全 文 :中国农业大学学报 2012,17(3):43-48
Journal of China Agricultural University
耕层柽柳根生长分布和管花肉苁蓉接种的 WINRHIZO扫描观察
朱艳霞 郭玉海*
(中国农业大学 农学与生物技术学院,北京100193)
摘 要 为了研究耕层土壤中柽柳根和管花肉苁蓉的相互作用,明确管花肉苁蓉的接种时间、生长和药用成分动
态,采用 WINRHIZO根系扫描系统,定期检测柽柳根系生长和肉苁蓉接种;采用 HPLC和分光光度法测定松果菊
苷、毛蕊花糖苷和可溶性糖含量。结果表明:柽柳茎段在扦插后15d生根,根的生长遵循“S”曲线规律;首次观察到
管花肉苁蓉与柽柳根建立稳定寄生关系的时间为扦插后60d,管花肉苁蓉的接种率动态变化遵循“S”曲线规律;管
花肉苁蓉单株干重在接种后90d内增长缓慢,90d后快速增长,至150d单株干重达16g;生长150d的管花肉苁
蓉含松果菊苷9.6%,毛蕊花糖苷1.7%,苯乙醇苷总量11.3%,可溶性糖0.19%。WINRHIZO扫描分析为确定耕
层土壤中寄生植物和寄主的接种动态及影响因素研究提供了新方法。
关键词 管花肉苁蓉;柽柳;WINRHIZO扫描系统;接种;苯乙醇苷
中图分类号 TP 391.41 文章编号 1007-4333(2012)03-0043-06 文献标志码 A
收稿日期:2012-02-04
基金项目:国家“十一五”支撑计划项目(2006BAD26B04);科技部农业科技成果转化资金项目(2011GB23600014);农业部
公益性行业专项(200903001-2-4)
第一作者:朱艳霞,博士研究生,E-mail:zyx.1002@163.com
通讯作者:郭玉海,教授,主要从事中药材栽培研究,E-mail:yhguo@cau.edu.cn
Monitor of tamarisk root growth and Cistanche tubulosainfection
in soil arable layer by WINRHIZO
ZHU Yan-xia,GUO Yu-hai*
(Colege of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193,China)
Abstract In order to study the interaction of tamarisk root and Cistanche tubulosa in the soil arable layer,we used
WINRHIZO scanner system to determine the tamarisk root growth and detect the time when the C.tubulosa would infect
the host root;we measured the echinacoside,verbascoside and soluble sugar of the C.tubulosa by HPLC and
spectrophotometry.The result showed:the tamarisk stem cutings began to develop the root 15days after cutage,and
the growth curve folowed“S”curve;the C.tubulosa began to infect with tamarisk on day 60after cutage for the first
time.Similarly,the infection rate of the C.tubulosa folowed“S”curve;initialy,the growth of C.tubulosa plant grew
slower during the 90days of infection(indicated by lighter dry weight),then the C.tubulosa began to grow faster after
the day 90,and the dry weight of the single plant could reach to as high as 16gram,and the amount of the
echinacoside,verbascoside and soluble sugar were 9.6%,1.7%and 11.3%separately.Our study indicated that the
WINRHIZO scanner system could be be used as a new approach to detect the parasite plant and the host plant in the
soil arable layer and provide more detailed information on the infection dynamics and the efective factors during the
complicated infection processes.
