徐海軍 姚 琴 程薪宇 王曉飛

（1. 東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2. 黑龍江省科學(xué)院大慶分院，大慶 163319；3. 大慶油田礦區(qū)事業(yè)服務(wù)部園林綠化公司，大慶 163711；4. 上饒師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)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(guó)藥典》2015 版），其味甘、性微溫，歸脾、肺經(jīng)，具有補(bǔ)氣升陽，益衛(wèi)固表，利水消腫，生津養(yǎng)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(yīng)用［3～6］。

近些年，黃芪野生資源儲(chǔ)量不斷減少，加之市場(chǎng)需求逐年增加，促使黃芪人工種植產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。黃芪種植多以蒙古黃芪為主，膜莢黃芪較少，隨著黃芪產(chǎn)區(qū)逐漸“北移”，膜莢黃芪的種植面積逐漸增加，但生產(chǎn)過程中蒙古黃芪和膜莢黃芪生長(zhǎng)及藥用成分差異仍未受到關(guān)注。經(jīng)典分類學(xué)主要依據(jù)子房有毛與否，小葉大小和數(shù)目特征，確定蒙古黃芪為膜莢黃芪的變種；后來，許多學(xué)者又分別從物候節(jié)律，地上部分發(fā)育形態(tài)學(xué)、開花生物學(xué)、染色體差異［7］、種子形態(tài)［8～9］、葉片結(jié)構(gòu)［10］、分子標(biāo)記［11～12］等多個(gè)方面提供了分類依據(jù)，闡述蒙古黃芪為獨(dú)立的種。因此，蒙古黃芪與膜莢黃芪種間分類學(xué)識(shí)別特征較為明確，但二者之間在栽培種植中與經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的生物學(xué)特征差異還需在生產(chǎn)中進(jìn)一步了解。北方地區(qū)氣候寒冷，蒙古黃芪和膜莢黃芪的根系品質(zhì)、物質(zhì)積累二者間有較大差異，差異變化如何還未見報(bào)道。本文從根系結(jié)構(gòu)發(fā)育、根系形態(tài)、藥用成分、表觀生長(zhǎng)量等生物學(xué)特征比較分析兩個(gè)種在生產(chǎn)種植中的差異，以期為北方地區(qū)黃芪種植在品種篩選、種植管理方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 試驗(yàn)地概況

黑龍江省位于我國(guó)東北部，屬溫帶大陸性季風(fēng)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(qū)初霜凍在9 月下旬出現(xiàn)，終霜凍在4 月下旬至5 月上旬結(jié)束，無霜期多為110 d左右。

本試驗(yàn)分別在第Ⅲ積溫帶和第Ⅵ積溫帶設(shè)置試驗(yàn)點(diǎn)（見圖1），試驗(yàn)點(diǎn)具體位置和立地特征如下：試驗(yàn)點(diǎn)1：大興安嶺呼瑪北園區(qū)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(yàn)點(diǎn)2：大興安嶺呼瑪三卡鄉(xiāng)（51°06′20″N，126°52′35″E），試驗(yàn)地形為林緣坡地，面積15 畝，沙壤土；試驗(yàn)點(diǎn)3：拜泉縣國(guó)富鎮(zhèn)中藥材種植示范基地（47°37′43″N，126°21′14″E），試驗(yàn)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(yàn)材料

膜莢黃芪（Astragalus membranaceus）和蒙古黃芪（Astragalus membranaceusvar.mongolicus），種子購(gòu)于內(nèi)蒙古赤峰。采用大田起壟直播種植，壟間距為60 cm；試驗(yàn)點(diǎn)1（簡(jiǎn)稱“北園區(qū)”）、試驗(yàn)點(diǎn)2（簡(jiǎn)稱“三卡”）、試驗(yàn)點(diǎn)3（簡(jiǎn)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(gè)試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查、取樣，蒙古黃芪和膜莢黃芪分開采集，在每個(gè)品種的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)布設(shè)20個(gè)樣方（1 m×1 m），在每一個(gè)樣方內(nèi)選擇3 株標(biāo)準(zhǔn)植株進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量指標(biāo)包括株高、地徑、根長(zhǎng)、根粗、地上鮮重/地下鮮重（A/U 值）；同時(shí)，采集根系帶回實(shí)驗(yàn)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(cè)定。

根系形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育觀測(cè)自出苗開始30、45、60、110 d 分別進(jìn)行取樣，根據(jù)植株長(zhǎng)勢(shì)，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(cè)定方法

表觀生長(zhǎng)量測(cè)定：黃芪株高、地徑、根長(zhǎng)、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(biāo)卡尺測(cè)量；根系形態(tài)利用根形指數(shù)（Root shape coefficient，RS1）表示，計(jì)算如下：

式中：RS1 為根形指數(shù)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(shù)量。

根系結(jié)構(gòu)觀測(cè)：利用GMA半薄切片法［13～14］。

藥效成分指標(biāo)：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(cè)量［15～19］。

2.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS（16.0）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA），數(shù)據(jù)分析前進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)（Shapiro-Wilk test），未符合正態(tài)性分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后符合正態(tài)性再進(jìn)行分析，借助photoshop7.0 圖版排列、Excel 軟件制表，數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（Mean±SD）。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒙古黃芪與膜莢黃芪根系結(jié)構(gòu)發(fā)育差異性

