黄芪甲苷对力竭运动致大鼠骨骼肌损伤及细胞凋亡的影响
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关键词:
- 黄芪甲苷 /
- 损伤 /
- 凋亡 /
- PI3K/Akt/mTOR通路 /
- 力竭运动
Effects of Astragaloside IV on Damage and Cell Apoptosis of Skeletal Muscle Induced by Exhaustive Exercise in Rats
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Keywords:
- astragaloside IV /
- damage /
- apoptosis /
- PI3K/Akt/mTOR pathway /
- exhaustive exercise
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香蕉(Musa spp.)作为一种多年生单子叶植物，果实营养丰富，是全球亚热带和热带区域重要的经济作物[1-3]。目前，云南省的香蕉种植面积已超过10万hm2，依托独特的地形地貌和气候资源，云南香蕉产地处于较高海拔，所生产的香蕉品质出众，但由于缺乏对香蕉品质影响因素的系统研究，尚未形成云南“高原山地香蕉”的品牌，不能有效地突出其价格优势，影响了云南省香蕉产业的整体效益、热区农民的收入和经济发展[4-5]。中国农业产业发展已由对产量的追求转变为对品质的提升，这有利于促进产业的提质增效。云南省具备生产优质香蕉的独特地理条件，香蕉种植区主要集中在海拔300~800 m之间，昼夜温差大，光照充足，有利于养分积累，香蕉的营养丰富、口感好、味甜、风味独特，具备优质“高原山地香蕉”的独特优势[6]。因此，突出云南省“高原山地香蕉”特色已逐渐成为云南省香蕉产业可持续发展的新助推器，但如何评价“高原山地香蕉”形成因素是亟待解决的科学问题。
海拔作为对农业生产有重要影响的环境因子，直接影响了作物生长的环境温度，进而对作物的生长发育产生一定程度地影响，改变了作物的生育进程与生育期[7]。同时，有研究表明：基于不同海拔作物的生理生态特性，作物的光合作用、呼吸、物质的运输与传递和细胞分裂等生理生化过程与海拔造成的环境因子变化息息相关[8-9]。TURNER等[10]通过研究同为芭蕉属的大蕉在不同海拔的生长差异，结果表明海拔造成的环境因子差异显著地影响了大蕉的营养生长和生殖生长，进而影响香蕉果实的风味与品质。因此，本研究通过对不同海拔香蕉营养生长期和生殖生长期的形态指标差异调查，结合测定不同海拔条件下的光照强度、空气温度、土壤温湿度和香蕉品质，分析不同海拔气候因子对香蕉生长和品质的影响。期望通过对不同海拔的气候因子进行分析，明确不同海拔对香蕉品质的影响，为评估“高原山地香蕉”的质量标准提供技术支撑和数据支持，进而促进“高原山地香蕉”的周年生产、品牌建设和推广应用。
1. 材料与方法
1.1 试验条件及试验设计
试验地位于云南省红河州元阳县马街乡大皮甲村元甲农业开发有限公司香蕉种植基地(N 23°23′35″，E 102°44′59″)，蕉园以山地为主，是典型的山地香蕉种植区域，香蕉种植最低海拔300 m，最高海拔850 m，相对高差550 m，年平均气温24.4 ℃，最高气温44.1 ℃，最低气温3.7 ℃；年降雨量最高1 189.1 mm、最低665.7 mm、平均899.5 mm。土壤类型为红壤土。试验处理设3个海拔梯度：510、660和810 m。小区面积135 m2，每个小区定植香蕉苗30株，行距2.3 m，株距2 m。香蕉品种为当地主栽品种桂蕉6号，香蕉栽培和水肥管理参照当地香蕉种植模式，肥料和病虫害防治均采用常规种植模式。
1.2 测定指标
在香蕉生长各生育时期，在同一海拔随机选取4株长势相同的香蕉，测定香蕉营养生长期的叶片数、植株高度和假茎周长；调查从营养生长期到生殖生长期的时间(现蕾时间)和整个香蕉生育期的时间。
香蕉品质包括总糖、可溶性固形物、维生素C、总酸和蛋白含量。2018年1月，在同一海拔随机选取4株长势相同的香蕉，且果实的成熟度一致，约为七成熟，取每串从上到下的第3梳，标明各海拔和取样株，装箱保存。样品用乙烯利在18 ℃催熟，然后送云南农业科学院质量标准与检测技术研究所进行检测。维生素C含量采用GB 5009.86—2016方法测定，总糖含量用GB 5009.7—2016方法测定，可溶性固形物含量用NY/T 2637—2014方法测定，总酸含量用GB/T 12456—2008方法测定，蛋白质含量用GB 5009.5—2016方法测定。
土壤温度和湿度采用土壤温湿度计(L99-TWS-1，杭州路格科技有限公司)测定，温度和湿度探头安置在离香蕉假茎25 cm处，土壤深度为10 cm，每天2：00、8：00、14：00和20：00时自动记录相关数据。土壤日平均温度和湿度为4次测定数据的平均值。
