孫香榮, 李娟, 鈕顏宇, 郭志祥, 李連珍, 齊輝, 杜家方, 張重義,2
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.福建農(nóng)林大學(xué)作物科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350002)
地黃(Rehmanniaglutinosa)為玄參科地黃屬多年生草本植物,以新鮮或干燥塊根入藥,具有重要的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。地黃在生產(chǎn)中存在嚴(yán)重的連作障礙問題,早在明清時(shí)期的《本草乘雅半偈》就有記載[2]。其地上部分生長較小;地下塊根多形成毛根或須根,產(chǎn)量降低;塊根有效成分積累量降低,質(zhì)量下降;土壤病蟲害嚴(yán)重,塊根變黑腐爛等。
化感自毒作用是引起地黃連作障礙的主要因素[3],化感自毒物質(zhì)的準(zhǔn)確篩選及生態(tài)功能驗(yàn)證是目前的研究瓶頸之一。隨著色譜及質(zhì)譜鑒定技術(shù)的發(fā)展,研究者們利用GC-MS,HPLC-MS等方法從地黃根際土壤中檢測出酚酸類、脂肪酸類、環(huán)烯醚萜苷類和苯乙醇苷類化合物等幾十種潛在化感物質(zhì)[4-6]。由于根系分泌物的大量收集和分離難度較大,目前對于上述化感物質(zhì)的驗(yàn)證,仍主要依靠生物測試的方式[7]。土壤微生態(tài)系統(tǒng)極為復(fù)雜,要較準(zhǔn)確地評價(jià)化感物質(zhì)的化感潛力必須進(jìn)行田間試驗(yàn)。而由于化感物質(zhì)間的協(xié)同、拮抗等交互作用及劑量效應(yīng)的存在,即使能分離或合成化感物質(zhì)單體,其生態(tài)功能驗(yàn)證僅靠簡單的外援添加試驗(yàn)也不準(zhǔn)確。基于此,研究者提出了將基于目標(biāo)成分“敲出”的藥效辨識模式的方法用以篩選植物化感物質(zhì)的思路[8],而大量的富集和分離土壤提取物則是這一技術(shù)的前提。
膜分離技術(shù)是近代興起的一項(xiàng)綠色工業(yè)分離新技術(shù),其以選擇性透過膜為分離介質(zhì),根據(jù)混合物的理化性質(zhì)的不同,在壓力差、濃度差等因素推動下,使原料得以被分離、提純和濃縮[9]。主要的膜分離技術(shù)有微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜、集成聯(lián)用技術(shù)、分子印跡復(fù)合膜、膜蒸餾技術(shù)等[10]。其分離效率高,操作的溫度和壓強(qiáng)較低,適合生物活性物質(zhì)的分離,可最大限度地保存產(chǎn)品的生物活性,且耗能低,使用方便,操作簡單。本研究將膜分離技術(shù)應(yīng)用到對土壤中化感物質(zhì)的富集工藝研究中,通過膜分離實(shí)現(xiàn)化感物質(zhì)的過濾、除雜、富集,并結(jié)合盆栽試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,為研究地黃化感自毒物質(zhì)及其化感效應(yīng)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
1.1.1 土壤樣品的采集 試驗(yàn)所用土壤取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)許昌校區(qū)試驗(yàn)田,包括2017年的地黃試驗(yàn)地(根區(qū)土)和試驗(yàn)地附近10 a內(nèi)未種植過地黃的土壤(對照土)。根區(qū)土壤的采集在地黃采收時(shí)進(jìn)行,在采挖地黃時(shí),收集其地下5~20 cm的根區(qū)土壤,將采集的土樣去除石塊和植物根系等雜質(zhì),置于陰涼通風(fēng)處自然干燥,過50目篩后儲存?zhèn)溆谩?/p>
