Relationships between Saposhnikovia divaricata chromone content and soil factors in different regions
-
摘要:目的
分析防风药效成分与土壤因子的相关性，筛选影响药效成分的主导因子。
方法利用HPLC法测定16个产地2年生防风根中4种色原酮(升麻素苷、升麻素、5−O−甲基维斯阿米醇苷、亥茅酚苷)含量，测定根际土壤15种土壤因子，通过相关性分析、聚类分析和多重线性回归分析研究防风色原酮含量与土壤因子的关系。
结果产自河北大屯乡、河北金沟屯、山东烟台、吉林白城和内蒙文钟镇的防风色原酮含量较高，其他10个产地的稍低，宁夏隆德的最低；防风色原酮总量与土壤电导率、有效磷含量和有效钙含量呈显著负相关(P<0.05)，与有效锰含量呈显著正相关(P<0.05)。将16个产地分为四大产区：吉林长春产区、山东烟台产区、宁夏隆德产区和其他产区(包括内蒙古、河北、辽宁等)。有效磷、有效锰和全磷含量可以解释防风总色原酮信息的71.8%。
结论不同产地防风药材有效成分含量具有显著差异，在药材有效成分形成过程中土壤有效磷和有效锰起重要作用。
Abstract:ObjectiveTo study the correlations between soil factors and effective components of Saposhnikovia divaricata, and screen out the leading factors affecting medicinal ingredients.
MethodThe contents of four kinds of chromone (prim-O-glucosylcimifugin, cimifugin, 5-O-methylvisamminol, sec-O-glucosylhamaudol) in two-year-old S.divaricata from 16 regions were determined by HPLC , and 15 soil factors in rhizosphere soil were measured The relationships between chromone contents of S.divaricata and soil factors were studied by correlation analysis, cluster analysis and multiple linear regression analysis.
ResultS.divaricata of Datun Town in Hebei, Jingoutun in Hebei, Yantai in Shandong, Baicheng in Jilin and Wenzhong Town in Inner Mongolia had higher chromone contents. S.divaricata of Longde in Ningxia had the lowest content while S. divaricata in other ten regions had the medium chromone contents. The total chromone content of S.divaricata was significantly negatively correlated with soil conductivity, available phosphorus content and available calcium content (P<0.05), and positively correlated with available manganese content (P<0.05). The 16 regions were divided into four production areas including production area of Changchun in Jilin, production area of Longde in Ningxia, production area of Yantai in Shandong and other production areas (including Inner Mongolia, Hebei, Liaoning, etc.). Available phosphorus, available manganese and total phosphorus contents could explained 71.8% of the information of total chromone inS. divaricata .
ConclusionThere are significant differences in the qualities of S.divaricata from different regions. Available phosphorus and available manganese may play important roles in the formation of effective components of S. divaricata .
-
人参Panax ginseng C. A. Mey.为我国传统名贵药材，也是我国药用植物中非常具有代表性的忌连作药材。有研究认为栽培过人参的土壤需要10~30年的恢复期[1]，原因在于人参栽培过程中，根际土壤逐渐由“细菌型”转化为“真菌型”，病原菌数量显著增加，对病原菌有拮抗作用的细菌、放线菌的数量减少，土壤微生物群落组成与结构逐渐劣变[2]。但关于栽参后土壤微生物群落具体发生了什么变化，目前还鲜见相关深入报道。
近年来，随着道地产区宜药土地资源不断减少，有关连作障碍土壤的生态修复技术引起了科研工作者与生产者的共同关注。目前主要研究的修复技术包括施用化学药剂、消毒、添加土壤有益菌以及增施生物质炭等[3-5]。其中生物质炭作为一种新型的原位土壤改良剂，其丰富的孔隙结构可为土壤有益微生物提供良好的附着空间和繁殖条件，促进微生物种群增长，同时生物质炭优良的保水、保肥能力也有助于土壤理化性质、供肥能力的改善[6-7]。目前的研究报道显示生物质炭在土壤改良方面具有广阔的应用前景[8]。
本研究在前期工作中发现生物质炭有助于提高连作参苗产量与品质，但上述变化与土壤质量、土壤微生物群落之间的关系还没有深入分析。本试验由此出发，拟采用3种不同原料制备的生物质炭对老参地土壤进行修复研究，结合Illumina MiSeq高通量测序技术重点分析栽参后土壤细菌群落变化及生物质炭对上述变化的影响，为探究栽参后土壤劣变规律与原因、开发参地土壤原位修复技术提供理论支撑。
1. 试验方法
1.1 试验地
老参地土壤改良试验于2017—2019年在吉林省白山市湾沟镇平川村(海拔719 m；126°23′~127°11′E，41°48′~42°13′N)进行，该地属温带大陆性季风气候，夏季短冬季长，年平均气温4.6 ℃。土壤前茬作物为三年生人参，起参后，结合深翻去除杂草等残余物。参地土壤为壤土，基本性质如下：有机碳38.45 mg·kg−1、碱解氮83.20 mg·kg−1、有效磷34.80 mg·kg−1、速效钾160 mg·kg−1、pH 5.06、电导率48.35 μs·cm−1。
1.2 试验设计
试验设计5个处理，分别为老参地、老参地+玉米秸秆炭、老参地+稻壳炭、老参地+椰壳炭和新林土处理组。生物质炭具体施入方法：按1.5 kg/m2施入土壤中，施入后深翻2次与土壤混匀；自然放置1个冬季，于翌年5月起垄，播种人参种子，播种后日常田间管理技术参照当地人参生产质量管理规范(GAP)。生物质炭处理小区面积为10 m2，每个处理3次重复，分别以不添加生物质炭的老参地土壤和附近未开发利用过的森林土为老参地对照和新林土对照。2019年9月取出部分二年生人参及土壤样品，用于高通量测序分析。
