遠志養(yǎng)分吸收規(guī)律及其與藥效成分積累的關系

張 潔，張 瑩，賈小云，孫寶旭，張瑞瑞，馬存根，梁建萍*

（1 山西農業(yè)大學，山西太谷 030801；2 山西農業(yè)大學生命科學學院，山西太谷 030801；3 山西農業(yè)大學信息學院，山西太谷 030800；4 山西中醫(yī)藥大學，山西晉中 030619）

遠志 (Polygala tenuifoliaWilld) 是遠志科(Polygalaceae) 遠志屬 (Polygala) 多年生草本植物，以根入藥，是我國重要的大宗藥材之一，具有安神益智、交通心腎、祛痰消腫等功效[1]。從遠志中分離得到的成分有三萜皂苷類、口山酮類、寡糖酯類、生物堿類、苯丙素類、內酯類；其中三萜皂苷類、口山酮類和寡糖酯類是主要活性成分[2]。遠志分布于我國東北、華北、西北等地，主產于山西、陜西、河北、山東、河南等，且山西、陜西產量大，供應全國[3]。山西為道地產區(qū)，習稱‘關遠志’[4]。近年來，隨著市場需求的不斷增加和野生資源的逐年減少，遠志資源的供需矛盾日益突出。國家為保護遠志野生資源和保障其藥用量，積極開發(fā)推廣遠志人工種植，但各產地生產的遠志質量不均，良莠不齊。實行配方施肥和規(guī)范化種植是目前藥用植物栽培中亟待解決的核心問題[5]，不僅影響藥材的產量，也關系到藥效成分的合成與積累。摸清藥用植物的營養(yǎng)吸收規(guī)律是實現(xiàn)配方施肥的基礎。目前已進行了根莖類中藥材丹參、半夏、黃芪、桔梗、柴胡[6-10]等的營養(yǎng)吸收研究，而關于遠志營養(yǎng)吸收規(guī)律及其與主要藥效成分形成和積累的關系鮮有報道。本研究以3年生遠志為研究對象，通過測定遠志返青后不同生長期營養(yǎng)元素和藥效成分含量，探明遠志營養(yǎng)元素吸收和藥效成分累積規(guī)律，明確影響藥效成分積累的營養(yǎng)元素種類，從而為科學地制定遠志的肥料配方提供理論依據，為大幅度提高道地藥材品質與產量提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在山西省平遙縣晉藥集團藥材基地，該區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，海拔768 m，年均氣溫10.6℃，1月均溫-5℃，7月均溫24℃，最高溫41℃，最低氣溫-20℃，一般在10月中旬，日最低氣溫始降至0℃或以下，4月中旬升至0℃以上。年平均降水量415 mm，平均初霜期始于10月上旬，終霜期在4月中旬，全年無霜期約180天。

1.2 試驗設計

本研究所用材料是3年生遠志。供試土壤為砂壤土，0—30 cm土層基本理化性狀：pH值8.74，堿解氮28.23 mg/kg、有效磷12.62 mg/kg、速效鉀90.1 mg/kg、有機質12.74 g/kg。返青后追肥，施肥量為氮磷鉀復合肥 (17∶17∶17) 750 kg/hm2，種植行距45 cm，株距3 cm。

試驗材料于2015年7月8日播種，2017年3月26日幼苗全部返青，5月4日 (遠志返青后40天) 第一次采樣，以后每隔20天采樣一次，至10月9日 (返青后195天) 遠志地上部枯黃，當年生長基本結束為止，共取樣9次。采樣時間為早晨8：00—9：00，采用5點隨機采樣法，挖取遠志完整植株，去掉泥土，編號后迅速裝入取樣袋，帶回實驗室測定單株地上部和根的生物量。將遠志根及地上部分別用粉碎機粉碎，測定營養(yǎng)元素氮、磷、鉀、鈣、鎂、銅、鋅、鐵及3類藥效成分總皂苷、總黃酮及總酚的含量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生物量測定 用蒸餾水清洗遠志植株表面泥土，擦拭干凈，標記后測定單株根及地上部鮮重；之后把根及地上部分別裝袋放入鼓風干燥箱中105℃殺青30 min，然后在70℃下烘干至恒重，測定根及地上部干物質重。

