甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）是重要的大宗中药材，在世界范围内应用广泛，市场用量很大^[1]。近年来由于过度采挖，其野生资源日益匮乏^[2]，人工栽培甘草已成为解决甘草资源供需矛盾的根本途径。为提高人工栽培甘草的产量，研究者们围绕水分、养分、密度等生态因子进行大量研究，但对于甘草生物量积累的调控机制尚不清楚，相关方面亟需进行深入细致研究。植物根系呼吸是影响生态系统初级生产力的重要因素^[3]，决定植物地上与地下部分的物质分配，而各生化途径与植物生物量积累的关系目前未见报道。本实验采用灰色关联分析方法，探讨甘草根系呼吸各生化途径和生物量积累的关联关系，以期揭示根系呼吸代谢对甘草生物量的影响。

1 材料与方法 1.1 供试材料

甘草种子由内蒙古伊克昭盟杭锦旗甘草公司提供。实验地设于北京中医药大学中药学院药用植物园（39°55'N，116°28'E，海拔54.7 m），年平均气温14.1 ℃，年平均降水量500 mm。实验用圆形PVC管埋于实验区中，管口高于地面5 cm，下端用纱网密封，管中填充砂壤土至与地面平等高度，土壤有机质含量0.279%，碱解氮为35.85 mg/kg，速效磷为2.9 mg/kg，速效钾为85.11 mg/kg，pH值为7.91，CaCO₃含量为2.69%。种子处理后于4月下旬播种，出苗后，每根PVC管留苗6株。Hoagland营养液配方加以改进，营养液用NaOH和稀盐酸调节pH到7.4左右，每半个月施1次，正常管理，其他时间视土壤和天气情况适当浇水，分别于8月10日和25日、9月10日和25日，10月25日取样测定。

1.2 测定方法 1.2.1 呼吸强度的测定

总呼吸速率的测定方法采用杨春宁等^[4]的溶氧法进行，采集PVC管中的甘草根系，将泥土洗净后用湿纱布包裹带至实验室，先用中性洗涤剂清洗2遍，漂洗干净后用3%的过氧化氢溶液浸泡10 min，后用无菌水除去多余的过氧化氢溶液，选取甘草的中上部主根，用双面刀片将根均匀切成1 mm左右根段，将切好的根段放入Yaxin-1151生物氧测定仪叶室内测定，用0.2 mol/L Tris-HCl溶液填充整个叶室后，将氧电极插入叶室中开始进行测定。每个样品测定4~5 min，每组至少5个平行，整个实验过程在25 ℃空调房中进行，且反应介质溶液需在25 ℃空调房提前预热8 h以上。

呼吸途径的测定参照余有才等^[5]的方法加以改进，EMP途径、TCA途径和PPP途径呼吸抑制剂分别选用0.2 mol/L NaF溶液、0.2 mol/L丙二酸溶液和0.2 mol/L正磷酸钠溶液（溶液用NaOH和HCl准确调整到pH 7.4），选取10个切好的甘草根段，分别放入上述3种溶液和同等浓度的Tris-HCl（pH 7.4）中浸泡，P=-0.1 MPa真空渗透18 min，之后放置20 min后将处理好的根段放入Yaxin-1151生物氧测定仪叶室内测定，每个样品测定4~5 min，每组至少5个平行，整个实验过程在25 ℃空调房中进行。

1.2.2 生长指标的测定

在各个取样时间，随机选取3株生长良好的完整植株，利用直尺和游标卡尺测定植株形态指标，主要包括株高、叶片数、芦头直径和根长。然后用水冲洗干净，吸水纸吸干，利用电子分析天平（BP211D型）测定地上部分和地下部分鲜质量，之后于105 ℃杀青10 min，55 ℃烘至恒质量，测定地上部分和地下部分干质量。

1.2.3 数据统计分析方法 1.2.3.1 单因素方差分析

所测数据用EXCEL 2010进行数据录入和图表绘制。采用SPSS 20.0软件分析，实验数据用均数±标准差（x±s）表示，若满足正态分布，多组间均数比较采用单因素方差分析（One-way ANOVA），组间两两比较采用LSD检验；若呈偏态分布，组间比较采用Kruskal-Wallis检验。P < 0.05为差异有统计学意义。

1.2.3.2 灰色关联度分析

根据灰色系统理论和方法^[6], 需对各指标先进行无量纲化处理, 按X_i(k)=X_i(k)/X_i(l)将数据进行标准化, 利用标准化数据求出参考数列X₀与比较数列X_i的差的绝对值ΔX_i(k)=|X_0(k)-X_i(k)|, 通过下列公式求出关联系数。所有的计算均采用DPS 7.05软件进行。

式中：分辩系数ρ=0.50

2 结果与分析 2.1 甘草根系总呼吸速率的变化

如表 1所示，甘草根系总呼吸速率随植株生长时间变化的幅度较小，呈逐渐减小的趋势。8月上旬时总呼吸速率值最大，为3.36 nmol O₂/g（FW）/s，10月下旬减小至最大值的91.5%，但各时期之间甘草根系总呼吸速率差异不显著（P > 0.05）。