Key words Cistanche tubulosa;tamarix;system of WINRHIZO;infection;phenethyl alcohol glycoside
管 花 肉 苁 蓉 Cistanche tubulosa (Schenk)
Wight是列当科Orobanchaceae肉苁蓉属多年生根
寄生植物,在柽柳属植物的根上寄生和生长。管花
肉苁蓉中主要包括松果菊苷和毛蕊花糖苷等苯乙醇
苷类、环烯醚萜及其苷类、木脂素及其苷类等化学成
分[1],具有增强机体免疫力[2],调节神经内分泌系统
的作用[3]、抗氧化作用[4],延缓衰老作用[5]、增强学
习能力[6]等药理作用,是我国名贵中药材之一。寄
中 国 农 业 大 学 学 报 2012年 第17卷
生植物管花肉苁蓉接种率低是当前主要的生产问
题,由于其寄生生长在寄主根上,在田间条件下难以
从土壤内观察到生长动态,为了深入研究接种技术
和机理,亟需运用新方法实时监测耕层土壤中管花
肉苁蓉寄生到柽柳根系的接种过程。
近年来,微根管法是一种破坏性小、可定点直接
观察植物根系在土壤中生长动态变化的先进技
术[7],拍摄的图片可用 WINRHIZO根系分析系统
进行分析,该系统已广泛用于研究水分与根系空间
分布和形态变化的关系[8]、肥料与根系分布和产量
的关系[9-10]、细根季节变化动力学[11]等多个方面,但
未见采用 WINRHIZO扫描微根管法研究管花肉苁
蓉接种的报道。本试验采用微根管法辅助根系分析
系统 WINRHIZO软件,原位观测了耕层柽柳根系
形成及管花肉苁蓉接种过程,并测定了接种后管花
肉苁蓉生长和苯乙醇苷等化学成分的变化动态,为
进一步研究管花肉苁蓉接种条件和提高接种率的技
术提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地点
本试验于2011年在北京市中国农业大学上庄
实验站进行,实验站位于40.138°N,116.174°E,土
壤耕层养分情况是速效氮80.86mg/kg,速效磷
8.65mg/kg,速效钾102.45mg/kg,有机质8.20
g/kg。
1.2 材料及仪器
管花肉苁蓉(Cistanche tubulosa)种子。柽柳
(Tamarix chinensis Lour.)插条:长度(15±1)cm,
粗度(1.2±0.2)cm,插条鲜重(20±5)g。
树脂玻璃根系微型观测管,长2.0m,外径6.0
cm,根管的末端封死,露口端用特制的树脂玻璃帽
盖住。仪器:KH-100B数控超声波清洗器(昆山禾
创超声仪器有限公司),UV 8000S型紫外可见分光
光度计(上海元析仪器有限公司),Agilent 1100LC
高效液相色谱仪(美国Agilent公司)。
1.3 方法
1.3.1 微根窗法检测管花肉苁蓉接种动态
将微根管水平放置在长2m,深30cm,宽10
cm的沟内,于紧贴微根管外壁均匀铺撒1.000g管
花肉苁蓉种子,用红砖挡在根管露口侧做标记,最后
向沟内填土、整平、压实,在沟上方按间距10cm扦
插柽柳,柽柳插条露出地面5cm,插后浇透水。育
苗过程中,按需适时浇水,保持适当的土壤水分。分
别在柽柳扦插后第15、30、45、60和75天,利用微根
管(Minirhizotron)技术监测柽柳根系生长生态及管
花肉苁蓉接种动态。取景时在根管内插入连接电脑
的摄像头,摄像头的取景范围为20cm,360°全景图
像扫描。图像保存为BMP格式,宽度为1 700像
素,高度为1 540像素,水平分辨率和垂直分辨率均
为199DPI,用 WINRHIZO软件处理,计算出根长、
表面积、体积、投影面积、直径、根尖数等。
1.3.2 干物质量测定方法
于移栽时和移栽后每隔1个月取样,选取长势
一致的柽柳20株,将管花肉苁蓉从柽柳上分离,记
录寄生上管花肉苁蓉的柽柳株数;将每株柽柳上的
管花肉苁蓉合并,并用清水冲洗干净后置于60℃烘
箱中烘至恒重,称量单株柽柳上所有管花肉苁蓉的
总干重。
1.3.3 主要化学成分测定方法
按照2010版《中国药典》的方法测定松果菊苷
和毛蕊花糖苷的含量[12],将干燥后的管花肉苁蓉粉
碎至60目,称1.000g样品用50%甲醇超声提取
40min,取10μL上清液过Agilent 1100LC高效液
相色谱仪,色谱柱为 Phenomenex Luna C18(2)
100A(4.6mm×250mm,5μm)柱,以甲醇为流动
相A,0.1%甲酸为流动相B,梯度洗脱0~27min
(A26.5%+B73.5%),27~50min(A26.5%→