1.1.2 供試品種 供試品種為地黃‘溫85-5’品種,由河南省溫縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供,經(jīng)河南農(nóng)業(yè)大學(xué)高致明教授鑒定為地黃(Rehmanniaglutinosa)。選擇生長健壯無病蟲害,直徑為2~3 cm的地黃塊莖作為種栽段,種前用80%多菌靈可濕性粉劑500倍液浸泡30 min。
1.1.3 膜的選擇 根據(jù)前人從地黃及其根區(qū)土壤中分離出的化感物質(zhì)的相對分子質(zhì)量[5,11],分別選用了孔徑為0.2 μm微濾膜元件、截留相對分子質(zhì)量為5 000和150 D的超濾膜和納濾膜元件及反滲透膜元件作為試驗(yàn)材料,各膜元件的工作參數(shù)見表1。
1.1.4 儀器 卷式膜小型分離實(shí)驗(yàn)機(jī)(BONA-GM-19、濟(jì)南博納生物技術(shù)有限公司)、離心機(jī)(TDZ5-WS、湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司)、超聲波清洗器(KQ5200DE、昆山市超聲儀器有限公司)、手持式SPAD葉綠素儀(SPAD-502Plus、柯尼卡美能達(dá)控股公司)、電導(dǎo)率儀(IS228BASIC、上海儀邁儀器科技有限公司)、高效液相色譜儀(Waters 2489、Waters公司)、根系掃描儀(WinRHIZO Manual 2013,愛普生(中國)有限公司)、人工氣候箱(PQX-330A-2013、寧波萊??萍加邢薰?、循環(huán)水多用真空泵(SHB-3、鄭州杜甫儀器廠)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-52AA、上海亞榮生化儀器廠)、50目藥典篩(GB/T 6003.1—1997、新鄉(xiāng)市同心機(jī)械有限責(zé)任公司)等。
表1 濾膜工作參數(shù)Table 1 Operating parameters of the filter membrane
1.1.5 試劑 甲醇為色譜純(DIKMA公司生產(chǎn)),對照品:香豆酸(批號500-05-0,北京百靈威科技有限公司)、香草酸(批號10776-200402,中國藥品生物制品檢定所)、丁香酸(批號530-57-4,Acros Organics)、對羥基苯甲酸(批號99-96-7,上海源葉純生物技術(shù)有限公司)、阿魏酸(批號537-98-4,上海源葉純生物技術(shù)有限公司),冰乙酸(批號64-19-7,Aladdin Industrial Corporation)、多菌靈(PD20090355、山東恒越化工產(chǎn)品有限公司)。
1.2.1 地黃根區(qū)土中化感物質(zhì)的提取 將預(yù)處理過的地黃根區(qū)土壤,分別裝入容器,共加入土樣量6倍的蒸餾水,分3次進(jìn)行超聲提取,每次30 min,經(jīng)過離心,抽濾除雜,取上清液。另取試驗(yàn)地附近10 a內(nèi)未種植過地黃的土壤,用同樣的方法提取化感物質(zhì)作為對照。
1.2.2 地黃根區(qū)土壤水提液的富集與濃縮 利用卷式膜分離系統(tǒng),分別通過微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜進(jìn)行濃縮,得到4種不同分子段截留的濃縮液。將獲得的對照土壤的水提液也分別通過微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜進(jìn)行濃縮,得到4種不同分子段截留的濃縮液,備用。
1.2.3 地黃根區(qū)土壤水提液富集效率的測定 分別取4種不同的截留液各50 mL,溶液置于蒸發(fā)皿中,充分蒸干其中的水分,測量剩余物質(zhì)的含量,并計(jì)算其質(zhì)量濃度;同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)用土總量及質(zhì)量濃度,計(jì)算其富集效率,其計(jì)算公式為:
1.2.4 不同截留液中的酚酸類化感物質(zhì)含量測定
1.2.4.1 混合對照品溶液的制備 分別精密稱取香豆酸、對羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸對照品各1 mg,加色譜甲醇溶解并定容至1 mL容量瓶,即得質(zhì)量濃度為1 g·L-1香豆酸、對羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸、阿魏酸混合標(biāo)準(zhǔn)品溶液。置于冰箱中冷藏,備用。進(jìn)樣時(shí)取混合標(biāo)準(zhǔn)品溶液稀釋到質(zhì)量濃度為0.125 g·L-1,過0.22 μm微孔濾膜。
1.2.4.2 供試樣品溶液的制備 將上述1.2.2項(xiàng)下得到的不同分子直徑的截留液各500 mL,置旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上55 ℃減壓蒸發(fā)濃縮,直至觀察不到水分,加甲醇溶解定容至2 mL,搖勻避光,4 ℃保存,備用。待測液測試前過0.22 μm濾膜。
1.2.4.3 色譜條件 儀器為Waters 2489;色譜柱為Sun Fire TMC18(4.6 mm×150 mm,5 μm);檢測波長280 nm;流速1 mL·min-1;進(jìn)樣量20 μL;柱溫28 ℃;甲醇(A)-0.2 %冰乙酸水(B)系統(tǒng),梯度洗脫(0~16 min,15%~20%甲醇;16~32 min,20%~32%甲醇)。
1.2.5 不同截留液的化感效應(yīng)測試 將從22.34 kg地黃根際土壤中得到的4種截留液各500 mL,分別拌入對照土中,混合均勻,用10 cm×10 cm方盆栽種預(yù)先處理過的地黃塊根,另設(shè)對照土和根區(qū)土的土壤種植作為對照,每個(gè)處理重復(fù)6次,后期采用常規(guī)管理方式。
1.2.6 地黃苗期生長及生理指標(biāo)的測定 在苗期進(jìn)行取樣測定,葉綠素含量用手持式SPAD葉綠素儀進(jìn)行測定;電導(dǎo)率的測定是根據(jù)蒼晶等[12]植物組織逆境傷害程度的測定的方法,因地黃葉片上有絨毛,把抽真空時(shí)間改為20 min;根系活力測定采用甲烯藍(lán)染色法;根系形態(tài)特征用根系掃描儀對根部進(jìn)行掃描。
1.2.7 統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2011和SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖,采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P=0.05和P=0.01)。
2.1.1 線性關(guān)系考察 設(shè)置酚酸混合對照品溶液進(jìn)樣量為1,2,4,6,8,12,16,20 μL,按“1.2.4.3”項(xiàng)下條件測定,以進(jìn)樣量為橫坐標(biāo)(X),峰面積為縱坐標(biāo)(Y),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得線性回歸方程如表2所示。
表2 5種酚酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線Table 2 Standard curves of 5 phenolic acids
2.1.2 精密度試驗(yàn) 精密吸取混合對照品溶液,按“1.2.4.3”色譜條件重復(fù)測定 6 次,記錄峰面積并計(jì)算RSD值,得到香豆酸、對羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸的色譜峰面積的RSD分別為0.037 6%,0.010 8%,0.020 8%,0.002 9%,0.003 5%。