1.3.2 氮、磷、鉀含量的測定 用萬分之一電子天平準確稱取遠志粗粉0.2000 g，置于100 mL消化瓶中，先用少量水浸潤瓶內樣品，采用H2SO4-H2O2消化至無色后定容；吸取上述消化液采用凱氏定氮法測定樣品中全氮含量，釩鉬黃比色法測定全磷含量，火焰光度計法測定全鉀含量[11]。

1.3.3 微量元素含量的測定 采用濃硝酸-高氯酸消化樣品，使用ICP法[12]測定遠志根及地上部樣品中微量元素鈣、鎂、銅、鋅、鐵含量。

1.3.4 藥效成分含量的測定 以遠志皂苷元為對照品制作標準曲線，香草醛-高氯酸顯色法測定總皂苷含量[13]。以遠志口山酮為對照品制作標準曲線，利用黃酮類化合物與鋁鹽生成黃色絡合物，Al(NO3)3顯色法測定總黃酮含量[14]。以阿魏酸為對照品制作標準曲線，福林酚法測定總酚含量[15]。

將遠志根粗粉過0.38 mm篩，并用萬分之一電子天平準確稱取1 g，加75%乙醇20 mL，超聲提取30 min，過濾，殘渣再加75 %乙醇20 mL，超聲提取30 min，合并濾液，定容至50 mL，即得提取液。吸取適量提取液，置于10 mL具塞試管中，加入0.2 mL 5%香草醛-冰醋酸試劑 (現(xiàn)配) 和0.8 mL高氯酸，搖勻，置于60℃顯色15 min，加冰醋酸5 mL，冰水中冷卻10 min，在568 nm處測定吸光度。取遠志皂苷元標準品配成濃度為0.5 mg/mL的溶液，用香草醛-高氯酸顯色法制作標準曲線，方程為y = 0.0117x-0.0682 (R2= 0.9928)，用于測定總皂苷含量。每個樣品重復3次。吸取適量提取液，置于10 mL具塞試管，用蒸餾水定容至2.0 mL，依次加入3 mL福林試劑，3 mL 10% Na2CO3溶液，黑暗處放置1 h后用蒸餾水定容至10 mL，搖勻，778 nm處測定吸光度。將阿魏酸標準品配成濃度為0.95 mg/mL的溶液，用福林試劑顯色法制作標準曲線，方程為y = 0.0099x-0.0314 (R2= 0.9914)，用于測定總酚含量。每個樣品重復3次。

將遠志根粗粉過0.38 mm篩，并用萬分之一電子天平準確稱取1 g，置于50 mL容量瓶，加甲醇35 mL，浸泡2 h，超聲提取30 min，加甲醇至刻度，靜止24 h，即得提取液。吸取適量提取液，用60%甲醇定容至2 mL，加入0.5 mL10% Al(NO3)3溶液，40℃顯色10 min，用60%甲醇定容至6 mL，搖勻，在400 nm處測定吸光度。將遠志口山酮標準品配成濃度為1 mg/mL的溶液，用硝酸鋁絡合顯色法制作標準曲線，方程為y = 0.0033x + 0.0012 (R2=0.9968)，用于測定總黃酮含量。每個樣品重復3次。

1.3.5 參數(shù)計算 干物質增長率 = (所求時期干物質累積量-前期干物質累積量) /前期干物質累積量×100%；

養(yǎng)分積累量 (g) = 根干物質 (g) ×養(yǎng)分含量 (%)；

經濟產量 (g) = 根干物質 (g) ×藥效成分含量 (%)。

1.4 數(shù)據處理

試驗數(shù)據采用Excel 2003和SPSS 13.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 干物質累積量動態(tài)變化

由圖1可知，遠志地上部干物質累積趨勢表現(xiàn)為先升高后降低，而根干物質累積表現(xiàn)為直線增加。返青后 40 天，地上部生長加快，干物質累積量占全生育期最高累積量 (返青后160天) 的50.9%，之后地上部干物質累積增長率在返青100天達到最大，為30.1%，返青后160天，地上部干物質累積量達全生育期最高值，返青160～195天，地上部干物質累積量出現(xiàn)負值。整個生育期，遠志根部干物質累積量呈直線增加，返青140～195天，根干物質累積加快，占全生育期干物質累積總量的55.9%。在整個生長發(fā)育過程中，遠志生長前期 (返青后40～140天) 以地上部莖葉生長、開花結果為主，地上部干物質累積量大于根，生長后期 (返青后160～195天)，生長中心由地上部轉移到根，根的干物質累積量大于地上部。