土壤取样方法：按照五点法取样，将土壤迅速装入无菌离心管中，液氮处理后装入低温样品保存箱，迅速送回实验室用于相关分析。
1.3 土壤微生物结构多样性
细菌总DNA的提取。采用OMEGA的E.Z.N.A. Mag-Bind Soil DNA Kit提取细菌总DNA，Qubit3.0 DNA检测试剂盒精确定量DNA浓度，琼脂糖凝胶检测DNA完整性。
PCR扩增及DNA纯化回收。引物融合了MiSeq测序平台的V3-V4通用引物：341F引物CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG (barcode) CCTACGGGNGGCWGCAG；805R引物GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCA GACTACHVGGGTATCTAATCC。扩增条件：94 ℃预变性3 min；94 ℃变性30 s，45 ℃退火20 s，65 ℃延伸30 s，5个循环；94 ℃延伸20 s，55 ℃退火20 s，72 ℃延伸30 s，20个循环。PCR扩增结束后，将纯化质检合格的扩增产物1∶1等量混合，利用MiSeq台式测序仪进行双端测序。
16S rRNA V3-V4区高通量测序由上海生工生物工程技术服务有限公司完成，对于MiSeq双端测序数据，首先根据PE reads之间overlap的关系，利用PEAR软件将成对reads拼接成一条序列，采用cutadapt软件去除原始序列3′端测序接头后根据barcode区分样本序列，并利用Prinseq软件对各样本序列进行质控和过滤，得到各样本数据。
1.4 数据统计与分析
采用Microsoft office 2016、SPSS 22.0对相关数据进行统计分析。
2. 结果与分析
2.1 土壤样本检测结果与质量控制
不同处理土壤样品高通量测序结果与细菌群落多样性指数变化如表1所示。5个样本共获得有效序列310 356条，按照优化标准，去除不合格序列后共得高质量序列303 851条，共占有效序列的97.90%。高质量序列可用于样本间微生物多样性和丰富度的评价。
表 1 不同土壤样本序列数据统计与细菌群落Alpha多样性的差异Table 1. Statistics of different soil sample sequence data and differences in Alpha diversity of bacterial communities处理
Treatment高质量序列数
High quality sequence number占比/%
ProportionACE指数
ACE indexChao1指数
Chao1 indexShannon指数
Shannon index老参地+玉米秸秆炭
Continuous cropping ginseng field+corn stalk biochar72 646 98.02 4 651.70 3 719.71 5.48 老参地+稻壳炭
Continuous cropping ginseng field+rice husk biochar50 467 97.54 4 694.36 3 626.08 5.28 老参地+椰壳炭
Continuous cropping ginseng field+coconut shell biochar69 651 98.31 4 451.57 3 507.81 5.13 老参地 Continuous cropping ginseng field 56 868 98.09 3 861.62 2 893.23 5.00 新林土 New forest soil 54 219 97.38 5 412.14 5 134.09 7.05 总计 Total 303 851 97.90 与新林土相比，老参地土壤细菌丰度(ACE、Chao1指数)、多样性(Shannon指数)均呈下降趋势。采用生物质炭对老参地进行改良后上述指标均有所上升，其中Chao1与ACE指数增幅最大，分别达到25.05%、19.10%；表明生物质炭处理有助于老参地土壤中细菌物种丰度及多样性恢复，其中玉米秸秆炭及稻壳炭对上述指标影响较大。
2.2 生物质炭对老参地土壤细菌操作分类单元数量(OTUs)及多样性的影响
分析不同处理人参根际土壤中细菌OTUs的变化，结果如图1。新林土数量最高，为4 650个。老参地土壤中OTUs下降为1 854个，仅为新林土中OTUs的39.87%。增施3种生物质炭后，玉米秸秆炭、稻壳炭、椰壳炭处理组中OTUs分别为2 408、2 233、2 235个，较老参地均有所上升，平均提升23.62%。
![]()
图 1 不同处理下老参地土壤OTUs的维恩图YM：老参地+玉米秸秆炭，DK：老参地+稻壳炭，YK：老参地+椰壳炭，CK：老参地，XL：新林土Figure 1. Venn diagram of soil OTUs in the continuous cropping ginseng field under different treatmentsYM: Continuous cropping ginseng field + corn stalk biochar, DK: Continuous cropping ginseng field + rice husk biochar, YK: Continuous cropping ginseng field + coconut shell biochar, CK: Continuous cropping ginseng field, XL: New forest soil2.3 不同土壤细菌门与属水平组成与丰度的变化
不同土壤样品中细菌群落结构门类比例变化如图2A所示。5个处理土壤样品中共检测到27个细菌门，共有门类21个。新林土中细菌门类最丰富(26个)，含优势门类(占比>10%)4个，包括变形菌门Proteobacteria、放线菌门Actinobacteria、酸杆菌门Acidobacteria、疣微菌门Verrucomicrobia，4个门细菌OTUs占比达76%以上。老参地土壤中细菌门类总数下降为24个，优势门类数量下降为2个，包括变形菌门与放线菌门，二者细菌OTUs占比为65%。增施生物质炭后，除老参地+稻壳炭处理迷踪菌门Elusimicrobia细菌数量有所恢复外，其余处理参地土壤细菌门类总数与优势门类数量不变，但单优势门类占比较老参地中有所下降，为55%~65%；表明老参地土壤微生物群落出现单优势种群上升的特点，而生物质炭对上述变化趋势具有一定的调节作用。
![]()
图 2 生物质炭对连作参地土壤细菌群落门类和属水平的影响YM：老参地+玉米秸秆炭，DK：老参地+稻壳炭，YK：老参地+椰壳炭，CK：老参地，XL：新林土Figure 2. Effect of biomass charcoal on the phylum and genus level of soil bacterial community in continuous cropping ginseng fieldYM: Continuous cropping ginseng field+corn stalk biochar, DK: Continuous cropping ginseng field+rice husk biochar, YK: Continuous cropping ginseng field+coconut shell biochar, CK: Continuous cropping ginseng field, XL: New forest soil分析图2B中不同土壤样品中细菌群落属水平组成与数量变化，发现新林土、老参地、老参地+玉米秸秆炭处理、老参地+稻壳炭、老参地+椰壳炭中细菌OTUs可分别归属至291、177、203、186、180个属(仅列出排名前50，其余属名未列出)。老参地中细菌属总数下降，增施生物质炭后，土壤中细菌属分类数有所上升，表明丰富度有所增加。
