸上升的趨勢，與自然光（CK）相比，黃光處理下的MDA含量略有上升，但二者間差異不顯著；藍光和紅光處理下的MDA含量顯著降低（P＜0.05）；處理60 d時，與自然光（CK）相比，藍光和紅光處理下的MDA含量分別下降了66.1%和77.3%，且差異達顯著水平（P＜0.05），黃光處理下MDA含量升高5.6%，但與CK間差異不顯著。

從圖2可以看出，自然光（CK）、黃光、藍光和紅光4種光質下黃芪葉片電導率隨黃芪生長總體呈緩慢上升的趨勢；處理30 d時，與自然光（CK）相比，黃光、藍光和紅光處理下黃芪葉片的電導率分別顯著提高了15.8%、12.9%和8.6%（P＜0.05）；處理30～120 d，電導率受4種光質影響的結果從大到小排序均為黃光＞藍光＞紅光＞自然光。

由圖2可知，黃芪葉片脯氨酸含量隨時間增加而逐步上升，在5個不同時期，藍光、黃光和紅光處理下的脯氨酸含量均低于自然光（CK），且除處理90 d外，其余處理差異均達到了顯著水平（P＜0.05）；處理60 d時，黃光、藍光和紅光分別較自然光（CK）顯著降低10.4%、9.1%和26.5%（P＜0.05）；處理120 d時，黃光、藍光和紅光處理下的脯氨酸含量分別較自然光（CK）降低9.8%、8.6%和16.2%，且藍光和紅光間差異達顯著水平（P＜0.05）。由此可見，MDA含量、電導率受短波長光質影響較大，脯氨酸含量受光質脅迫程度較低。

2.3 不同光質對黃芪生長及藥效成分積累量的影響

由表1可知，與自然光（CK）相比，株高、根長、莖葉和根的干質量在黃光、藍紅和紅光處理下均有所下降。與自然光（CK）相比，株高在黃光、藍光和紅光處理下分別顯著下降了17.4%、39.8%和12.1%（P＜0.05）；根長在黃光、藍光和紅光處理下分別顯著下降了16.9%、35.8%和16.9%（P＜0.05）；莖葉干質量在黃光、藍光和紅光處理下分別顯著下降了1.8%、22.2%和10.8%（P＜0.05）；根干質量在黃光、藍光和紅光處理下分別顯著下降了2.0%、12.9%和11.6%（P＜0.05）?？梢?，3種光質均明顯降低了黃芪的縱向生長和干物質的積累。

表1 不同光質對黃芪單株生物量的影響

從表2可以看出，與自然光（CK）相比，不同光質處理均提高了多糖、黃酮和皂苷這3種藥效成分的含量和單株產量，并且藍光處理高于紅光和黃光處理。與自然光（CK）相比，多糖含量在藍光、黃光和紅光處理下分別顯著增加了78.4%、52.8%和27.5%（P＜0.05）；多糖單株產量在藍光、黃光和紅光處理下分別提高了55.4%、49.8%和12.7%，且藍光、黃光處理均顯著高于紅光處理（P＜0.05）。與自然光（CK）相比，皂苷含量在藍光、黃光和紅光處理下分別增加了133.3%、80.0%和13.3%，且藍光、黃光處理與紅光處理間差異達顯著水平（P＜0.05）；皂苷單株產量在藍光、黃光處理下分別顯著提高了97.2%、70.8%（P＜0.05），而紅光處理下降了3.8%，但與CK間差異不顯著。與自然光（CK）相比，黃酮含量在藍光和黃光處理下分別顯著增加了80.5%和51.2%（P＜0.05），而紅光處理下降低了9.8%，但與CK間差異不顯著；黃酮單株產量在藍光和黃光處理下分別顯著提高了57.6%和48.4%（P＜0.05），紅光處理下顯著降低了20.2%（P＜0.05）。