圖1 遠志不同生長期干物質累積量Fig. 1 Dry matter accumulation in different growth stages in Polygala tenuifolia Willd

2.2 不同生長時期遠志根及地上部氮、磷、鉀含量及累積量動態(tài)變化

2.2.1 氮含量及氮累積量動態(tài)變化 由圖2可知，遠志不同生長期根及地上部氮素含量呈不同變化趨勢，返青40天后地上部含氮量最高，為6.08%，之后逐漸下降，其間出現(xiàn)三次降低后又升高的現(xiàn)象，返青后195天降到最低，為1.84%。根的含氮量在1.56%～4.43%之間，從返青后60～180天內，逐漸降低，采收前 (返青后195天) 又升高至3.36%。從整體趨勢來看，地上部含氮量高于根，遠志返青后195天，地上部逐漸枯死，含氮量降至最低，此時氮素大量向根部轉移，根的含氮量升高。

圖2 遠志不同生長期氮含量及氮累積量Fig. 2 Content and accumulation of N in different growth stages of Polygala tenuifolia Willd

遠志不同生長時期，地上部和根對氮素累積量不同，存在階段性差異。遠志地上部和根氮累積總量最高的時期在返青后100天 (18.31 g/m2) 和140天(18.77 g/m2)，此時處于遠志地上部莖葉生長和開花結果的并進時期，光合作用能力強，種子正在發(fā)育，含氮量高，根系也在不斷增加干物質累積，屬遠志的旺盛生長時期，對氮素需求量大。因此，返青后100～140天是遠志氮需求量最大時期，對氮素的需求量為18.77 g/m2。

2.2.2 磷含量及磷累積量動態(tài)變化 由圖3可知，隨生育進程的推進遠志根及地上部分磷含量變化趨勢一致，返青40天后地上部含磷量最高，為0.62%，之后逐漸下降；返青后100天達到最低，為0.19%，隨后升高；在140天達到0.59%，隨后又降低，采收前又有所提高 (0.29%)。根的含磷量在0.14%～0.55%之間，從返青后60～180天內，也表現(xiàn)為先降后升再降的趨勢，采收前 (返青后195天) 又升高至0.51%，磷含量最高點出現(xiàn)在返青后140天 (0.55%)。從整體趨勢來看，地上部和根含磷量動態(tài)變化趨勢一致，遠志返青后140天地上部含磷量處于較高水平 (僅低于返青后40天)，此時根含磷量最高。

遠志不同生育時期，植株對磷素吸收累積量不同，存在階段性差異。返青后140天，遠志對磷的總累積量最大，為3.07 g/m2，此時遠志地上部和根的磷含量都處于較高水平，地上部進行莖葉生長和開花結果，光合作用能力強，同時種子正在發(fā)育，對磷需求量大。所以返青后140天是遠志磷素營養(yǎng)需求最大的時期。

2.2.3 鉀含量及鉀累積量動態(tài)變化 遠志返青40天后地上部含鉀量最高，為0.97%，隨植物的生長，鉀含量逐漸降低，在140天又升高達到0.83%，隨后又降低，返青后160天達到最低 (0.49%)，采收前又有所提高 (0.73%)。返青后40～140天，根的含鉀量較穩(wěn)定，在0.41%～0.43% 之間，從返青后160天降至最低點，為0.24%，隨后又升高，采收前(返青后195天) 升高到0.46%。從整體趨勢看，地上部和根含鉀量變化趨勢一致，遠志返青后140天地上部含鉀量處于較高水平，此時根含鉀量也較高 (圖4)。

圖3 遠志不同生長期磷含量及磷累積量Fig. 3 Content and accumulation of P in different growth stages of Polygala tenuifolia Willd

圖4 遠志不同生長期鉀含量及鉀累積量Fig. 4 Content and accumulation of K in different growth stages of Polygala tenuifolia Willd