2.4 土壤细菌分类和系统发育的变化
采用环形树状图表示5个处理土壤样品中细菌优势物种分类与系统发育的变化，结果如图3所示。图3共标示出土壤优势门中变化显著的前20个物种。其中，变形菌门中具有显著变化的物种最多，为6个属；其次为酸杆菌门，5个属；放线菌门与厚壁菌门Firmicutes中各3个属；疣微菌门、芽单胞菌门Gemmatimonadetes、Candidatus saccharibacteria各1个属。
![]()
图 3 细菌分类和系统发育信息可视化图具有显著差异的属以“☆”标出Figure 3. Visualization diagram of classification and phylogenetic information of bacteriaThe genera having significant difference are marked with “☆”结合图2可知，上述发生显著变化的优势属中Spartobacteria_genera_incertae_sedis、Sphingomonas、Gemmatimonas、Afipia、Gp1、Gp2、Gp3、Gp6、Rummeliibacillus 9个属中细菌数量表现为新林土>老参地，老参地降幅为46.44%~100%。Gaiella、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis、Rhizomicrobium、Arthrobacter、Marmoricola、Pseudolabrys、Mizugakiibacter、Rhodanobacter、Terriglobus、Clostridium IV、Oscillibacter 11个属中细菌数量表现为新林土<老参地，老参地增幅为33.33%~54 028.57%。施用生物质炭后，老参地中(显著降低的种属数量)平均增加27.52%，显著增加的种属中有61%的处理细菌数量有所降低，降幅为21.83%~133 28.57 %。
2.5 生物质炭对土壤细菌优势属的影响
分析细菌优势属(占比>1%)变化如表2所示。5种土壤仅有4个共有优势属，即Gaiella、芽单胞菌属Gemmatimonas、鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas和慢生根瘤菌属Spartobacteria_genera_incertae_sedis，四者在新林土、老参地、老参地+玉米秸秆炭、老参地+稻壳炭、老参地+椰壳炭处理中占比和分别为22.49%、8.36%、13.07%、14.15%、16.01%；表明较其他微生物而言，这4个属的微生物种群是森林土中相对较稳定的种群，受人参栽培的影响相对较小或者变化较慢，并且生物质炭处理可缓解其占比下降的趋势。
表 2 不同处理土壤优势属组成、占比及OTUs1)Table 2. Composition, proportion and OTUs of soil dominant genera in different treatments% 处理
TreatmentMizugakiibacter Saccharibacteria_
genera_
incertae_sedisRhodanobacter Spartobacteria_
genera_
incertae_sedisGaiella Gemmatimonas Arthrobacter Afipia Rhizomicrobium Rudaea Sphingomonas YM 8.82
(5 075)6.00
(3 455)4.96
(2 856)3.72
(2 138)3.48
(2 004)3.39
(1 952)3.16
(1 818)2.91
(1 675)2.55
(1 470)2.52
(1 452)2.48
(1 426)DK 11.01
(4 918)5.65
(2 522)6.75
(3 016)4.72
(2 109)4.17
(1 864)2.78
(1 242)4.95
(2 212)— 2.34
(1 045)— 2.48
(1 107)YK 12.45
(7 059)8.77
(4 971)6.17
(3 500)6.42
(3 638)3.84
(2 176)3.97
(2 253)— — 2.16
(1 225)1.74
(986)1.78
(1 012)CK 12.08
(6 216)8.81
(4 535)7.36
(3 789)1.50
(773)3.05
(1 570)2.15
(1 107)1.96
(1 007)— 2.49
(1 280)— 1.66
(853)XL — — — 10.79
(4 914)1.90
(864)4.54
(2 067)— 2.58
(1 173)— — 5.26
(2 397)处理
TreatmentTerriglobus Pseudolabrys Gp1 Parcubacteria_
genera_
incertae_sedisRhodoplanes Luteibacter Marmoricola Nitrosospira Gp14 Arachidicoccus Gp2 YM 2.11
(1 217)1.89
(1 090)1.76
(1 015)1.63
(939)1.22
(702)— — — — — — DK 1.71
(762)1.27
(567)1.05
(467)— — — 1.73
(772)1.17
(524)— — — YK 2.31
(1 312)1.41
(797)1.05
(596)1.16
(657)1.33
(754)— — — — — — CK 2.23
(1 147)1.30
(668)— — — 2.67
(1 376)1.28
(659)1.26
(650)1.09
(563)1.02
(525)— XL — — 3.59
(1 637)— — — — — — — 2.18
(991)处理
TreatmentGp3 Gp4 Gp6 Gp7 WPS-1_
genera_
incertae_sedisMassilia Subdivision3_
genera_
incertae_sedisParalcaligenes Derxia YM — — — — — — — — — DK — — — — — — — 1.15
(515)— YK — — — — — — — — 1.27
(720)CK — — — — — — — — — XL 2.49
(1 133)3.28
(1 493)4.33
(1 971)1.48
(674)1.94
(882)1.04
(476)1.04
(472)— — 1) YM：老参地+玉米秸秆炭，DK：老参地+稻壳炭，YK：老参地+椰壳炭，CK：老参地，XL：新林土；括号内为OTUs；“—”表示未检出