光照强度和空气温度采用数字式照度仪(GM1040B，深圳市聚茂源科技有限公司)测定，在12：00—14：00之间测定。
1.3 数据分析
监测数据均采用新复极差法检验不同处理间的差异显著性，数据利用SPSS统计软件计算，图用SigmaPlot 10.0绘制。
2. 结果与分析
2.1 海拔对香蕉生育进程的影响
如表1所示：由于香蕉具备多年生和可周年生产的特点，不同海拔香蕉的生育进程受到其现蕾时间、采收成熟度和收获时间等因素的影响，不同海拔的香蕉吸芽至现蕾和现蕾至采收的时间存在明显差异。生育期随着海拔的升高而延长，香蕉在810 m生育期较510 m增加30~80 d，但吸芽至现蕾和现蕾至采收的时间受到现蕾时间的影响。当现蕾时间在9月—次年1月时，采收时间为当年12月—次年的4月，采收熟度为八成熟，不同海拔的香蕉吸芽至现蕾时间无差异，但现蕾至采收时间存在明显差异，随着海拔的升高，现蕾至采收时间呈现增加的趋势，810 m较510 m增加30~60 d；当现蕾时间在2—8月时，采收时间为次年的5—11月，采收熟度存在一定的差异，集中在六成半至七成半，不同海拔高度的香蕉现蕾至采收的时间无差异，但吸芽至现蕾的时间随着海拔升高而增加，810 m较510 m增加30 d左右。不同海拔香蕉生育期增加的时间主要是因为每年冬季的相对低温天气延缓了香蕉的生长，从而增加其生育期天数，高海拔的低温对香蕉生长的延滞作用更明显。
表 1 不同海拔香蕉生育进程调查表Table 1. Survey of banana growth process at different altitudes现蕾时间
budding time采收熟度
harvest maturity采收时间
harvest time海拔高度/m
altitude吸芽至现蕾/d
sucker to budding现蕾至采收/d
budding to harvest生育期/d
growth period11—1月
November to next January八成
80% mature12—4月
December to next April510 180 120 300 660 180 150 330 810 180 160~180 340~360 2—5月
February to May七成半
75% mature8—11月
August to November510 240 70~90 310~330 660 270 70~90 340~360 810 300 70~90 370~390 6—8月
June to August六成半至七成
65%-70% mature5—7月
May to July510 150 60~70 210~220 660 165 60~70 225~235 810 180 60~70 240~250 9—10月
September to October八成
80% mature12—4月
December to next April510 150~160 90 240~250 660 150~160 120 270~280 810 150~160 150 300~310 2.2 海拔对光照强度和气温的影响
海拔对光照强度和空气温度的影响如图1所示：不同海拔的光照强度差异不显著，但随着海拔的升高，光照强度呈现一定的下降趋势，810 m的光照强度较510 m降低3.30%，下降3 030 lx；不同海拔的空气最高温度存在明显差异，总体上随着海拔的增加呈现下降趋势，810 m的空气最高温度与660 m和510 m均有显著差异，810 m较510 m降低10.09%，下降3.62 ℃。光照强度和空气温度都直接影响香蕉的生长，但随着海拔的升高，均有一定程度的下降，这一定程度地佐证了表1调查结果。
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图 1 海拔高度对光照强度和空气温度的影响注：不同小写字母表示在不同高度海拔之间的0.05水平下差异显著。Figure 1. The effect of altitude on the illumination intensity and air temperatureNote: Pifforent lowercase letters among different altitudes indicate significant different at 0.05 levels.2.3 海拔高度对土壤温湿度的影响
如图2所示：2017—2018年不同海拔高度的土壤日平均湿度和温度均存在明显的差异。土壤日平均湿度虽然在不同海拔存在差异，但土壤的湿度均能满足香蕉生长的需要，这主要是受到蕉园滴灌系统的影响，由于不同海拔香蕉处于蕉园的不同位置，土壤日平均湿度在不同海拔的变化趋势有一定的差异，差异主要区别在夏季的雨季和冬春的旱季。土壤的日平均温度在3月至10月差异明显，在11月至1月差距不明显，土壤日平均温度随着海拔的增加而降低，810 m较510 m降低了0.38% ~15.21%，下降幅度为0.10~4.98 ℃。