29.5%+B73.5%→70.5%),50~57min(A29.5%+
B70.5%),检测波长330nm,柱温30℃。
按照文献资料[13]的方法测定可溶性糖含量,
将管花肉苁蓉干燥粉末加蒸馏水煮沸,重复提取2
次,合并上清液,加蒽酮和浓硫酸显色,在630nm
处检测吸光度。
1.3.4 数据处理及分析方法
试验数据用 Microsoft Excel 2007 和 SPSS
18.0软件进行处理和统计分析。根系形态结构数
据用根系形态学和结构分析应用软件 WINRHIZO
识别和测定。
2 结果与分析
2.1 柽柳扦插苗地下部分生长速率分析
从图1可见柽柳扦插苗地下根生长动态变化情
况,生长速度出现“慢-快-慢”的基本规律。扦插后
15d未见生根;扦插后15~30d是根系的慢速生长
期,到第30d时柽柳苗的根长为14.20cm,根平均
44
第3期 朱艳霞等:耕层柽柳根生长分布和管花肉苁蓉接种的 WINRHIZO扫描观察
直径为0.382 9mm,总表面积1.738 8cm2,总体积
为0.019 7cm3,根尖数10个;扦插后45~60d是
生根速度最快的时期,这个阶段根长由36.61增加
到137.56cm,伸长速度为6.7cm/d,根直径从
0.260 8长至0.393 9mm,根尖数从21增加到82
个,增加速度为4个/d,根总表面积和总体积也分别
增加了3.7和4.1倍;扦插后60~75d柽柳根系又
进入缓慢生长期,根长的生长速度降为2.4cm/d,
根直径维持在0.39mm,根尖数增加速度为1.5
个/d。
图1 柽柳扦插苗根生长动态
Fig.1 Growth dynamics of the root of tamarix cuttings
2.2 管花肉苁蓉接种动态
根据微根管法原位扫描所得到的图片,扦插柽
柳后15、30、45和60d均未见有管花肉苁蓉寄生,
扦插后第75d首次出现管花肉苁蓉成功寄生的现
象(图2)。图2(a~e)所示为撒种后75d柽柳根的
原位扫描图,图2(f)为放大后清晰可见的小管花肉
苁蓉及柽柳的接种根。应用微根管法可以直观的得
出这些管花肉苁蓉是柽柳扦插后60到75d内寄生
到柽柳根上的,即管花肉苁蓉的接种时间是柽柳扦
插60d以后。
2.3 管花肉苁蓉干物质积累动态
柽柳的被寄生率和单株柽柳上管花肉苁蓉的干
物质量是影响管花肉苁蓉产量的两个最关键因子,
接种上管花肉苁蓉的柽柳植株数越多,每株柽柳上
管花肉苁蓉的干物质量越多,则管花肉苁蓉产量越
高。本研究定期调查了柽柳的被寄生率和单株柽柳
上管花肉苁蓉的干物质量,从图3(a)可看出管花肉
苁蓉移栽时柽柳的被寄生率仅16%,栽培1个月后
迅速增长到52%,栽培的第2个月继续保持增长趋
势,从52%增加到73%,栽培后第3个月起柽柳
的被寄生率趋于稳定,保持在85%左右。说明从移
栽第3个月起,柽柳的被寄生率不再是限制管花肉
苁蓉产量的主要因素。由图3(b)可见管花肉苁蓉
的干物质量在移栽后的第1~3个月处于缓慢增长
时期,单株管花肉苁蓉干物质量从开始移栽时的
0.075g,增加至第3个月末期的2.222g。移栽后
第4、5个月是管花肉苁蓉干物质量迅速增长的时期,
其中第4个月内干物质量从2.222增加到8.125g,
54
中 国 农 业 大 学 学 报 2012年 第17卷
平均每天增加0.197g;第5个月内干物质量从
8.125增加到17.469g,平均每天增加0.311g。
2.4 管花肉苁蓉内松果菊苷和毛蕊花糖苷含量动
态变化
管花肉苁蓉中主要药效成分是苯乙醇苷类物
质,其中《中国药典》规定的检测成分包括松果菊苷
和毛蕊花糖苷。本研究利用高效液相色谱法测定了
管花肉苁蓉中的松果菊苷和毛蕊花糖苷含量,从表
1可见随着栽培时间的延长,管花肉苁蓉中苯乙醇
苷总量呈逐渐降低的趋势,开始移栽时总含量高达
表1 管花肉苁蓉苯乙醇苷含量
Table 1 Phenethyl alcohol glycoside content of the Cistanche tubulosa %
指 标
移栽后时间/月
0 1 2 3 4 5
松果菊苷含量 20.91a 18.35b 16.66bc 12.99c 9.83c 9.60c
毛蕊花糖苷含量 5.07a 5.00a 4.86a 2.82b 1.77c 1.65c
苯乙醇苷总量 25.99a 23.35ab 21.52b 15.81c 11.61c 11.26d
注:小写字母代表显著性水平为0.05,下同。
64
第3期 朱艳霞等:耕层柽柳根生长分布和管花肉苁蓉接种的 WINRHIZO扫描观察