遠志不同生長時期，植株對鉀素吸收累積量不同，存在階段性差異。返青后140天，遠志對鉀的總累積量最大，為3.36 g/m2，此時遠志地上部和根的鉀含量都處于較高水平，地上部進行莖葉生長，根系也在發(fā)育，對鉀需求量大。因此，返青后140天屬于遠志鉀素營養(yǎng)需求最大的時期。

綜上分析，遠志植株對氮素的最大需求時期在返青后100～140天，需氮18.77 g/m2，對磷、鉀的最大需求時期在返青后140天，需磷3.07 g/m2，需鉀3.36 g/m2。

2.3 不同時期遠志根及地上部分中微量元素含量變化

由表1可知，遠志體內中微量元素含量依次為Ca 〉 Mg 〉 Fe 〉 Zn 〉 Cu，中微量元素在遠志不同生長發(fā)育時期及同一時期的不同器官含量不同，呈階段性波動變化。遠志地上部Ca、Mg的含量始終高于根，地上部Ca含量在返青后195天達最高，根Ca含量在160天達最高值；地上部和根Mg含量變化趨勢一致，先降低后升高，在195天均達最高值。地上部和根Fe含量變化趨勢一致，先升高后降低，均出現(xiàn)兩次峰值，在返青后160天含量均達到最高值。地上部和根Zn含量在返青后40～180天整體變化趨勢均表現(xiàn)為先降低后升高，地上部Zn含量在195天達最高值，而根Zn含量在180天后降低。地上部和根Cu含量整體變化趨勢一致，先降低后升高，在195天達最高值。中微量元素含量隨生育期發(fā)生波動，可能與藥效成分的生物合成有關。

2.4 不同時期遠志根中藥效成分含量及經濟產量變化

在整個生育期中，三類藥效成分總皂苷、總黃酮和總酚含量變化趨勢不同，總皂苷含量先降低后升高再降低，返青后40天含量最高，為2.53%，隨后降低，在返青后120天再次升高到2.41%，隨后降低 (圖 5)。

總黃酮含量呈波動變化，總體保持在一定水平，返青后40天為0.63%，在180天達最高，為0.74%，在195天再次降低至0.49%。

表1 遠志返青后不同時期地上部和根部養(yǎng)分含量 (mg/kg)Table 1 Element contents in different days after revival of Polygala tenuifolia plants

圖5 遠志不同生長期根中藥效成分含量及經濟產量Fig. 5 Contents and yields of three bioactive components of root in different growth stages of Polygala tenuifolia Willd

總酚含量在返青40天后逐漸提高，180天后達最高，為4.46%，至195天又降低至3.75%。

在整個生育期中，3類藥效成分總皂苷、總黃酮、總酚累積量的總趨勢基本一致，均為先增加后降低，累積量均在返青后180天達到最大值。總皂苷累積量出現(xiàn)兩次峰值，分別在返青后140天 (6.28 g/m2) 和180天 (6.43 g/m2)，總酚累積量也出現(xiàn)兩次峰值，分別在返青后80天 (2.37 g/m2) 和180天 (4.31 g/m2)，總黃酮積累量只有一次峰值，出現(xiàn)在返青后180天 (2.35 g/m2)。返青后195天，地上部逐漸枯萎，3類藥效成分經濟產量有所降低 (圖5)。

2.5 營養(yǎng)元素含量與藥效成分含量的相關性分析

遠志生長發(fā)育期間，營養(yǎng)元素氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵、銅、鋅含量與藥效成分總皂苷、總黃酮、總酚含量之間的相關性分析 (表2) 結果表明，總黃酮含量與鋅元素含量呈顯著正相關 (P〈 0.05)；總酚含量與鋅元素含量呈極顯著正相關 (P〈 0.01)；總皂苷與各營養(yǎng)元素含量之間沒有相關性。

表2 遠志根中營養(yǎng)元素含量與藥效成分含量的相關性分析Table 2 Correlations among mineral element contents and three active components in root of Polygala tenuifolia Willd

3 討論

植物營養(yǎng)吸收規(guī)律是合理施肥的基礎，研究遠志對營養(yǎng)元素的吸收規(guī)律及藥效成分經濟產量累積規(guī)律，是科學制定遠志肥料配方、確定合理采收期的理論依據，是提高道地藥材產量與品質的關鍵技術。

