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膜荚黄芪[Astragalus membranaceus(Fisch.)Bunge.]为豆科草本植物,我国传统大宗药材,干燥根入药。膜荚黄芪主产于我国东北、华北、西北等地区,次生代谢产物黄芪皂苷为其主要有效成分之一。不同产地黄芪皂苷含量差异较大,这种差异受环境因素和遗传因素共同影响。水分因子是影响黄芪次生代谢形成的重要生态因子之一,适度的水分调控可促进黄芪药效成分的积累,但水分调控下黄芪药材质量形成的分子生态机制还未得到阐明,无疑制约了中药材生产中质量控制技术的创新。因此,本研究对盆栽膜荚黄芪进行水分调控试验,系统地开展黄芪皂苷对水分调控响应规律研究,以期对水分调控影响黄芪皂苷形成的机制进行阐释,为黄芪精准化栽培提供理论支撑。本研究采用盆栽试验的方式,以膜荚黄芪为研究材料,根据黄芪生长分布区降水情况设置水分处理组,分别采用短期渐近干旱和长期水分亏缺的水分调控模式,考察了在水分调控过程中膜荚黄芪的生物量、皂苷含量、基因表达量及栽培土壤养分含量,分析了水分调控下土壤养分含量对膜荚黄芪皂苷次生代谢形成的影响。主要研究结果如下:1、不同水分调控模式对膜荚黄芪的生长发育及有效成分含量的影响短期水分调控下渐近干旱组地上、地下组织干重低于水分充沛组,干物质量减少;渐近干旱组黄芪甲苷及总皂苷含量在处理后第15d达到最大值,相对水分充沛组分别提高了16.8%和23.6%,此时渐近干旱组中黄芪甲苷和总皂苷积累量达到最大值,是水分充沛组的1.37和1.45倍。长期水分调控下水分亏缺组地上组织鲜重、干重只有水分充沛组的57.62%和55.92%,但地下组织鲜重和干重高于水分充沛组;水分亏缺组黄芪甲苷和总皂苷含量在7月、8月分别达到最大值,相对水分充沛组分别提高了15.92%和49.42%,7月中旬黄芪甲苷积累量最高,是水分充沛组的2.14倍。短期和长期水分调控均促进了黄芪皂苷的积累,其中长期水分亏缺对黄芪总皂苷积累的促进效果优于短期渐近干旱,因此7~8月份采用水分亏缺方式可能是调控膜荚黄芪药材质量提高的有效手段。2、不同水分调控模式对黄芪皂苷合成途径中关键酶基因(AACT、HMGS、HMGR、IDI、FPS、SS、SE和CAS)相对表达量的影响短期水分调控下,中度干旱阶段渐近干旱组AACT、HMGS、IDI、FPS、SS、SE表达量显著低于水分充沛组,而重度干旱阶段表达量高于水分充沛组;HMGR表达量在复水后受影响较大,下降显著;CAS表达量在干旱阶段逐渐降低。各个关键酶基因间相关性较高,共同响应土壤水分变化。长期水分调控过程中,6、7月份是黄芪皂苷合成关键酶基因表达的活跃时期。水分亏缺组AACT、IDI、FPS和CAS表达模式相近,6月末基因相对表达量显著高于水分充沛组,7月中旬达到最大值;HMGS、SS、SE在7月中旬表达量显著高于水分充沛组。相关分析显示,长期水分调控下,黄芪甲苷和与8种关键酶基因表达量关系密切,与AACT、HMGS、IDI、FPS、SS、SE、CAS表达量呈极显著正相关(p<0.01),与HMGR表达量呈显著正相关(p<0.05)。表明8种关键酶基因的表达相互影响,协同增减,在黄芪皂苷合成积累过程中发挥重要作用。3、不同水分调控模式下黄芪栽培土壤养分(有机质、碱解氮、全氮、速效磷、速效钾)含量变化及其与黄芪皂苷形成的关系长期水分调控下,水分亏缺组全氮含量低于水分充沛组,速效钾含量呈逐渐增加的趋势,有机质含量呈逐渐降低,水分亏缺组速效磷含量始终低于水分充沛组。相关分析性分析显示,短期水分调控下,土壤有机质含量与HMGS表达量呈显著负相关(p<0.05),土壤速效磷含量与HMGR表达量呈极显著正相关(p<0.01),土壤速效磷含量与黄芪甲苷积累量呈显著正相关(p<0.05)。长期水分调控下,土壤碱解氮含量与CAS表达量呈显著正相关(p<0.05),土壤全氮含量与除HMGR以外的其它7种关键酶基因均呈极显著正相关(p<0.01),速效磷含量与AACT表达量呈显著负相关(p<0.05)。土壤碱解氮含量与总皂苷积累量呈显著负相关(p<0.05),土壤速效钾含量与黄芪甲苷积累量、总皂苷积累量呈极显著正相关(p<0.01),与总皂苷含量呈显著正相关(p<0.05)。说明水分调控改变了土壤速效养分含量,进而影响了膜荚黄芪对于速效养分的吸收利用,应对外部环境变化其体内皂苷合成关键酶基因表达快速响应,最终表现出黄芪皂苷含量的差异。