1) YM: Continuous cropping ginseng field + corn stalk biochar, DK: Continuous cropping ginseng field + rice husk biochar, YK: Continuous cropping ginseng field + coconut shell biochar, CK: Continuous cropping ginseng field, XL: New forest soil; OTUs are given in brackets; “—”indicates undetectable共有优势属中慢生根瘤菌属、鞘氨醇单胞菌属和芽单胞菌属数量表现为新林土>老参地(表2)，老参地中三者OTUs分别降低了84.27%、64.41%、46.44%，以慢生根瘤菌属数量下降最为剧烈。增施生物质炭后，上述细菌数量均有所恢复，三者OTUs较老参地处理分别增加了240.02%、38.53%、64.02%，生物质炭处理对慢生根瘤菌属、芽单胞菌属细菌数量增加影响明显。共有优势属中Gaiella细菌数量表现为老参地>新林土(表2)，其OTUs增加了81.71%；增施生物质炭后，该属细菌数量进一步增加，老参地+玉米秸秆炭、老参地+稻壳炭、老参地+椰壳炭处理OTUs分别较新林土增加了131.94%、115.74%、151.85%。表明栽培人参与使用生物质炭刺激了Gaiella属细菌增殖。此外，酸杆菌门Acidobacteria优势属Gp1在新林土中占比为3.59%，在老参地中占比下降至0.35%，经生物质炭处理后，其在老参地+玉米秸秆炭、老参地+稻壳炭、老参地+椰壳炭处理中占比分别增至1.76%、1.05%、1.05%；提示人参根系分泌物可能不利于Gp1属微生物生长，而生物质炭处理可削弱这种不利影响，促进Gp1属细菌数量增加，保持其属的优势地位。
综合上述分析可见，相较于同期临近新林土，栽培人参后的老参地细菌属组成及优势属占比大多不同程度地降低，而生物质炭处理对上述劣变趋势具有一定的正向调节作用，使其数量变化趋势趋向于新林土。
2.6 生物质炭对土壤细菌功能的影响
2.6.1 土壤细菌功能基因分类
采用COG(Clusters of orthologous groups)预测分析不同处理土壤细菌功能差异，结果如图4所示。通过COG数据库对比，所有基因的功能可归为25个功能亚类，主要包括能量生产和转换6.11%~6.23%，氨基酸转运与代谢7.46%~7.96%，碳水化合物运输和代谢6.11%~6.40%，转录7.42%~7.68%，复制、重组和修复5.14%~5.29%，细胞壁/质膜/包膜生物合成6.39%~6.78%，仅常规功能预测11.92%~12.47%，信号转导机制5.85%~6.94%等。
![]()
图 4 不同处理土壤细菌功能变化图YM：老参地+玉米秸秆炭，DK：老参地+稻壳炭，YK：老参地+椰壳炭，CK：老参地，XL：新林土Figure 4. Changes in soil bacterial function in different treatmentsYM: Continuous cropping ginseng field+corn stalk biochar, DK: Continuous cropping ginseng field+rice husk biochar, YK: Continuous cropping ginseng field+coconut shell charcoal, CK: Continuous cropping ginseng field, XL: New forest soil2.6.2 老参地与新林土处理组细菌功能差异性分析
基于 PICRUSt 软件的细菌基因组的基因功能构成分析结果如图5所示。老参地与新林土处理之间的土壤细菌功能基因除核结构和细胞外结构外均具有显著性差异(P<0.05)，与新林土处理相比，老参地处理RNA加工和修饰、细胞循环控制、氨基酸转运和代谢、核苷酸转运和代谢、脂质运输与代谢、翻译后修饰以及蛋白质周转与伴侣、无机离子转运与代谢功能有所下降，整体下降幅度为0.06%~7.56%，其余功能显著上升，增幅为3.25%~33.16%，上升幅度最高的为染色质结构和动力学。
![]()
图 5 不同处理细菌基因功能差异性对比图Figure 5. Comparison of gene function differences of bacteria in different treatments相较于老参地处理，加入3种不同生物质炭后，土壤细菌RNA加工与修饰、能源生产和转化、细胞循环控制、核苷酸转运和代谢、辅酶运输与代谢、脂质运输和代谢、翻译后修饰以及蛋白质周转功能均下降，总体下降幅度在1.00%~6.65%之间；染色质结构和动力学，转录，复制、重组和修复，信号转导机制，仅常规功能预测和细胞防御功能提升，上升幅度在1.48%~29.89%之间。上述功能随着3种生物质炭的增加，逐渐向新林土靠近。其中玉米秸秆炭和稻壳炭的加入使碳水化合物的运输和代谢功能得到提升，而椰壳炭的加入主要强化了细胞运动、无机离子转运代谢以及细胞防御功能。
3. 讨论
土壤微生物群落结构能影响到土壤健康状况[9]。目前研究普遍认为生物质炭能够提升土壤细菌微生物群落多样性，从而提高土壤生态系统的稳定性和抗逆性，如Zheng等[10]在酸性水稻田中施用小麦秸秆生物质炭发现，施用生物质炭4年后明显提升了Alpha多样性。本研究试验表明施用生物质炭2年，也能够有效提升Alpha多样性，这说明生物质炭施入在短期和长期内均能够对土壤微生物多样性产生影响。一些短期室内试验表明生物质炭改变微生物多样性以及丰度是由自身性质的改变引起的[11-12]，而一些长期的田间试验表明影响微生物多样性及丰度的主要原因是土壤理化性质得到了改善[13]。近些年来研究发现，在田间施用生物质炭后能够缓解作物与微生物两者对营养元素的竞争关系，一方面原因是生物质炭自身携带养分物质，另一方面原因是生物质炭促进植物生长，间接促进光合作用和营养由根部向土壤中输入，从而使微生物数量增长与繁殖速度加快[14-15]，微生物群落结构的改变直接影响土壤养分循环[16]。
Ye等[17]研究发现有机肥和生物炭基肥的施加使土壤中绿弯菌门Chloroflexi、酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门和变形菌门细菌均发生显著变化。本试验研究结果表明，新林土中变形菌门、放线菌门、酸杆菌门和疣微菌门为优势门类，栽培人参后变形菌门、放线菌门数量增加，酸杆菌门和疣微菌门数量迅速减少，分析发现老参地土壤微生物群落变化与人参根际分泌物的驱动密切相关[18-19]。随着3种不同原料生物质炭的施加，厚壁菌门、疣微菌门、芽单胞菌门、变形菌门和假丝酵母糖化菌门等门类得到调节，使其数量趋近于新林土。其中变形菌门生长缓慢，一方面可能是由于本试验添加生物质炭2年后才进行取样，此时的土壤微生物群落已处于稳定状态，因此导致变形菌门生长较慢；另一方面可能是由于生物质炭呈碱性，加入后使自身携带的难分解有机碳稀释土壤可溶性有机碳，从而导致变形菌门细菌增加缓慢，同时刺激疣微菌门细菌的生长。
生物质炭能够增加土壤中的碳含量，对快速增殖细菌产生诱导作用，添加生物质炭后土壤细菌的代谢功能发生显著的变化。本研究发现较新林土，老参地处理细菌代谢功能下降，施入生物质炭后能够改善细菌核苷酸转运和代谢、辅酶运输与代谢、脂质运输和代谢、翻译后修饰及蛋白质周转与伴侣等功能；说明施入生物质炭后，土壤细菌具有选择性，土壤细菌功能转向代谢方向，从而调节对土壤有机质的保存能力，与张婷婷[20]研究结果一致。
综合上述分析可见，加入生物质炭能够提升土壤细菌多样性，调节细菌群落结构以及细菌功能，使老参地土壤朝良好的方向发展，但具体的调节机制尚未有明确的结果，仍需更多的试验加以证明。本研究结果能够为连作参地土壤的修复及人参栽培提供理论参考。
4. 结论
1)相较于新林土，栽培人参后的老参地土壤细菌数量、群落多样性、细菌分类组成及优势属占比均不同程度的下降，并表现出单优势种群比例上升的特点。生物质炭处理对上述劣变趋势具有一定的正向调节作用，使细菌数量变化趋势趋向于新林土，细菌功能中染色质结构和动力学，转录，复制、重组和修复，信号转导机制和细胞防御得到提升。
2)老参地中Spartobacteria_genera_incertae_sedis、Sphingomonas、Gemmatimonas、 Afipia 、Gp1、Gp2、Gp3、Gp6、Rummeliibacillus 9个属细菌数量显著降低，提示栽培人参或人参根系分泌物可能不利于上述细菌的生长和种群数量的维持。