26.0%,其中松果菊苷含量为20.9%,毛蕊花糖苷
含量为5.1%;栽培4个月后苯乙醇苷总含量降低
到11.6%,其中松果菊苷含量减少了11.1%,降至
9.8%,毛蕊花糖苷含量减少了3.3%,降至1.8%;
从栽培后第4个月起管花肉苁蓉中的松果菊苷、毛
蕊花糖苷和苯乙醇苷的总含量均处于稳定状态,分
别保持在9.6%、1.7%和11.3%附近。
2.5 管花肉苁蓉内可溶性糖含量动态变化
管花肉苁蓉中的D-甘露醇和多糖类成分是抗
衰老作用的主要活性成分[14],本研究利用蒽酮比色
法测定了管花肉苁蓉中可溶性糖的含量,从表2可
看出随着栽培时间的延长,管花肉苁蓉中可溶性糖
含量呈逐渐降低的趋势,开始移栽时含量高达267.53
mg/g,移栽后第1个月内减少了13.00mg/g,降低到
表2 管花肉苁蓉可溶性糖含量变化趋势
Table 2 Change trend of soluble sugar content of the Cistanche tubulosa mg/g
指 标
移栽后时间/月
0 1 2 3 4 5
可溶性糖含量 267.53a 254.53ab 248.98b 230.13c 195.76c 191.73d
254.53mg/g;第2个月内减少了5.55mg/g,降低
到248.98mg/g;第3个月和第4个月分别又减少
了18.85和34.36mg/g,降低到195.76mg/g;第5
个月内降低幅度减少,可溶性糖含量稳定在195
mg/g附近。
3 结论与讨论
3.1 微根管法可用于根寄生植物管花肉苁蓉向寄
主柽柳侵染过程的形态观测
管花肉苁蓉寄生于柽柳的根部,人工栽培管花
肉苁蓉是在柽柳根附近开沟撒管花肉苁蓉种子然后
覆土,在接种管花肉苁蓉后,不能从寄主或土壤的外
部形态变化分辨出是否接种成功,更不能定位管花
肉苁蓉的寄生位置,即不能确定管花肉苁蓉的接种
时间和接种位置,导致采挖药材时,必须根据寄主根
生长方向大面积开沟寻找管花肉苁蓉,这种盲目的
采挖方法不仅耗费劳力,而且时常损伤管花肉苁蓉
的肉质茎,使药材质量降低。本研究中首次采用微
根管法定点原位野外观察柽柳根和管花肉苁蓉的接
种动态,该方法既能在保持土壤环境原状的情况下
监测寄主柽柳的根系形态变化,又可快速准确的定
位管花肉苁蓉的接种位置,可以实现对寄主根形态
的观察以及寄生关系建立的随时监测。同时利用微
根管法动态监测管花肉苁蓉的接种过程,有助于研
究寄主根生长环境中的土壤温度、湿度、肥力等因子
对根寄生植物种子萌发和接种的影响,进而可通过
改善土壤营养和水分等因素,调控寄主根系形态,从
而为生产上促进寄生植物接种率提供参考。
3.2 管花肉苁蓉的寄生减慢了柽柳苗的生长速率
育苗期内柽柳扦插苗根的生长速率表现出“慢-
快-慢”的基本规律,15d开始萌芽,15~30d缓慢生
长,45~60d为生长速度最快的时期,60~75d又
进入慢速生长期。动态监测图像表明柽柳扦插后
60d内未见管花肉苁蓉寄生,60~75d管花肉苁蓉
成功寄生到柽柳根部。因此,柽柳苗在60d以后生
长速度减慢的可能原因是管花肉苁蓉寄生后为了维
持生长必须从寄主体内吸取养分,使得柽柳体内的
储存物迅速向管花肉苁蓉内转移。本结果与前人对
其他寄生植物的研究发现相类似,即寄生植物可显
著影响寄主的生长,削弱寄主的生长速率,降低寄主
的生物量,严重时甚至可致寄主死亡[15]。如根性半
寄生植物独脚金(Striga hermonthica)侵染寄主高
粱后,可使高粱的生物量减少30%以上[16];在西班
牙南部、摩洛哥、埃及和以色列等地栽培的大豆常被
列当科寄生性杂草侵染,这些杂草可使大豆减产
80%以上[17];油杉寄生属(Arceuthobiumspp.)的寄
生植物可以诱导寄主在生理和形态上发生变化,显
著增加寄主的水分消耗并降低寄主的叶片水势,导
致寄主植株的生长量减少80%左右[18]。
3.3 管花肉苁蓉的干物质积累动态变化
管花肉苁蓉的干物质积累分成两个阶段,第1
个阶段是移栽后的前3个月,此时期内单株柽柳上
管花肉苁蓉的干物质积累量缓慢增长,但柽柳的被
寄生率处于迅速增长;第2个阶段是移栽后的第4
和第5个月,此时期内单株柽柳上管花肉苁蓉的干
物质积累量迅速增长,但柽柳的被寄生率处于不再
74
中 国 农 业 大 学 学 报 2012年 第17卷
增长。由此说明,前3个月内限制管花肉苁蓉产量
的主要因子是接种率,后期限制管花肉苁蓉产量的
主要因子是单株产量。因此,通过合理的栽培措施,
在前3个月内注重柽柳的根生长,以提高柽柳的被
寄生率,后期注重管花肉苁蓉的营养供应,以迅速增
