半夏連作障礙效應(yīng)及生理機(jī)制研究

安 艷，楊 丹，李 鑫，晉小軍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，甘肅省中藥材規(guī)范化生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

半夏[Pinelliaternata(Thunb.)Breit.]為天南星科多年生草本植物，以干燥塊莖入藥[1-2]。具有燥濕化痰、降逆止嘔、消痞散結(jié)等功效，主要用于痰多咳喘，痰厥頭痛，痰飲眩悸，風(fēng)痰眩暈，嘔吐反胃，胸脘痞悶，梅核氣；生用外治癰腫痰核，是我國(guó)常用的中藥材[3-6]。同一作物或者近緣植物在相同土地上連續(xù)種植，會(huì)出現(xiàn)植株長(zhǎng)勢(shì)變?nèi)?、病蟲(chóng)害嚴(yán)重及產(chǎn)量品質(zhì)降低等現(xiàn)象，稱(chēng)為連作障礙[7]。半夏連作導(dǎo)致病蟲(chóng)草害嚴(yán)重及產(chǎn)量品質(zhì)下降，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重影響。輪作能減輕半夏連作障礙的發(fā)生，但由于輪作周期長(zhǎng)，當(dāng)?shù)胤N植面積有限，嚴(yán)重制約了半夏的可持續(xù)發(fā)展。因此，本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)西和縣輪作及連作半夏生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、植株保護(hù)酶活性、MDA及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)進(jìn)行研究，探討連作對(duì)半夏生長(zhǎng)發(fā)育的影響，以期為減輕半夏連作障礙，提高半夏產(chǎn)量品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試區(qū)選擇在隴南市西和縣盧河鄉(xiāng)王堡村廟子溝，海拔 1 692 m，年均降水量 532 mm，年蒸發(fā)量 1 236 mm，空氣相對(duì)濕度 73%，平均無(wú)霜期183 d，年日照時(shí)數(shù)1 757 h，日照百分率46%，晝夜溫差大，氣候偏旱[8]。

試驗(yàn)地土層深厚，地勢(shì)平緩，屬中性或微酸性的棕壤，富含K元素。土壤養(yǎng)分指標(biāo)，全氮1.27 g·kg-1，全磷0.17 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)11.75 g·kg-1，速效磷15.27 mg·kg-1，速效鉀105.60 mg·kg-1，銨態(tài)氮0.57 mg·kg-1，硝態(tài)氮14.9 g·kg-1，pH 7.09。

供試植物半夏種莖均來(lái)自湖北天門(mén)，經(jīng)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院晉小軍研究員鑒定為天南星科植物半夏的塊莖。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年3-9月在西和縣盧河鄉(xiāng)王堡村廟子溝進(jìn)行，采用對(duì)比試驗(yàn)。選擇輪作(玉米-小麥-馬鈴薯-玉米-半夏)和連作(玉米-小麥-馬鈴薯-半夏-半夏)不同茬口的試驗(yàn)地，小區(qū)面積為3 m×4 m，設(shè)3次重復(fù)。選擇無(wú)病、無(wú)傷痕、無(wú)腐爛，直徑為0.5～1.5 cm的半夏塊莖進(jìn)行種植，不同小區(qū)田間管理一致，具體為種植前施農(nóng)家肥15 000 kg·hm-2，純N 292 kg·hm-2，P2O5225 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2作為基肥翻入土壤，生長(zhǎng)期及時(shí)除草。于2016年4月26日至8月4日每隔25 d取一次樣并測(cè)定半夏的生長(zhǎng)指標(biāo)；于6月15日、7月10日及8月4日每小區(qū)按五點(diǎn)取樣法選取健康半夏植株，摘取健康成熟葉數(shù)片，混合，立即用去離子水沖洗，裝袋，置于液氮帶回實(shí)驗(yàn)室，用于生理生化指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 在半夏生育期內(nèi)每隔25 d每小區(qū)隨機(jī)采取不同茬口的半夏植株各10株，測(cè)定其株高、生物量及塊莖直徑等生長(zhǎng)指標(biāo)。

1.3.2 葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定 將采集的半夏葉片剪碎混勻，采用丙酮浸提法[8]浸提測(cè)定。

1.3.3 植株保護(hù)酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的測(cè)定 超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法[9]測(cè)定；過(guò)氧化物酶(POD)采用愈創(chuàng)木酚法[10]進(jìn)行測(cè)定；過(guò)氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法[10]測(cè)定；丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法[9]測(cè)定；脯氨酸(Pro)質(zhì)量分?jǐn)?shù)用茚三酮顯色法[9]測(cè)定；可溶性糖采用蒽酮比色法[9]測(cè)定；可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用考馬斯亮藍(lán)G- 250染色法[9]測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 連作對(duì)半夏生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