3)老参地中Gaiella属细菌数量显著增加，添加生物质炭后该属优势度进一步增加，表明表明栽培人参和施用生物质炭均可刺激Gaiella属细菌增殖。
-
![]()
图 1 不同产地防风色原酮总量与根际土壤因子的聚类分析
I、II、III是在欧式距离15~20分类，A、B、C、D是在欧氏距离5~10分类，①和②是在欧氏距离0~5分类；LCB：辽宁边杖子，LCH：辽宁黄台子，NCX：内蒙汐子镇，LCD：辽宁东碾子沟，NCT：内蒙唐家窝铺，HCD：河北大屯乡，HCJ：河北金沟屯，NMY：内蒙杨家营子，NCD：内蒙大明镇，GSL：甘肃兰州，NCW：内蒙文钟镇，JLB：吉林白城，NMN：内蒙牛营子，SDY：山东烟台，NXL：宁夏隆德，JLC：吉林长春
Figure 1. Cluster analyses between Saposhnikovia divaricata total chromone content and rhizosphere soil factors in different regions
I, II and III were divided between Euclidean distance 15–20; A, B, C and D were divided between Euclidean distance 5–10; ① and ② were divided between Euclidean distance 0–5; LCB: Bianzhangzi in Liaoning, LCH: Huangtaizi in Liaoning, NCX: Xizi Town in Inner Mongolia, LCD: Dongnianzigou in Liaoning, NCT: Tangjiawopu in Inner Mongolia, HCD: Datun Town in Hebei, HCJ: Jingoutun in Hebei, NMY: Yangjiayingzi in Inner Mongolia, NCD: Daming Town in Inner Mongolia, GSL: Lanzhou in Gansu, NCW: Wenzhong Town in Inner Mongolia, JLB: Baicheng in Jilin, NMN: Niuyingzi in Inner Mongolia, SDY: Yantai in Shandong, NXL: Longde in Ningxia, JLC: Changchun in Jilin
![]()
图 2 防风色原酮总量回归标准化残差的标准P-P图
Figure 2. StandardP-P chart for regressive standardized residuals of Saposhnikovia divaricata total chromone content
表 1 防风药材采集地信息
Table 1 Information of collection places of Saposhnikovia divaricata
产地 Region 经度 Longitude 纬度 Latitude 海拔/m Altitude 河北大屯乡 Datun Town in Hebei E117°27′48″ N41°1′5″ 520 河北金沟屯 Jingoutun in Hebei E117°28′31″ N41°1′12″ 560 山东烟台 Yantai in Shandong E121°38′24″ N37°26′41″ 50 宁夏隆德 Longde in Ningxia E106°1′46″ N35°35′1″ 600 吉林长春 Changchun in Jilin E125°27′15″ N43°46′20″ 251 甘肃兰州 Lanzhou in Gansu E103°24′33″ N35°15′43″ 2 424 吉林白城 Baicheng in Jilin E122°45′46″ N45°19′46″ 230 辽宁东碾子沟 Dongnianzigou in Liaoning E119°55′54″ N40°59′17″ 641 辽宁边杖子 Bianzhangzi in Liaoning E119°78′3″ N41°36′4″ 540 辽宁黄台子 Huangtaizi in Liaoning E118°50′44″ N42°6′52″ 650 内蒙大明镇 Daming Town in Inner Mongolia E119°11′59″ N41°35′14″ 550 内蒙唐家窝铺 Tangjiawopu in Inner Mongolia E119°24′5″ N41°34′2″ 611 内蒙汐子镇 Xizi Town in Inner Mongolia E119°17′17″ N41°42′36″ 541 内蒙牛营子 Niuyingzi in Inner Mongolia E118°7′9″ N42°11′47″ 720 内蒙杨家营子 Yangjiayingzi in Inner Mongolia E118°48′44″ N42°9′5″ 620 内蒙文钟镇 Wenzhong Town in Inner Mongolia E118°53′1″ N42°7′18″ 640 
下载: 导出CSV
表 2 不同产地防风产量及色原酮含量1)
Table 2 Chromone contents and yeilds of Saposhnikovia divaricata from different regions
产地
Regionw /(mg·g−1) 单株产量/g
Yield per plant单株色原酮
总量/mg
Total chromone
content per plant升麻素苷
Prim-O-
glucosylcimifugin升麻素
Cimifugin5−O−甲基维斯
阿米醇苷
5-O-methylvisamminol亥茅酚苷
Sec-O-glucosylhamaudol总色原酮
Total chromoneHCD 4.007±0.15a 0.213±0.01c 4.838±0.27b 0.112±0.01abc 9.170±0.42a 8.869±0.04de 81.329±0.37a HCJ 2.428±0.07d 0.080±0.01gh 2.663±0.13cd 0.139±0.01abc 5.310±0.21d 9.002±0.02d 47.801±0.12c SDY 3.272±0.07c 1.113±0.02a 4.930±0.15ab 0.225±0.02a 9.539±0.24a 6.302±0.13h 60.115±1.25b NXL 0.634±0.02i 0.002±0.01k 0.629±0.02i 0.164±0.03abc 1.430±0.05i 8.667±0.05ef 12.394±0.07l JLC 1.095±0.15g 0.266±0.03b 1.844±0.31e 0.042±0.01c 3.238±0.42fg 7.750±0.12g 25.095±0.40ij GSL 2.042±0.03e 0.195±0.01d 1.096±0.01h 0.199±0.05ab 3.512±0.01ef 9.458±0.08c 33.216±0.29g JLB 2.356±0.21d 0.040±0.01j 5.232±0.48a 0.099±0.01abc 7.724±0.68b 5.777±0.18i 44.622±1.39d LCD 1.405±0.03f 0.084±0.01gh 1.240±0.03gh 0.054±0.01bc 2.783±0.05gh 