2.1.3 穩(wěn)定性試驗(yàn) 將納濾膜截留液在制備后放置 0,2,4,6,8,10 h,按“1.2.4.3”色譜條件進(jìn)行定量分析,測得香豆酸、對羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸在不同時(shí)間色譜峰面積的RSD值為 0.192 1%,2.538 9%,1.117 7%,1.343 1%,3.525 7%。
2.1.4 重復(fù)性試驗(yàn) 將納濾膜截留液按“1.2.4.3”色譜條件重復(fù)測定6次進(jìn)行定量分析,計(jì)算分析得到香豆酸、對羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸含量的RSD值分別為0.0861%,2.6175%,1.223 8%,1.355 5%,3.469 01%。
將預(yù)處理過的地黃根區(qū)土壤水提液通過不同分子大小的卷式膜之前,測其pH值為6.47,總干物質(zhì)質(zhì)量濃度為2.78 g·L-1,經(jīng)過不同分子段的卷式膜后,各分子段濾膜截留后溶液的質(zhì)量濃度如表3所示,其富集效率:納濾膜 >反滲透濾膜 >微濾濾膜 >超濾濾膜。納濾膜對根區(qū)土壤水提液的富集效率最高,納濾膜可以截留50%的無機(jī)鹽離子、低聚糖、多價(jià)離子等直徑在0.001 μm以上的物質(zhì),而能透過膜的只有一些相對分子質(zhì)量很小的物質(zhì)及部分無機(jī)鹽離子。
表3 不同膜元件對地黃根區(qū)土壤水提液富集效率的影響Table 3 Effect on enrichment effiency of soil water extracts from root zone of Rehmannia glutinosa by different membrane elements
由表4可知,地黃根區(qū)土提取液的不同分子直徑截留液中均檢測到酚酸類化合物(圖1),但酚酸類化合物的種類和含量相差很大,微濾膜截留液和納濾膜截留液中的酚酸類物質(zhì)種類最多,含量也較高。其中,納濾膜截留液中的5種酚酸的含量最高,與其富集效率相一致;而微濾膜在本試驗(yàn)中主要起到過濾分離固體顆粒的作用,其截留液中存在較多的酚酸類物質(zhì),可能與土壤提取液中固體顆粒的吸附效應(yīng)有關(guān)。在本試驗(yàn)中,對照土中每種截留液都檢測到阿魏酸,且含量高于試驗(yàn)組。據(jù)調(diào)查,取樣土壤在近2 a內(nèi)種植過小麥,在撂荒的年份,地里蒲公英、青蒿、牽牛、蒼耳、益母草等雜草的密度比較高。蒲公英[13]、牽牛[14]、蒼耳[15]植物及種子中都能檢測出5種酚酸類物質(zhì)中的阿魏酸。蒲公英中還檢測出對羥基苯甲酸、丁香酸。這些植物殘?bào)w在土壤中的分解,可能是導(dǎo)致阿魏酸含量偏高的原因。
注:A.5種酚酸標(biāo)準(zhǔn)品HPLC色譜圖;B.微濾膜截留液;C.超濾膜截留液;D.納濾膜截留液;E.反滲透濾膜截留液;1.香豆酸;2.對羥基苯甲酸;3.香草酸;4.丁香酸;5.阿魏酸。
2.4.1 根區(qū)土壤水提液不同截留段對盆栽地黃地上地下鮮質(zhì)量的影響 地黃地上地下鮮質(zhì)量由圖2所示。添加根區(qū)土壤水提液不同截留液對地上部分鮮質(zhì)量的影響,地上部分鮮質(zhì)量為對照土>根區(qū)土>反滲透濾膜截留液>納濾膜截留液 >超濾膜截留液>微濾膜截留液,地上部分各處理之間無顯著性差異;添加根區(qū)土壤水提液不同截留液對地下部分鮮質(zhì)量的影響,地下部分鮮質(zhì)量為對照土>反滲透濾膜截留液>微濾膜截留液>納濾膜截留液>超濾膜截留液>根區(qū)土,地下部分對照土與其他處理之間存在顯著性差異,其他各組之間無顯著性差異。
表4 不同分子直徑截留液中5種酚酸含量Table 4 The contents of 5 phenolic acids in the interception fluids with different molecular diameters
注:圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。大、小寫字母分別表示不同處理間P=0.01,P=0.05水平下差異顯著性。下同。
2.4.2 根區(qū)土壤水提液不同截留段對盆栽地黃根系形態(tài)的影響 由地黃根系掃描結(jié)果(表5,圖3)可以看出,從總投影面積上分析,反滲透膜截留液和微濾膜截留液與對照土無顯著差異,納濾膜截留液和超濾膜截留液與對照土在P=0.05水平上有顯著差異,納濾膜截留液和超濾膜截留液與根區(qū)土無顯著性差異,反滲透膜截留液和微濾膜截留液與根區(qū)土在P=0.05水平上有顯著差異。說明納濾膜截留液和超濾膜截留液對地黃生長有一定的影響;根系的平均直徑各組分間均無顯著性差異,但對照土>超濾膜截留液>根區(qū)土>反滲透膜截留液>納濾膜截留液 >微濾膜截留液;反滲透膜截留液組根系的平均體積與對照土無顯著性差異,而微濾膜截留液、超濾膜截留液、納濾膜截留液與對照土在P=0.05水平上有顯著差異,各組分與根區(qū)土之間均無顯著性差異。說明微濾膜截留液、超濾膜截留液、納濾膜截留液均對地黃根系生長有一定的影響。從根尖數(shù)上分析,超濾膜截留液組的根尖數(shù)偏小,與對照土之間在P=0.05水平上有顯著性差異,其他各組之間無顯著性差異,而各組分與根區(qū)土之間也無顯著性差異。說明各超濾膜中所含組分可能會影響地黃根系分支。
2.4.3 根區(qū)土壤水提液不同截留段對盆栽地黃葉綠素相對含量的影響 由圖4可知,添加根區(qū)土壤水提液不同截留液對地黃葉片葉綠素相對含量的影響為對照土>超濾膜截留液>反滲透濾膜截留液>根區(qū)土>納濾膜截留液>微濾膜截留液,各組分之間在P=0.01水平上均無顯著差異,根區(qū)土組合微濾膜截留液組與對照土在P=0.05水平上有顯著差異,其他各組分與對照土間無顯著差異。由圖4可知,與對照土比,添加了超濾膜截留液的葉綠素相對含量最高,可能超濾膜截留液中對地黃生長不利的化感物質(zhì)極少;添加了微濾膜截留液的葉綠素含量最低,可能是微濾膜截留液中的微生物在土中影響地黃的生長。
表5 地黃根系掃描分析結(jié)果Table 5 The results of root scanning analysis of Rehmannia glutinosa
注:CK.對照土;A.根區(qū)土;B.微濾膜截留液;C.超濾膜截留液;D.納濾膜截留液;E.反滲透濾膜截留液。
圖4 添加根際土壤水提液不同截留段的盆栽
2.4.4 不同截留段根區(qū)土壤水提液對盆栽地黃葉片細(xì)胞膜透性的影響 植物葉片相對電導(dǎo)率是反映植物細(xì)胞膜透性的一項(xiàng)基本指標(biāo)。當(dāng)植物受到逆境環(huán)境影響,細(xì)胞膜遭到破壞,膜透性增大,其電導(dǎo)率也會隨之增大。由圖5可知,添加根區(qū)土壤水提液不同截留液對地黃葉片細(xì)胞膜透性影響為根區(qū)土 >納濾膜截留液 >對照土 >微濾膜截留液 >反滲透濾膜截留液 >超濾膜截留液,各組之間無顯著性差異。
圖5 添加根際土壤水提液不同截留段的盆栽地黃相對電導(dǎo)率比較Fig.5 Comparison of the relative conductivity of potted Rehmannia glutinosa with different interception sections of rhizosphere soil water extract
2.4.5 根區(qū)土壤水提液不同截留段對盆栽地黃根系活力的影響 由圖6可知,添加根區(qū)土壤水提液不同截留液對地黃的根系活力影響為對照土>超濾膜截留液>根區(qū)土>反滲透濾膜截留液>微濾膜截留液>納濾膜截留液,各試驗(yàn)組之間均存在顯著性差異,其中,添加了超濾膜截留液提取物的盆栽地黃的根系活力相對最高,而添加了納濾膜截留液提取物的盆栽地黃的根系活力最低,這也與不同截流段的物質(zhì)酚酸類化感物質(zhì)分析結(jié)果相吻合。說明在納濾膜截留液中存在的化感物質(zhì)可降低地黃根系活力。