蒙古黃芪與膜莢黃芪播種60 d 之內(nèi)根系結(jié)構(gòu)無明顯的差異，其中播種約30 d 時(shí)，根表皮及大部分皮層細(xì)胞已經(jīng)脫落（見圖2A，箭頭所示），根表通常僅殘留1 層細(xì)胞。中柱鞘細(xì)胞分裂形成由3～5 層細(xì)胞組成的周皮（見圖2A）。周皮內(nèi)側(cè)由薄壁細(xì)胞和壁較薄的纖維組成。原靠近周皮的部分薄壁細(xì)胞破裂形成空隙（見圖2B，箭頭所示）。再向內(nèi)依次為韌皮部、形成層和木質(zhì)部。木質(zhì)部中央除了導(dǎo)管和薄壁細(xì)胞外，還存在很多較細(xì)的纖維（見圖2C）。播種45 d 時(shí)，根韌皮束間的薄壁細(xì)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(zhì)部直徑約為播種30 d 時(shí)的2 倍。韌皮部周圍薄壁細(xì)胞無淀粉或產(chǎn)生少量淀粉（見圖2D）。木質(zhì)部中導(dǎo)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(xì)胞厚（見圖3A），韌皮束外纖維已較為發(fā)達(dá)，此時(shí)韌皮射線和木射線中的多數(shù)薄壁細(xì)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(xì)胞內(nèi)含物方面逐漸出現(xiàn)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(xì)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(xì)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(zhì)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(yǎng)環(huán)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(tài)差異性

在田間調(diào)查中，凡是出現(xiàn)分叉根或測(cè)根較多且主根不明顯的均記為“分叉根”，相對(duì)于直根而言，分叉根被視為畸變根進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。采樣觀測(cè)結(jié)果顯示，膜莢黃芪根系畸變率遠(yuǎn)高于蒙古黃芪，前者畸變率高達(dá)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(cè)根增多后，其主根直徑粗度會(huì)隨之變小。對(duì)于1年生黃芪，根形指數(shù)（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(shù)分別為0.798、0.764，95%置信區(qū)間分別為0.77～0.82、0.74～0.79；而分叉根的根形指數(shù)均值分別為0.589 和0.614，置信區(qū)間分別為0.56～0.61、0.59～0.64；可見，根形指數(shù)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(shù)上均表現(xiàn)為差異不顯著，主要差異在于蒙古黃芪根形系數(shù)變化區(qū)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(guān)。

3.4 蒙古黃芪與膜莢黃芪表觀生長(zhǎng)量差異性

從表觀生長(zhǎng)量差異分析可知（見表1），膜莢黃芪在株高、根長(zhǎng)、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(zhǎng)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(zhǎng)狀況要較蒙古黃芪旺盛，尤其是地上植株生長(zhǎng)量及物質(zhì)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(zhǎng)差異性分析Table1 Analysis of growth difference between A.mongolicus and A.membranaceus

4 討論

根系形態(tài)解剖可以很好地反映根系發(fā)育變化和分析種間特性差異。試驗(yàn)結(jié)果表明，蒙古黃芪和膜莢黃芪在前期發(fā)育階段（60 d），根系結(jié)構(gòu)發(fā)育并未表現(xiàn)出明顯的差異，但其發(fā)育速度很快。在播種30 d 時(shí)，根已進(jìn)入次生生長(zhǎng)階段，表皮及大部分皮層細(xì)胞已經(jīng)脫落，中柱鞘細(xì)胞恢復(fù)分裂能力，形成由3～5 層細(xì)胞組成的周皮；播種45 d 時(shí)，韌皮部厚度及木質(zhì)部直徑約為播種30 d 時(shí)的2 倍。此結(jié)果與王爾彤［7］和燕玲等［20］解剖觀測(cè)發(fā)現(xiàn)基本相一致。隨著根系生長(zhǎng)，木質(zhì)部束、韌皮部束及射線的形成，韌皮射線和木射線中的多數(shù)薄壁細(xì)胞中已有淀粉開始積累，自此蒙古黃芪和膜莢黃芪在細(xì)胞內(nèi)含物方面逐漸出現(xiàn)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(zhǎng)中后期開始逐漸體現(xiàn)，且主要表現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)含物數(shù)量方面。此外，由于黃芪側(cè)根原基起源于中柱鞘細(xì)胞，為典型的內(nèi)起源方式，在次生生長(zhǎng)過程，側(cè)根在主根上發(fā)生的位置及其數(shù)目不確定［7］，而側(cè)根的發(fā)生直接影響著根系形態(tài)，試驗(yàn)中蒙古黃芪根系在發(fā)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(guān)。

蒙古黃芪和膜莢黃芪親源關(guān)系相近［21］，試驗(yàn)表明在北方地區(qū)均可進(jìn)行人工種植，但生物學(xué)性狀卻相差較大。北方地區(qū)膜莢黃芪地上植株生長(zhǎng)要明顯大于蒙古黃芪，主要表現(xiàn)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(shí)，地上部分生物量積累較大，這可能與兩個(gè)種的生物學(xué)特性差異有關(guān)［10，20］，膜莢黃芪葉大、枝干硬實(shí)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(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)分配量來看，蒙古黃芪反而呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在根系內(nèi)含物的變化、根形態(tài)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(zhì)分配比例數(shù)據(jù)顯示，膜莢黃芪地上/地下生物量分配比例要遠(yuǎn)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(zhì)積累量和經(jīng)濟(jì)性狀要明顯好于膜莢黃芪。因此，建議北方高寒地區(qū)黃芪種植的品種選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要。