本研究表明，遠志地上部及根系氮、磷、鉀含量隨生育期而不同，表現(xiàn)了不同的變化趨勢。地上部含氮量始終高于根系，地上部莖葉進行光合作用，要維持較高的含氮量，地上部開花、種子發(fā)育也需要大量的氮素。遠志屬于無限花序，邊開花邊結果，種子隨熟隨落，導致遠志地上部含氮量降低。宋長水等[16]研究認為，遠志從開花受精到種子成熟約需23天，這可能是遠志地上部含氮量間隔20天突然升高又突然降低的原因。遠志返青后195天，地上部和根系磷、鉀含量突然升高，可能與氣溫降低，遠志植株積累磷、鉀提高自身抗寒性有關。

植物營養(yǎng)最大效率期指某種養(yǎng)分能夠發(fā)揮其最大增產效能的時期，這一時期植物生長迅速，對某種養(yǎng)分的需求量和吸收量最多[17]。本研究結果表明，遠志植株對氮素的吸收量最多的時期在返青后100～140天，需氮18.77 g/m2，對磷、鉀的吸收量最多的時期在返青后140天，需磷3.07 g/m2，需鉀3.36 g/m2。根據遠志對氮、磷、鉀的吸收特點，生產中要結合土壤供肥特性，在返青后100～140天，重點施用氮肥，在返青后140天，滿足遠志對磷、鉀的需求。

本研究相關性分析結果表明，總黃酮、總酚含量與植株Zn含量存在正相關關系。其他藥材的研究也有類似結果，如黨參栽培中，鋅對多糖含量的正效應最大[18]；亳芍中多糖含量與Cu、Zn、Na呈正相關[19]；青蒿中有效成分青蒿素的含量與Ca、Cu、Fe等元素具有相關性[20]；銅陵道地丹皮的特征微量元素Cd、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn對丹皮酚和丹皮多糖的積累均有一定的協(xié)同作用[21]；甘草藥材中甘的草苷含量與Mn、Pb含量呈顯著正相關[22]；蒙古黃芪多糖質量分數(shù)與鋅元素間存在顯著正相關，與Cu、Fe、Mn元素間存在極顯著正相關[23]，Mn、Mo促進黃芪多糖含量的增加[24]。分析其原因可能是，藥材中的藥用成分屬于次生代謝物，微量元素作為次生物質代謝的催化劑或參與藥效成分的結構功能，從而影響藥效成分的形成和積累，進而影響藥效成分的合成和積累[25]。藥材中微量元素含量的研究有可能為解釋中藥道地性及指導道地藥材栽培開辟一條新的途徑。有關Zn對遠志總黃酮及總酚積累的作用及其機理，有待進一步研究。

遠志的不同生長期，3類藥效成分含量表現(xiàn)了不同的變化趨勢，在生產中更關心的是遠志藥效成分的經濟產量，即藥效成分含量與根干物質量的乘積。在中藥材實際生產過程中，采收是藥材生產過程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響藥材的質量與產量[26]。《中華人民共和國藥典》2015版對遠志采收期的規(guī)定為“春、秋二季采挖”[1]。山西平遙遠志產區(qū)，遠志根的秋季采挖時間在10月上旬霜降前，此時遠志地上部生長基本停止。本研究發(fā)現(xiàn)，返青后195天(10月9日)，遠志根中3類藥效成分含量有所降低，導致經濟產量比返青后180天降低，總皂苷降低4.92%，總黃酮降低31.45%，總酚降低18.05%。因此，建議遠志秋季采挖的最佳時間是返青后180天 (9月25日)。

4 結論

遠志地上部干物質積累在整個生育期內呈先升高后下降的趨勢，根部干物質積累呈直線上升趨勢。返青后 160～195天，生長中心轉移到根，根的干物質積累量大于地上部。返青后140～195天是遠志根干物質積累最快的時期。遠志氮營養(yǎng)最大效率期在返青后100～140天，磷、鉀營養(yǎng)最大效率期在返青后140天，應適時追加氮、磷、鉀肥，以保證遠志光合作用及根部生物量的積累，在遠志施肥中應保證鋅元素的供給。在整個生育期中，3類藥效成分總皂苷、總黃酮及總酚累積量趨勢基本一致，均為先增加后降低，其經濟產量在返青后180天即9月25日達到最大值，建議生產中在9月底進行采挖。