當(dāng)植物受到某種外部不利環(huán)境因子影響時(shí)，將通過(guò)其內(nèi)部一系列生理生化變化反映在外觀形態(tài)上。如表1所示，輪作及連作栽培的半夏隨時(shí)間變化，其株高、塊莖直徑、地上部分生物量、地下部分生物量均逐漸增加；在半夏生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)時(shí)期，連作半夏株高、塊莖直徑、地上部分生物量和地下部分生物量均低于同時(shí)期輪作。其中株高及地上部分生物量除4月26日差異不顯著外，其他各個(gè)時(shí)期輪作均顯著高于連作；輪作半夏塊莖直徑、地下部分生物量在各個(gè)時(shí)期均顯著高于同一時(shí)期連作。

表1 連作對(duì)半夏植株生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of continuous cropping on the growth of Pinellia ternata

注：同列不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)期不同處理差異顯著性(P<0.05)。下同。

Note:Different lowercase letters in same column indicate significant difference among various treatments in the same period(P<0.05).The same as follows.

表1顯示，輪作半夏株高為12.00～24.06 cm，全年平均達(dá)19.26 cm，連作株高為10.43～14.79 cm，平均為13.11 cm，連作較輪作年平均株高低31.93%；輪作及連作塊莖直徑分別為1.03～1.72 cm和0.86～1.30 cm，年平均為1.41 cm和1.13 cm，連作較輪作年平均塊莖直徑低19.86%；輪作及連作單株地上部分生物量分別為0.44～1.90 g和0.31～0.67 g，年平均為1.19 g和0.52 g，連作較輪作年平均單株地上部分生物量低56.30%；輪作及連作半夏單株地下部分生物量分別為0.77～2.73 g和0.39～1.52 g，年平均為1.67 g 和1.03 g，連作較輪作年平均單株地下部分生物量低 38.32%。

2.2 連作對(duì)半夏葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

葉綠素是一類(lèi)植物體內(nèi)與光合作用有關(guān)的重要色素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不僅反映植物遭受到一定程度的脅迫，也直接影響光合效率和光合產(chǎn)物的累積[11]。分析連作對(duì)半夏葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2看出，輪作半夏葉片葉綠素a、葉綠素b及葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化均逐漸增加，連作半夏隨時(shí)間變化均逐漸降低；輪作及連作半夏類(lèi)胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈先增后降的趨勢(shì)。

表2 連作對(duì)半夏葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 2 Effects of continuous cropping on chlorophyll mass fraction of Pinellia ternata

進(jìn)一步分析連作對(duì)半夏葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，由表2可知，輪作葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于同一時(shí)期連作；連作半夏葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較同一時(shí)期輪作分別下降14.51%、33.48%、49.06%。從葉綠素組分看，連作葉綠素a和葉綠素b的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比同一時(shí)期輪作有不同程度的下降，其中，葉綠素a和葉綠素b的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比同一時(shí)期輪作低10.14%、30.19%、46.63%和25.45%、41.94%、55.41%；連作半夏類(lèi)胡蘿卜素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于同一時(shí)期輪作，比同一時(shí)期輪作分別低17.14%、20.00%和16.13%；但葉綠素a/葉綠素b的值連作均高于同一時(shí)期輪作。連作半夏葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，這說(shuō)明連作半夏葉片類(lèi)囊體的垛疊程度降低，葉綠體的捕光能力和能量傳遞速率降低[12-13]。

2.3 連作對(duì)半夏葉片SOD、POD和CAT活性的影響

SOD、POD和CAT為植物細(xì)胞內(nèi)的重要保護(hù)酶，它們與其他抗氧化酶和抗氧化物質(zhì)協(xié)同作用，共同防御產(chǎn)生過(guò)量的活性氧及自由基[14]。由表3可知，輪作及連作半夏其葉片SOD、POD和CAT活性隨時(shí)間變化均呈逐漸升高趨勢(shì)；連作半夏3種保護(hù)酶活性在各個(gè)時(shí)期均顯著低于輪作，其中輪作SOD、POD和CAT活性最高分別為323.43 U·g-1、3 154.44 U·g-1·min-1和605.28 U·g-1·min-1，連作SOD、POD和CAT活性最高分別為248.33 U·g-1、2 506.67 U·g-1·min-1和426.67 U·g-1·min-1。