10.262±0.09b 28.559±0.26h LCB 1.485±0.02f 0.112±0.01f 1.804±0.03e 0.074±0.01bc 3.475±0.05ef 11.025±0.11a 38.312±0.39e LCH 1.477±0.03f 0.082±0.01gh 2.353±0.07d 0.039±0.03c 3.958±0.10e 9.359±0.19c 37.043±0.75ef NCD 1.012±0.04g 0.077±0.01h 1.392±0.04fgh 0.229±0.24a 2.534±0.08h 8.475±0.12f 21.476±0.30k NCT 0.803±0.03h 0.040±0.01j 1.642±0.10ef 0.031±0.01c 2.518±0.14h 9.443±0.12c 23.777±0.30j NCX 1.143±0.01g 0.060±0.01i 2.577±0.02cd 0.081±0.01abc 3.860±0.03e 9.332±0.18c 36.022±0.70f NMN 1.013±0.08g 0.097±0.01fg 1.367±0.23fgh 0.033±0.01c 2.504±0.31h 8.476±0.17f 21.224±0.43k NMY 1.171±0.10g 0.158±0.01e 1.579±0.06efg 0.052±0.01bc 3.025±0.10fgh 8.584±0.37ef 25.967±1.11i NCW 3.682±0.04b 0.189±0.01d 2.801±0.04c 0.083±0.01abc 6.765±0.07c 6.534±0.15h 44.203±0.99d 1)HCD：河北大屯乡，HCJ：河北金沟屯，SDY：山东烟台，NXL：宁夏隆德，JLC：吉林长春，GSL：甘肃兰州，JLB：吉林白城，LCD：辽宁东碾子沟，LCB：辽宁边杖子，LCH：辽宁黄台子，NCD：内蒙大明镇，NCT：内蒙唐家窝铺，NCX：内蒙汐子镇，NMN：内蒙牛营子，NMY：内蒙杨家营子，NCW：内蒙文钟镇；同列数据后的不同小写字母表示不同产地间差异显著(P<0.05，单因素方差分析)
1)HCD: Datun Town in Hebei, HCJ: Jingoutun in Hebei, SDY: Yantai in Shandong, NXL: Longde in Ningxia, JLC: Changchun in Jilin, GSL: Lanzhou in Gansu; JLB: Baicheng in Jilin, LCD: Dongnianzigou in Liaoning, LCB: Bianzhangzi in Liaoning, LCH: Huangtaizi in Liaoning, NCD: Daming Town in Inner Mongolia, NCT: Tangjiawopu in Inner Mongolia, NCX: Xizi Town in Inner Mongolia, NMN: Niuyingzi in Inner Mongolia, NMY: Yangjiayingzi in Inner Mongolia, NCW: Wenzhong Town in Inner Mongolia; Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different regions(P<0.05，one-way ANOVA)
下载: 导出CSV
表 3 不同产地土壤因子1)
Table 3 Soil factors of different regions
产地
RegionpH 电导率
Conductivityw/% w(TP)/
(g·kg−1)w/(mg·kg−1) 水分 Water OM TN AN AP AK ACa AMg AFe ACu AZn AMn HCD 8.17 90.90 6.01 0.24 0.07 0.93 71.00 19.01 45.84 577.57 87.47 2.15 0.65 1.81 5.14 HCJ 8.23 98.93 6.50 0.23 0.04 1.29 73.60 16.06 68.60 550.68 99.70 2.24 0.55 1.49 4.25 SDY 7.79 74.30 7.75 0.74 0.04 0.27 66.51 2.77 53.94 325.68 83.20 12.74 1.36 2.49 1.90 NXL 8.57 122.30 7.64 1.25 0.11 1.05 115.51 21.68 131.09 1 303.58 128.46 7.24 1.02 0.91 1.45 JLC 8.41 158.60 8.25 2.59 0.10 0.54 113.18 37.13 718.85 586.08 118.72 6.59 0.98 0.93 4.06 GSL 7.46 93.30 12.96 4.09 0.32 1.03 282.35 24.37 118.24 911.68 152.05 31.19 1.19 2.25 2.47 JLB 8.45 112.80 4.54 2.34 0.23 0.38 148.18 17.83 133.60 826.22 104.33 4.68 0.77 0.80 2.16 LCD 8.76 95.30 6.64 1.02 0.09 0.45 37.38 32.68 106.72 758.03 85.13 2.98 1.12 0.67 0.80 LCB 8.60 124.30 7.45 2.48 0.07 0.52 92.18 17.94 126.41 676.61 104.26 3.26 1.44 0.76 1.59 LCH 8.75 123.00 8.51 2.23 0.07 0.53 81.68 47.46 134.13 669.33 97.33 0.97 0.87 0.84 1.19 NCD 8.57 94.10 4.75 2.55 0.01 0.58 224.01 36.92 103.25 673.07 119.63 3.43 1.05 1.90 2.94 NCT 8.81 116.13 6.44 1.52 0.08 0.37 81.68 19.30 101.27 758.03 85.13 2.31 0.97 0.42 0.93 NCX 8.66 136.40 11.49 0.88 0.09 0.74 78.18 28.18 90.53 661.80 100.80 3.59 1.22 2.26 0.59 NMN 8.87 113.10 10.86 1.42 0.05 0.29 103.85 27.69 88.72 966.56 115.80 1.18 1.01 0.38 1.28 NMY 8.86 115.70 4.36 0.44 0.06 0.52 54.85 15.57 82.67 609.47 105.85 1.36 1.24 0.80 1.00 NCW 8.81 122.03 3.71 2.48 0.07 0.54 281.18 39.65 110.46 834.33 103.72 2.13 0.92 0.89 0.67 1)HCD：河北大屯乡，HCJ：河北金沟屯，SDY：山东烟台，NXL：宁夏隆德，JLC：吉林长春，GSL：甘肃兰州，JLB：吉林白城，LCD：辽宁东碾子沟，LCB：辽宁边杖子，LCH：辽宁黄台子，NCD：内蒙大明镇，NCT：内蒙唐家窝铺，NCX：内蒙汐子镇，NMN：内蒙牛营子，NMY：内蒙杨家营子，NCW：内蒙文钟镇；OM：有机质，TN：全氮，TP：全磷，AN：碱解氮，AP：有效磷，AK：有效钾，ACa：有效钙，AMg：有效镁，AFe：有效铁，ACu：有效铜，AZn：有效锌，AMn：有效锰