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图 2 海拔对2017—2018年土壤日平均湿度和温度的影响Figure 2. The effects of altitude on the daily mean soil moisture and temperature in 2017−20182.4 海拔对香蕉植株性状的影响
如表2所示：植株高度和假茎周长随着海拔的升高均呈现显著性下降趋势，与510 m相比，810 m的植株高度在留吸芽50和100 d分别降低了9.86%和15.29%，香蕉周长在留吸芽50和100 d分别降低了14.54%和20.47%，与660 m相比，810 m的植株高度在留吸芽50和100 d分别降低了6.38%和10.89%，香蕉假茎周长在留吸芽50和100 d分别降低了7.86%和14.76%，香蕉的植株性状受海拔的影响程度随着海拔的增加呈现提高趋势。叶片数在不同海拔间的差异不明显，主要是香蕉管理过程中对老叶的修剪。
表 2 香蕉植株性状在不同海拔的差异变化（mean±SD）Table 2. The variation of banana morphological parameters at different altitudes测定时间
measurement time海拔高度/m
altitude植株高度/cm
plant height假茎周长/cm
pseudostem girth叶片数
number of leaves留吸芽0 d
0 days after sucker selected510 41.50±3.11 a 15.75±1.54 a 7.25±0.50 a 660 41.50±2.38 a 15.32±1.32 a 7.50±1.29 a 810 40.00±2.16 a 15.89±0.73 a 7.00±0.82 a 留吸芽50 d
50 days after sucker selected510 175.00±6.16 a 39.55±2.46 a 11.25±0.50 a 660 168.50±6.61 ab 36.69±2.02 ab 12.25±1.26 a 810 157.75±3.86 b 33.80±1.91 b 12.75±0.96 a 留吸芽100 d
100 days after sucker selected510 212.50±12.58 a 63.50±3.42 a 10.50±0.58 a 660 202.00±6.78 a 59.25±3.10 a 11.00±0.82 a 810 180.00±8.16 b 50.50±4.20 b 10.50±1.29 a 注：同列不同测定时间数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著：下同。
Note: Different lowercase letters after data at different days afer sucker in the same column indicate sianificant different at 0.05 level; the same as below.2.5 海拔对香蕉品质的影响
香蕉果实品质在不同海拔的差异变化如表3所示。香蕉果实中总糖、维生素C、总酸、可溶性固形物和蛋白质含量均随着海拔的增加呈现显著地提高趋势。与510和660 m相比，810 m的香蕉总糖含量分别提升了20.87%和11.23%，维生素C含量分别提升了29.52%和18.95%，总酸含量分别提升了15.74%和12.31%，可溶性固形物含量分别提升了6.28%和2.32%，蛋白质含量分别提升了19.22%和13.11%。
表 3 香蕉果实品质在不同海拔的差异变化Table 3. The variation of banana fruit quality at different altitudes海拔高度/m
altitude总糖含量/%
total sugar content维生素C含量×10−2/(mg·g−1)
Vc content总酸含量/%
total acid content可溶性固形物含量/%
soluble solids蛋白质含量/%
protein content510 14.39±0.28 c 16.32±0.18 c 0.49±0.01 b 20.69±0.30 b 1.11±0.02 b 660 15.64±0.22 b 17.77±0.43 b 0.51±0.01 b 21.49±0.24 a 1.17±0.03 b 810 17.39±0.63 a 21.13±0.49 a 0.57±0.03 a 21.99±0.26 a 1.32±0.04 a 3. 讨论