2.2 甘草根系各生化呼吸途径占总呼吸比例的变化

如表 2所示，甘草根系呼吸通过EMP-TCA途径和PPP途径共同作用，但各生化呼吸途径占根系总呼吸的比例随着测定时间变化较大。其中，EMP途径占根系总呼吸的比例随测定时间呈先降低后升高的趋势，且各个处理时间差异显著（P < 0.05），在8月上旬时EMP途径呼吸强度达最高值，占总呼吸的36.54%，在9月上旬时EMP途径呼吸强度最低，仅为总呼吸的24.52%，而在9月上旬到9月下旬之间，EMP途径占根系总呼吸的比例变化差异有统计学意义（P < 0.01），9月下旬EMP途径占根总呼吸比例为32.51%，为9月上旬的1.32倍。TCA途径占根系总呼吸比例随时间的变化较为平缓，呈先上升后下降的趋势，且各测定时间之间相比差异有统计学意义（P < 0.01），其中8月下旬TCA途径所占比例最大，为呼吸总值的40.66%，10月下旬时最小，仅为呼吸总值的33.84%。PPP途径占呼吸的比例随着测定时间呈“单峰型”曲线，在9月上旬时最高，达31.98%，以8月上旬最低，为最高值的0.69倍。3个基础生化呼吸途径在不同的测定时间分别进行比较，TCA与PPP途径占根系呼吸的比例无统计学差异，但EMP途径占根系呼吸的比例随植物生长的时间差异统计学（P < 0.01），且在测定时间内呈现先降低后增大的趋势。

2.3 甘草地上部分生长指标的动态变化

由表 3可见，在测量时间内，甘草地上部分动态生长指标的差异有统计学意义（P < 0.05），其中，叶片数、地上部分鲜干质量指标差异有统计学意义（P < 0.01）。甘草叶片数与地上部分干质量呈逐渐上升趋势，10月下旬均达到最大值，其中地上部分干质量积累量表现为前期平稳、后期降低，8月9月上旬的积累量最高，均值达0.22 g。甘草株高和地上部分鲜质量呈先上升后下降的趋势，9月下旬达到最高值，分别为42.83 cm、3.47 g，10月下旬略有所下降。

2.4 甘草地下部分生长指标的动态变化

如表 4所示，在测定时间内，甘草地下部分动态生长指标的差异有统计学意义（P < 0.01），各指标呈逐渐上升趋势，10月下旬均达到最大值。其中，甘草地下部分芦头直径、根部鲜干质量积累量表现为增长迅速，各指标在9月下旬至10月下旬增长最快；甘草根长积累量表现为前期迅速，后期缓慢，8月下旬到9月上旬增长最快，积累量达15.17 cm。

2.5 甘草根系呼吸途径与生物量积累的灰色关联度分析

灰色关联度分析为一个系统发展变化态势提供了量化的度量，其实质是对各因素数列曲线形状的接近程度做发展态势的分析。系统发展过程中，如果两个因素变化的态势是一致的，说明两者同步变化程度较高，则可以认为两者关联较大；反之，则两者关联较小。如表 5所示，甘草地上部分生物量与3个基础生化途径呼吸强度的关联系数大小依次为三羧酸循环 > 磷酸戊糖途径 > 糖酵解途径，说明甘草地上部分生物量的积累与三羧酸循环的关系更为密切，其关联系数为0.828 2；其次为磷酸戊糖途径，其关联系数为0.778 1，而糖酵解途径与地上部分生物量累积的关联系数较小，关联系数为0.5。与地上部分相比，甘草地下部分生物量累积值与各生化途径的关系差异较小，其关联系数从大到小依次为：糖酵解途径 > 磷酸戊糖途径 > 三羧酸循环，相较于其他两个呼吸途径，糖酵解途径与地下部分生物量积累的相关性最大，关联系数为0.612 9，说明甘草地下部分生物量积累与糖酵解途径最密切。

3 结论与讨论

本实验研究结果与课题组前研究^[7]结果相同，8月到9月是甘草生物量积累的关键时期，因此，研究甘草的季节生长动态需要重点把握这段时间。笔者对实验结果进行深入分析，植物体内所有碳骨架都来自于光合作用，而生物量其实质是对光合作用产物分配的结果。植物体内30%~60%的光合作用产物会呼吸作用消耗掉^[3]，且单位生物量根系的呼吸速率远远大于地上部分的呼吸速率^[8]。植物的呼吸可以分为维持呼吸和生长呼吸^[9]，生长呼吸是指新组织形成过程中有机碳的消耗，维持呼吸是指现存组织的呼吸^[10]，是为维持现存成熟组织提供能量的过程。在不考虑生长呼吸的情况下，维持呼吸只与现存组织的量成正比，在短期内可认为是固定不变的。而三羧酸循环是植物获取能量最有效的方式，1分子葡萄糖经无氧酵解仅生成2分子ATP，经三羧酸循环可净生成24分子ATP。故在所需能量固定的情况下，植物经三羧酸循环所需要消耗的葡萄糖的量远远小于其他呼吸途径。因此，笔者认为当甘草根系的三羧酸循环途径增强后，消耗的碳水化合物减少，因而会导致植物地上部分向地下运输的碳也减少，地上部分储存的碳随之增多，生物量随之提高。

综上所述，甘草根系呼吸代谢中EMP-TCA途径与地上生物量的积累密切相关，而3条生化途径与地下生物量积累关联不大，此结果可为深入探索甘草根系生理生化反应与目标收获量的可能影响机制奠定研究基础。