表3 連作對(duì)半夏植株SOD、POD和CAT活性的影響Table 3 Effects of Pinellia ternata continuous cropping on activities of SOD, POD and CAT in plants

2.4 連作對(duì)半夏葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

丙二醛(MDA)是植物細(xì)胞內(nèi)膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物，其摩爾質(zhì)量濃度可反映植物膜脂過(guò)氧化和膜系統(tǒng)傷害程度[13,15]。由表4可知，輪作及連作半夏其葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度隨時(shí)間變化呈逐漸升高趨勢(shì)；連作半夏MDA質(zhì)量摩爾濃度顯著高于同一時(shí)期輪作。其中連作葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度比同一時(shí)期輪作分別高37.78%、33.80%和31.07%，MDA質(zhì)量摩爾濃度的增加說(shuō)明連作脅迫導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化損傷。

可溶性糖和可溶性蛋白也是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在一定程度上說(shuō)明植物在逆境下的受傷害程度和抵抗能力[16]。輪作及連作半夏其葉片可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨時(shí)間變化呈逐漸升高趨勢(shì)；連作半夏葉片可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于同一時(shí)期輪作，比同一時(shí)期輪作分別高16.83%、19.85%、19.89%和15.93%、25.04%、15.95%；連作半夏脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于同一時(shí)期輪作，分別是同一時(shí)期輪作的1.55、2.11、2.03倍。連作半夏植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，說(shuō)明半夏在連作條件下受到傷害。

表4 連作對(duì)半夏葉片MDA和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Table 4 Effects of Pinellia ternata continuous cropping on MDA and osmotic adjustment substances in leaves

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)通過(guò)對(duì)連作和輪作半夏生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，連作半夏較輪作年平均株高、塊莖直徑、地上部分生物量及地下部分生物量分別低31.93%、19.86%、56.30%和38.32%，說(shuō)明連作半夏株高和塊莖直徑均受到抑制，導(dǎo)致各個(gè)時(shí)期地上和地下部分生物量分別比同一時(shí)期輪作明顯降低，連作嚴(yán)重抑制半夏的生長(zhǎng)發(fā)育。

造成這一現(xiàn)象的原因，從半夏生理指標(biāo)可見(jiàn)，連作半夏葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較同一時(shí)期輪作分別下降14.51%、33.48%和49.06%。而葉綠素在植物光合作用中起捕獲光能的作用，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響光合作用的強(qiáng)弱[17]。因此，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低直接影響半夏葉綠體的捕光能力和能量傳遞速率，導(dǎo)致光合能力減弱，光合產(chǎn)物減少。由此可見(jiàn)，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，會(huì)造成植株生長(zhǎng)下降，這是導(dǎo)致半夏連作減產(chǎn)的原因之一。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)連作半夏生長(zhǎng)指標(biāo)及葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于輪作，這與前人在半夏[18]中的研究結(jié)果一致。

在逆境脅迫下，植物葉綠體內(nèi)的氧會(huì)被活化成對(duì)細(xì)胞有傷害的活性氧。試驗(yàn)結(jié)果表明，輪作及連作半夏葉片SOD、POD、CAT活性、MDA質(zhì)量摩爾濃度、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨時(shí)間變化逐漸增加，這是因?yàn)槲骱涂h8月份溫度高，說(shuō)明在輕度脅迫下，葉綠體內(nèi)的主要活性氧清除系統(tǒng)，如SOD、POD和CAT活性等明顯升高，能夠及時(shí)消除這些活性氧[19]；連作脅迫顯著降低連作半夏SOD、POD和CAT活性，而MDA質(zhì)量摩爾濃度及脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加，說(shuō)明在重度脅迫下，葉綠體內(nèi)主要活性氧清除系統(tǒng)活性明顯下降，不能及時(shí)消除這些活性氧，對(duì)膜脂過(guò)氧化和蛋白質(zhì)合成產(chǎn)生抑制，最終影響葉片的光合作用[19]。正是生理代謝方面的改變導(dǎo)致連作半夏形態(tài)上的改變，這也是半夏連作減產(chǎn)的基本原因。

本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，連作降低半夏葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SOD、POD和CAT活性，增加了MDA質(zhì)量摩爾濃度及脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與前人在當(dāng)歸[12]中報(bào)道連作脅迫使植株葉片光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，SOD、POD和CAT活性降低及可溶性糖和脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、MDA質(zhì)量摩爾濃度增加的結(jié)果一致。