本研究首次对不同海拔香蕉生育进程进行跟踪调查，发现海拔的上升延长了香蕉的生育期。这可能与香蕉生长在热带和亚热带地区，其生长对温度变化十分敏感，特别是每年冬春季的短暂低温时间延滞了香蕉的生长发育，这与本研究中不同海拔间温度变幅较大有关(图1、2)，尤其是在810 m高海拔位置。但也有研究认为不同海拔的水分、光照和温度影响了水果的叶片形态结构和代谢通路，进而影响了果实的品质[11-12]。同时，曹瑞等[13]研究认为海拔影响了土壤微生物生物量碳氮、土壤蔗糖酶、脲酶及酸性磷酸酶活性，从而影响了土壤的生理生化特性。魏新等[14]研究认为土壤的pH、有机质、全氮和有效磷含量与海拔之间存在一定的相关性。丁园等[15]研究认为海拔是决定茶叶生理和品质指标的主要因素，主要是由于不同海拔的土壤理化性质差异显著，影响了茶叶的叶绿素含量、酶活性、茶多酚和硒含量等品质指标。本研究只针对不同海拔的气候因子，如光照强度、空气温度、土壤湿度和温度进行比较分析，但由于不同海拔的试验地集中在1个蕉园，且蕉园水肥采用滴管系统，通过对土壤湿度的分析，土壤中水分能够满足香蕉的正常生长，这在一定程度上弱化了海拔通过影响水分的方式改善作物生长。因此，下一步有必要对不同海拔的土壤理化性质进行比较分析，进而明确不同海拔土壤理化性质对香蕉生长和品质的影响。
海拔通过环境因子影响了作物的生长，体现在不同海拔作物植株性状的差异，本研究通过对留吸芽后50和100 d的植株高度、假茎周长和叶片数进行分析可知：植株高度和假茎周长植株性状随着海拔的升高均呈现显著下降趋势，但由于香蕉管理过程中对老叶的修剪，对叶片数影响不明显(表2)，这与大量研究表明海拔显著地影响了烟草[16]、甘蓝型油菜[17]和大麦[18]的植株性状结果一致，但由于作物的差异，香蕉随着海拔的升高，其株高和假茎周长不同程度地出现了下降的趋势，与大麦株高随海拔升高而增加的趋势存在一定差异，这可能是由于本研究只对香蕉生长前期的株高进行测定，对生育后期的株高没有进行跟踪测定，下一步有必要对香蕉生长整个生育期的株高受海拔的影响进行研究。大量的研究均认为：随着海拔的增加，温度逐渐降低，一定程度的延缓了作物的营养生长和生殖生长，进而延长了作物的总生育期。同时，作物的生长环境也受到海拔的影响，直接影响作物的光合作用、呼吸、物质的运输与传递和细胞分裂等生理生化过程[9, 12, 19]。
本研究认为海拔能够显著影响香蕉果实中总糖、维生素C、总酸、可溶性固形物和蛋白质含量等品质指标，且随着海拔的升高，不同品质指标不同程度地增加(表3)。这与海拔显著影响草莓[20]、板栗[21]、小粒咖啡[22]、紫色马铃薯[23]、油菜[17]、苹果[11]和葡萄[12]等作物和水果的品质的研究结果一致。随着海拔的增加，香蕉果实中的总酸和维生素C含量不同程度地增加，这也影响了香蕉的口感，对于不同海拔的口感有待于进一步的明确。
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图 1 黄芪甲苷对各组大鼠骨骼肌形态的影响(200×)
注：a) 安静对照组；b) 力竭运动组；c) 黄芪甲苷100 mg/kg组；d)黄芪甲苷200 mg/kg组；下同。
Figure 1. Effect of astragaloside IV on the skeletal muscle morphology in rats of each group
Note: a) quiet control group; b) exhaustive exercise group; c) astragaloside IV 100 mg/kg group; d) astragaloside IV 200 mg/kg group; the same as below.
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图 2 黄芪甲苷对各组大鼠骨骼肌细胞凋亡的影响
Figure 2. Effect of astragaloside IV on the apoptosis of skeletal muscle cells in rats of each group
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图 3 免疫印迹法检测PI3Kp85、p-Akt、Akt及mTOR蛋白表达
注：a. 安静对照组；b. 力竭运动组；c. 黄芪甲苷100 mg/kg组；d. 黄芪甲苷200 mg/kg组。
Figure 3. The PI3Kp85, p-Akt, Akt and mTOR protein expressions were detected by western blot
Note: a. quiet control group; b. exhaustive exercise group; c. astragaloside IV 100 mg/kg group; d. astragaloside IV 200 mg/kg group.