1)HCD: Datun Town in Hebei, HCJ: Jingoutun in Hebei, SDY: Yantai in Shandong, NXL: Longde in Ningxia, JLC: Changchun in Jilin, GSL: Lanzhou in Gansu, JLB: Baicheng in Jilin, LCD: Dongnianzigou in Liaoning, LCB: Bianzhangzi in Liaoning, LCH: Huangtaizi in Liaoning, NCD: Daming Town in Inner Mongolia, NCT: Tangjiawopu in Inner Mongolia, NCX: Xizi Town in Inner Mongolia, NMN: Niuyingzi in Inner Mongolia, NMY: Yangjiayingzi in Inner Mongolia, NCW: Wenzhong Town in Inner Mongolia; OM: Organic matter, TN: Total nitrogen, TP: Total phosphorus, AN: Alkali-hydrolyzed nitrogen, AP: Available phosphorus, AK: Available potassium, ACa: Available calcium, AMg: Available magnesium, AFe: Available iron, ACu: Available copper; AZn: Available zinc, AMn: Available manganese
下载: 导出CSV
表 4 防风色原酮含量及产量与土壤因子的相关性分析1)
Table 4 Correlation analyses of chromone contents and yields of Saposhnikovia divaricata with soil factors
因子
FactorX1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 Y1 −0.259 −0.641* −0.683** −0.354 −0.028 −0.039 0.161 −0.585* −0.296 −0.512 −0.309 0.188 −0.319 0.526 0.625* Y2 0.072 −0.550* −0.503 −0.211 −0.212 −0.128 −0.306 −0.548* −0.093 −0.562* −0.272 0.320 0.382 0.548* 0.068 Y3 −0.492 −0.326 −0.426 −0.336 −0.043 −0.191 −0.218 −0.565* −0.177 −0.516 −0.509 −0.096 −0.343 0.233 0.408 Y4 0.029 −0.649* −0.450 0.107 0.185 0.207 0.241 −0.735 −0.287 −0.033 0.179 0.533* 0.381 0.341 0.126 Y −0.378 −0.512 −0.575* −0.356 −0.033 −0.136 −0.095 −0.628* −0.227 −0.559* −0.440 0.063 −0.283 0.405 0.694* Z1 0.253 0.264 0.136 0.059 −0.122 −0.105 0.275 0.312 −0.164 0.166 0.029 −0.083 0.207 −0.194 −0.214 Z2 −0.134 −0.494 −0.467 −0.349 −0.031 −0.235 0.153 −0.417 −0.270 −0.598* −0.483 0.020 −0.297 0.479 0.540* 1)X1：水分含量，X2：pH，X3：电导率，X4：有机质含量，X5：全氮含量，X6：碱解氮含量，X7：全磷含量，X8：有效磷含量，X9：有效钾含量，X10：有效钙含量，X11：有效镁含量，X12：有效铁含量，X13：有效铜含量，X14：有效锌含量，X15：有效锰含量；Y1：升麻素苷含量， Y2：升麻素含量， Y3：5−O−甲基维斯阿米醇苷含量，Y4：亥茅酚苷含量，Y：色原酮总量； Z1：单株产量， Z2：单株色原酮总量；“*”表示在0.05水平显著相关，“**”表示在0.01水平显著相关(双尾检测)
1)X1: Moisture content, X2: pH, X3: Conductivity, X4: Organic matter content, X5: Total nitrogen content, X6: Alkali-hydrolyzed nitrogen content, X7: Total phosphorus content, X8: Available phosphorus content, X9: Available potassium content, X10: Available calcium content, X11: Available magnesium content, X12: Available iron content, X13: Available copper content, X14: Available zinc content, X15: Available manganese content; Y1: Prim-O-glucosylcimifugin content, Y2: Cimifugin content, Y3: 5-O-methylvisamminol content, Y4: Sec-O-glucosylhamaudol content, Y: Total chromone content; Z1: Yield per plant,Z2: Total chromone content per plant; “*” indicates significant correlation at 0.05 level, “**” indicates significant correlation at 0.01 level (Double tail detection)
下载: 导出CSV
表 5 防风色原酮总量与根际土壤因子多重线性回归分析模型及模型偏回归系数1)
Table 5 Models of multiple linear regression analyses between Saposhnikoviadivaricata total chromone content and rhizosphere soil factors and partial regression coefficients of different models
模型 Model R R2 调整R2
Adjusted R2估计的标准误差
Estimated standardized error1 0.604 0.365 0.316 2.077 78 2 0.754 0.568 0.496 1.783 11 3 0.847 0.718 0.641 1.504 74 模型
Model项目