表2 不同光質對黃芪有效成分含量和單株產量的影響

3 討論

3.1 光質處理對抗氧化酶系統的影響

植物從種子萌發到生長發育都受到光照的調控，而光質可以調控植物碳水化合物的代謝，并與作物的產量和品質相關[13]。近年來，國內外學者以光質作為環境調控因子，探討其對植物抗氧化系統及生長的影響[14]。SOD是植物抗氧化系統中免受活性氧傷害的第一道防線，與POD、CAT協調配合清除過氧化物自由基，以保證細胞的正常功能[15]。研究表明，藍光會使不同植物抗氧化酶的活性升高，以保持較低水平的超氧陰離子、過氧化氫和MDA[16-17]。紅光處理的SOD、CAT活性以及MDA含量和H2O2含量在先鋒橙和紅桔幼苗中均高于藍光處理[18]。本試驗研究發現，與自然光相比，藍光下SOD、POD活性無顯著變化，而黃光下SOD、POD活性均上升，CAT受不同光質的影響較小，這與李倩[16]的研究結果一致。說明藍光對黃芪幼苗的氧化脅迫傷害程度較輕，可以通過體內SOD、POD、CAT這3種抗氧化酶的協調作用使活性氧自由基達到平衡。

細胞膜透性的變化可以反映植物細胞對外部環境的敏感程度。MDA是膜脂過氧化的重要產物之一，用來表示細胞膜透性大小，從而間接衡量膜系統受損程度以及植物的環境適應性。本研究發現，與自然光相比，藍光和紅光處理下MDA含量下降，而黃光處理下MDA含量上升。電導率是反映細胞膜受傷害的另一個常用指標。本研究中，在黃芪生長過程中，4種不同光質對電導率影響大小均表現為黃光＞藍光＞紅光＞自然光，且都存在顯著差異。以上結果表明，藍光處理對黃芪沒有造成膜脂過氧化的發生，有利于黃芪的正常生長。

在正常環境條件下生長的植物，體內游離脯氨酸含量較低，但在逆境（如干旱、寒害和熱害等）脅迫條件下，植物體內游離脯氨酸含量會顯著增加。本研究中，與自然光（CK）相比，藍光處理下的脯氨酸含量升高，這與王麗偉等[19]研究發現的“番茄幼苗在藍光下脯氨酸含量較高”的結論相一致。表明在藍光處理下，黃芪更易合成較多的脯氨酸含量來調節細胞的滲透壓，從而使細胞質膜保持完整性，有助于黃芪的生長發育。

3.2 光質處理對黃芪生物量和有效成分積累的影響

光對植物生長發育和品質的影響已逐漸成為目前研究的熱點[20]，光質對植物生長發育的影響首先表現在植物光形態建成方面，株高、根長、葉面積、干物質積累等生物量是反映植物長勢狀況的重要指標，不同光質對生物量有著不同程度的影響。本研究中，在黃光、藍光和紅光處理下，黃芪的株高、根長和干質量受到不同程度的抑制，這與黃枝等[21]、閻秀峰等[22]和陳驪君等[23]研究得出“不同光質處理下植株的生長及鮮質量、干質量有不同程度下降”的結果相一致。

近年，植物次生代謝合成受光質的調控也受到學者的廣泛關注，特別是藥用植物研究領域。光質通過調控植物基因表達來促進或抑制一些功能性蛋白或酶的合成，最終影響植物的次生代謝及形態發生[24]。本試驗研究表明，4種光質對黃芪根部有效成分積累的影響從大到小排序均表現為藍光＞黃光＞紅光＞自然光，光質都不同程度地促進了黃芪根部有效成分的積累。有研究表明，藍光也能顯著增加植物內花青素[25]的含量，對植物體內其他營養物質（如槲皮素、異鼠李素）的積累也有一定的影響[26]。李小明等[13]研究發現，黃光、藍光和紅光3種光質下淫羊藿苷類黃酮含量均高于白光，而以黃光最高，這與本試驗研究結果有所差異。這可能是由于不同植物對光質的耐受性不同造成的。

4 結論

本研究結果表明，藍光能有效維持黃芪體內抗氧化系統平衡，有效調控黃芪次生代謝物合成，提高總黃酮、總多糖和總皂苷的含量，從而改善黃芪藥材的品質，提高藥材產量。這一結果可為黃芪人工定向栽培中光質的選擇提供基礎理論依據和技術支撐。