表 1 qPCR引物序列
Table 1 The sequence of qPCR primer
基因gene 引物序列 (5′→3′)primer sequence 长度/bplength Bcl-2 F：CCGGGAGAACAGGGTATGATAA
R：CCGGGAGAACAGGGTATGATAA218 Bax F：TGGCAGCTGACATGGTTTCTGAC
R：CGTCCCAACCAGGGTCT195 caspase-3 F：GCAGCAGCCTCAAATTGTTGAC
R：TGCTCCGGCTCAAACCATC243 GAPDH F：CGAAGTCAACGGATTTGGTCGTAT
R：AGCCTTCTCCATGGTGGTGAAGAC306 
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表 2 黄芪甲苷对各组大鼠血清乳酸脱氢酶(LDH)和肌酸激酶(CK)活性的影响
Table 2 Effects of astragaloside IV on the serum lactic dehydrogenase (LDH) and creatine kinase (CK) activities in rats of each group
U/L 分组groups LDH活性LDH activity CK活性CK activity 安静对照组quiet control group 978.11±103.42 1446.23±165.43 力竭运动组exhaustive exercise group 2105.51±247.29** 3836.07±429.86** 黄芪甲苷100 mg/kg组astragaloside IV 100 mg/kg group 1872.89±166.17# 2542.15±286.02## 黄芪甲苷200 mg/kg组astragaloside IV 200 mg/kg group 1673.72±185.35## 2239.61±258.49## 注：*P<0.05，**P<0.01，与安静对照组比较；#P<0.05，##P<0.01，与力竭运动组比较；下同。
Note: *P<0.05, **P<0.01, compared with the quiet control group; #P<0.05, ##P<0.01, compared with the exhaustive exercise group; the same as below.
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表 3 黄芪甲苷对各组大鼠骨骼肌氧化应激指标的影响
Table 3 Effects of astragaloside IV on the indexes of oxidative stress of skeletal muscle in rats of each group
分组
groups丙二醛含量/(nmol·mg−1)
content of malondialdehyde (MDA)过氧化氢酶活性/(U·mg−1)
activity of catalase (CAT)超氧化物歧化酶活性/(U·mg−1)
activity of superoxide dismutase (SOD)安静对照组quiet control group 2.29±0.37 41.68±4.81 18.44±2.05 力竭运动组exhaustive exercise group 5.86±0.74** 29.40±3.16** 9.32±1.34** 黄芪甲苷100 mg/kg组astragaloside IV 100 mg/kg group 3.37±0.41## 35.31±4.10## 14.53±1.62## 黄芪甲苷200 mg/kg组astragaloside IV 200 mg/kg group 3.14±0.53## 40.57±5.48## 16.69±1.45##
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表 4 黄芪甲苷对各组大鼠骨骼肌Bcl-2、Bax及caspase-3 mRNA表达的影响
Table 4 Effects of astragaloside IV on the Bcl-2, Bax and caspase-3 mRNA expressions of skeletal muscle in rats of each group
分组
groupsBcl-2 Bax caspase-3 安静对照组
quiet control group1.03±0.12 0.62±0.05 0.34±0.04 力竭运动组
exhaustive exercise group0.54±0.07** 1.37±0.14** 0.95±0.12** 黄芪甲苷100 mg/kg组
astragaloside IV100 mg/kg group0.61±0.06# 0.95±0.11## 0.62±0.05## 黄芪甲苷200 mg/kg组
astragaloside IV 200 mg/kg group0.86±0.10## 0.79±0.08## 0.57±0.07##
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表 5 黄芪甲苷对各组大鼠骨骼肌PI3K/Akt/mTOR通路相关蛋白表达的影响
Table 5 Effects of astragaloside IV on the PI3K/Akt/mTOR pathway related protein expressions of skeletal muscle in rats of each group
分组
groupsPI3Kp85/GAPDH p-Akt/Akt Akt/GAPDH mTOR/GAPDH 安静对照组
quiet control group1.21±0.13 0.95±0.10 0.76±0.08 0.83±0.08 力竭运动组
exhaustive exercise group0.34±0.04** 0.36±0.05** 0.82±0.09 0.19±0.02** 黄芪甲苷100 mg/kg组
astragaloside IV 100 mg/kg group0.74±0.06## 0.65±0.08## 0.84±0.07 0.58±0.05## 黄芪甲苷200 mg/kg组
astragaloside IV 200 mg/kg group1.09±0.12## 0.88±0.07## 0.80±0.11 0.75±0.07##
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