ItemB±SE β t P 1 常量 Constant 7.644±1.335 5.726 0.000 有效磷含量 Available phosphorus content −0.137±0.050 −0.604 −2.732 0.017 2 常量 Constant 5.758±1.394 4.132 0.010 有效磷含量 Available phosphorus content −0.131±0.043 −0.574 −3.018 0.011 有效锰含量 Available manganese content −0.813±0.342 −0.452 2.377 0.035 3 常量 Constant 7.252±1.328 5.460 0.000 有效磷含量 Available phosphorus content −0.132±0.037 −0.579 −3.609 0.004 有效锰含量 Available manganese content −1.206±0.331 −0.671 −3.642 0.004 全磷含量 Total phosphorus content −3.631±1.501 −0.445 −2.419 0.034 1)B：非标准化系数，β：标准化系数
1) B: Unstandardized coefficient，β: Standardized coefficient
下载: 导出CSV
-
[1] 孙晶波, 杨鹤, 刘岩硕, 等. 防风挥发油与其根际土壤的相关性研究[J]. 中草药, 2013, 44(7): 891-895. [2] 杨利民, 张永刚, 林红梅, 等. 中药材质量形成理论与控制技术研究进展[J]. 吉林农业大学学报, 2012, 34(2): 119-124. [3] 沈晓凤, 张琦, 严铸云, 等. 根际土壤元素有效性与丹参质量的相关性分析[J]. 中国中药杂志, 2016, 41(7): 1212-1217. [4] 王利丽, 张涛, 陈随清, 等. 土壤中无机元素与山茱萸药材质量的相关性分析[J]. 中药材, 2011, 34(8): 1167-1172. [5] 森立之. 神农本草经[M]. 上海: 银联出版社, 1995. [6] 杨景明, 姜华, 孟祥才. 中药防风质量评价的现状与思考[J]. 中药材, 2016, 39(7): 1678-1681. [7] 孙志蓉, 杜永航, 李月, 等. 防风产地及品种变迁的研究[C]//第十届中药鉴定学术会议暨WHO中药材鉴定方法和技术研讨会论文集. 西安: 中华中医药学会, 2010. [8] 国家药典委员会. 中华人民共和国药典一部[S]. 北京: 中国医药科技出版社, 2015: 150. [9] 韩忠明, 王云贺, 李轶雯, 等. 防风色原酮微波辅助提取及含量动态变化研究[J]. 中药材, 2011, 34(3): 465-468. [10] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 2005. [11] 宋正蕊, 陈秀梁, 熊启瑞. 不同产地当归中7种微量元素含量检测分析[J]. 中国检验检测, 2019(2): 39-40. [12] ZHANG H Z, LIU D H, ZHANG D K, et al. Quality assessment of Panax notoginseng from different regions through the analysis of marker chemicals, biological potency and ecological factors[J]. PLoS One, 2016, 11(10): e0164384. doi: 10.1371/journal.pone.0164384
[13] 杨林林, 张涛, 杨利民, 等. 人参叶片中人参皂苷含量、关键酶基因表达和生态因子的相关性分析[J]. 华南农业大学学报, 2018, 39(3): 39-47. doi: 10.7671/j.issn.1001-411X.2018.03.007 [14] 赵钰, 杨林林, 韩梅, 等. 北柴胡不同部位柴胡皂苷含量与其关键酶基因表达量的相关性研究[J]. 中草药, 2019, 50(10): 2433-2441. doi: 10.7501/j.issn.0253-2670.2019.10.026 [15] 杨辉, 贾光林, 刘志英, 等. 不同产地甘草主要有效成分与生态因子的相关性研究[J]. 青岛农业大学学报(自然科学版), 2013, 30(4): 289-294. [16] 薛启, 王康才, 梁永富, 等. 氮锌互作对藿香生长、产量及有效成分的影响[J]. 中国中药杂志, 2018, 43(13): 2654-2663. [17] 尹海波, 张囡, 罗宏, 等. 不同产地牻牛儿苗无机元素的主成分分析和聚类分析[J]. 中国中药杂志, 2010, 35(15): 1935-1938. [18] 张建逵, 康廷国, 窦德强. 林下山参与园参无机元素的聚类分析和主成分分析[J]. 中草药, 2012, 43(9): 1835-1840. [19] 周登远, 王红梅, 崔壮, 等. 临床医学研究中的统计分析和图形表达实例讲解[M]. 北京: 北京科学技术出版社, 2017: 119-125. [20] 周国富, 刘金欣, 李晓娟, 等. 黄芩生态适宜性评价及生态因子对5种主要指标性成分的影响[J]. 中国实验方剂学杂志, 2016, 22(20): 28-32. [21] 卫昊, 郭玲玲, 李柳柳, 等. 不同海拔和光照对黄芩中7种黄酮类有效成分含量的影响[J]. 中草药, 2019, 50(6): 1472-1476. doi: 10.7501/j.issn.0253-2670.2019.06.032 [22] 康传志, 周涛, 江维克, 等. 土壤基本养分及无机元素对栽培太子参药材质量的影响[J]. 中药材, 2015, 38(4): 674-678. [23] 孙晶波, 杨鹤, 李鑫, 等. 根际土壤化学性质对防风色原酮、香豆素含量的影响[J]. 中国实验方剂学杂志, 2013, 19(4): 88-92. -
期刊类型引用(10)
1. 高华，涂昊泽，赵钰湲，孔雯，夏文建，王飞儿，Muhammad Shaaban，林杉. 生物质炭调控药用植物连作障碍的研究进展. 福建农业学报. 2024(01): 105-114 . 
百度学术
2. 李富，王雪力，张武，王相玉，葛宜元. 生物炭添加对三江平原白浆土玉米农田细菌群落的影响. 土壤通报. 2024(03): 758-768 . 百度学术
3. 陈群，马威，许博阳，刘雪，闫晓明，唐俊. 覆土细菌群落在双孢菇栽培过程中的动态变化. 安徽农业大学学报. 2024(03): 503-509 . 百度学术
4. 王安泽，张阿里，窦松岩，岳红，宋卫宁. 不同小麦品种苗期抗旱性鉴定及根际微生物功能研究. 干旱地区农业研究. 2024(06): 8-18 . 百度学术
5. 勾颖，孙安琪，张阳，孙卓，韩梅，杨莉. 固定化生防菌的生物质炭基载体构建与评价. 中国生物防治学报. 2023(02): 380-388 . 百度学术
6. 童芳，李屹，陈来生，韩睿. 连作对设施辣椒土壤酶活性和微生物群落结构的影响. 西北农业学报. 2023(08): 1231-1239 . 百度学术
7. 隋雅文，王和祥，杨居东，刘秀波，周博，郭盛磊. 人参质量影响因素研究进展. 中医药学报. 2023(09): 104-110 . 百度学术
8. 曹庆军，孔凡丽，陈晓林，杨粉团，苏德悦，杨浩，李辛琲，王英平，李刚. 农田栽参后对土壤理化性质及玉米氮素吸收利用的影响. 广东农业科学. 2023(10): 12-21 . 百度学术
9. 张文文，杨海波，马玲，安明远，申佳丽，曹云娥. 生物炭、三叶草和蚯蚓种养对西瓜根际土壤细菌群落多样性的影响. 干旱地区农业研究. 2022(06): 175-184 . 百度学术
10. 刘静婉，李琼，张涛，王恩鹏，王欢，陈雪，陈长宝. 从改良土壤角度探索人参连作障碍解决方法的研究进展. 应用化学. 2022(12): 1818-1832 . 百度学术
其他类型引用(8)
计量
- 文章访问数: 1006
- HTML全文浏览量: 1
- PDF下载量: 1195
- 被引次数: 18