圖6 添加根際土壤水提液不同截留段的盆栽地黃根系活力比較Fig.6 Comparison of root activity of potted Rehmannia glutinosa with different interception sections of rhizosphere soil water extract
本試驗(yàn)以地黃及其種植地根區(qū)土壤為研究對象,使用卷式膜法對其土壤水提液進(jìn)行濃縮,用微濾膜分離固體微粒超濾膜除去大分子物質(zhì),再用納濾膜和反滲透膜濃縮收集小分子物質(zhì)及無機(jī)鹽離子,已達(dá)到初步分離和富集的效果。
試驗(yàn)對不同膜通量進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,在膜通量為125 mL·min-1時(shí)即可高效率進(jìn)行濃縮,30 L的水提液可以在8 h內(nèi)完成濃縮工作,大大節(jié)省了時(shí)間,具有分離精度高、能耗低等優(yōu)勢[16]。卷式膜小型分離實(shí)驗(yàn)機(jī)在使用過程中溫度<40 ℃,可避免一些熱敏感物質(zhì)的分解,同時(shí)卷式膜的pH值在3.0~10.0耐受范圍廣,有利于化感物質(zhì)的富集。
本試驗(yàn)還以酚酸類化感物質(zhì)為指標(biāo),采用HPLC檢測方法,對卷式膜的分離結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,在納濾膜截留液中化感物質(zhì)的種類和含量最多,土壤環(huán)境的復(fù)雜性決定了化感物質(zhì)種類的多樣性,也決定其相對分子質(zhì)量的差異性,已知的化感物質(zhì),如酚酸類化合物、環(huán)烯醚萜苷類化合物和苯乙醇苷類化合物等的相對分子質(zhì)量一般都在1 000 D以下,從本研究選用的不同分子直徑卷式膜的富集結(jié)果也可以看出,截留相對分子質(zhì)量在150 D~5 000 D納濾膜截留液的化感物質(zhì)的種類和含量均最多;而在對照組中檢測到含量很少的丁香酸,基本上都是阿魏酸,物質(zhì)較單一,在盆栽試驗(yàn)中也幾乎無連作現(xiàn)象,這也與外源添加酚酸類物質(zhì)模擬地黃連作障礙結(jié)果[17-18]相對應(yīng)。表明引起連作的因素錯(cuò)綜復(fù)雜,但不是某種單一酚酸的絕對濃度,而是多種酚酸相互作用造成的。
本試驗(yàn)同時(shí)采用盆栽試驗(yàn),在未種過地黃的土壤中分別添加不同截留段的根區(qū)土壤水提液,通過研究其對地黃的連作障礙效應(yīng),來檢測卷式膜對地黃化感物質(zhì)的分離及富集效果。對照組與各試驗(yàn)組的生長及生理指標(biāo)分析比較結(jié)果表明,添加了納濾膜截留液的地黃不論在生長指標(biāo)或是相對葉綠素含量、根系活力、相對電導(dǎo)率等生理指標(biāo)方面均表現(xiàn)出較強(qiáng)的連作障礙效應(yīng),說明不利于地黃生長的化感物質(zhì)主要保留在納濾膜截留液中,導(dǎo)致地黃生長能力下降。
本試驗(yàn)使用卷式膜法處理根區(qū)土壤水提液以達(dá)到分離純化和濃縮化感物質(zhì)的目的,試驗(yàn)結(jié)果顯示,此方法可以快速、便捷地分離濃縮土壤水提液,為后期的化感物質(zhì)分離及化感物質(zhì)的田間試驗(yàn)創(chuàng)造了條件。但是,卷式膜在使用過程中有濃差極化和膜污染的問題,這會影響分離效率和膜的使用壽命,也增加了應(yīng)用設(shè)備投資的成本,在一定程度上限制了其發(fā)展。目前報(bào)道在應(yīng)用中使用的大多還是通用型的納濾膜材料[19],缺乏提純某些單物質(zhì)專用納濾膜材料。但隨著對上述問題的深入研究,該技術(shù)在化感物質(zhì)分離的研究中的應(yīng)用前景會越來越廣闊。