加管花肉苁蓉的干物质量,才能最大限度地提高管
花肉苁蓉地产量。
3.4 管花肉苁蓉中主要化学成分动态变化
管花肉苁蓉内的松果菊苷、毛蕊花糖苷和可溶
性糖等主要化学成分的含量有随着生长时间的延长
而逐渐降低再趋于稳定的趋势。由此说明,单个管
花肉苁蓉的干物质量和主要化学成分含量之间存在
负相关的关系,即随着栽培时间的延长,管花肉苁蓉
的干物质量增加,但主要化学成分含量降低。因此,
在生产实践中,为协调群体产量和质量的相互关系,
北京地区利用轻基质网袋容器育苗移栽技术栽培的
1年生管花肉苁蓉,在移栽5个月以后采收较好,此
时的管花肉苁蓉按干燥品计算松果菊苷含量高于
9.6%、毛蕊花糖苷含量高于1.7%,苯乙醇苷总量
高于11.3%,可溶性糖含量高于0.19%。
参 考 文 献
[1] 雷丽,宋志宏,屠鹏飞.肉苁蓉属植物的化学成分研究进展[J].
中草药,2003,34(5):473-476
[2] 曾群力,毛俊浩,吕志良.肉苁蓉多糖的纯化及其对T细胞功
能调节的研究[J].浙江大学学报 :医学版,1998,27(3):108-
111
[3] 何伟,宗桂珍,武桂兰,等.肉苁蓉中雄性激素样作用活性成分
的初探[J].中国中药杂志,1996,21(9):564-565
[4] 李丽,时东方,桂语歌,等.肉苁蓉中苯乙醇苷化合物的抗氧化
活性研究[J].安徽农业科学,2009,37(32):15835-15836
[5] 玄国东,刘春泉.肉苁蓉苯乙醇苷对D-半乳糖致衰老模型小鼠
的抗衰老作用研究[J].中药材,2008,31(9):1385-1388
[6] 李刚.肉苁蓉苯乙醇苷促智作用实验研究[J].内蒙古医学院学
报,2011,33(2):141-143
[7] 廖荣伟,刘晶淼,安顺清,等.基于微根管技术的玉米根系生长
监测[J].农业工程学报,2010,26(10):156-161
[8] 徐少君,曾波.三峡库区5种耐水淹植物根系增强土壤抗侵蚀
效能研究[J].水土保持学报,2008,22(6):13-17
[9] 栗岩峰,李久生,饶敏杰.滴灌施肥时水肥顺序对番茄根系分布
和产量的影响[J].农业工程学报,2006,22(7):205-207
[10]孔清华,李光永,王永红,等.不同施肥条件和滴灌方式对青椒
生长的影响[J].农业工程学报,2010,26(7):21-25
[11]宋曰钦,翟明普,贾黎明.不同年龄三倍体毛白杨纸浆林生长期
间细根变化规律[J].生态学杂志,2010,29(9):1696-1702
[12]国家药典委员会.中华人民共和国药典2010年版[M].北京:
中国医药科技出版社,2010:126
[13]李合生,孙群,赵世杰,等.植物生理生化实验原理和技术[M].
北京:高等教育出版社,2000
[14]薛德钧,章明,吴小红,等.肉苁蓉抗衰老活性成分的研究[J].
中国中药杂志,1995,20(11):687-689
[15]Yoder J I.Parasitic plant responses to host plant signals:a
model for subterranean plant-plant interactions[J].Plant
Biology,1999,2:65-70
[16]Tennakoon K U,Pate J S.Heterotrophic gain of carbon from
hosts by the xylem tapping root hemiparasite Olax phyllanthi
(Olacaceae)[J].Oecologia,1996,105:369-376
[17]Rubiales D,Moreno M T,Silero J C.Search for resistance to
Crenate Broomrape (Orobanche crenata Forsk.)in pea
germplasm[J].Genetic Resources and Crop Evolution,2005,52
(7):853-861
[18]Sala A,Carey E V,Calaway R M.Dwarf mistletoe affects
whole tree water relations of Douglas fir and western larch
primarily through changes in leaf to sapwood ratios[J].
Oecologia,2001,126:42-52
责任编辑:袁文业
84