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Cadmium (Cd)-Kontamination stellt eine potenzielle Bedrohung für die Sicherheit des Anbaus der Heilpflanze Panax notoginseng in Yunnan dar. Unter exogenem Cd-Stress wurden Feldversuche durchgeführt, um die Auswirkungen von Kalkapplikation (0, 750, 2250 und 3750 kg/h/m²) und Blattdüngung mit Oxalsäure (0, 0,1 und 0,2 mol/L) auf die Cd-Akkumulation sowie die systemischen und medizinischen antioxidativen Bestandteile von Panax notoginseng zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass Kalk und Blattdüngung mit Oxalsäure unter Cd-Stress den Ca²⁺-Gehalt von Panax notoginseng erhöhen und die Toxizität von Cd²⁺ reduzieren konnten. Die Zugabe von Kalk und Oxalsäure steigerte die Aktivität antioxidativer Enzyme und veränderte den Stoffwechsel osmotischer Regulatoren. Am deutlichsten zeigte sich der Anstieg der CAT-Aktivität um das 2,77-Fache. Unter dem Einfluss von Oxalsäure erhöhte sich die SOD-Aktivität um das 1,78-Fache. Der MDA-Gehalt sank um 58,38 %. Es besteht eine sehr signifikante Korrelation mit löslichem Zucker, freien Aminosäuren, Prolin und löslichem Protein. Kalk und Oxalsäure können den Calciumionengehalt (Ca²⁺) von Panax notoginseng erhöhen, den Cadmiumgehalt senken, die Stressresistenz von Panax notoginseng verbessern und die Produktion von Gesamtsaponinen und Flavonoiden steigern. Der Cadmiumgehalt war mit 68,57 % niedriger als in der Kontrollgruppe am niedrigsten und entsprach dem Standardwert (Cd ≤ 0,5 mg kg⁻¹, GB/T 19086-2008). Der Anteil an SPN betrug 7,73 % und erreichte damit den höchsten Wert aller Behandlungen. Der Flavonoidgehalt stieg signifikant um 21,74 % und erreichte damit die medizinischen Standardwerte und eine optimale Ausbeute.
Cadmium (Cd) ist ein häufiges Schadstoff in Ackerböden, breitet sich leicht aus und weist eine erhebliche biologische Toxizität auf. El-Shafei et al.² berichteten, dass Cadmiumtoxizität die Qualität und Produktivität der angebauten Pflanzen beeinträchtigt. In den letzten Jahren haben sich die Cadmiumwerte in Ackerböden im Südwesten Chinas dramatisch erhöht. Die Provinz Yunnan gilt als Chinas artenreichste Provinz mit einer besonders hohen Anzahl an Heilpflanzenarten. Allerdings ist Yunnan reich an Bodenschätzen, und der damit verbundene Abbau führt unweigerlich zu einer Schwermetallbelastung der Böden, was die Produktion lokaler Heilpflanzen beeinträchtigt.
Panax notoginseng (Burkill) Chen3) ist eine wertvolle, mehrjährige Heilpflanze aus der Gattung Panax der Familie der Araliengewächse. Panax notoginseng fördert die Durchblutung, löst Blutstauungen und lindert Schmerzen. Das Hauptanbaugebiet liegt im Bezirk Wenshan in der Provinz Yunnan5. Über 75 % der Böden in den lokalen Anbaugebieten von Panax notoginseng sind mit Cadmium kontaminiert, wobei die Werte regional zwischen 81 % und über 100 % schwanken6. Die toxische Wirkung von Cadmium reduziert die Produktion der medizinisch wirksamen Inhaltsstoffe von Panax notoginseng, insbesondere von Saponinen und Flavonoiden, erheblich. Saponine sind glykosidische Verbindungen, deren Aglykone Triterpenoide oder Spirostane sind. Sie sind die Hauptwirkstoffe vieler traditioneller chinesischer Arzneimittel und enthalten Saponine. Einige Saponine besitzen antibakterielle oder wertvolle biologische Eigenschaften wie fiebersenkende, beruhigende und krebshemmende Wirkungen⁷. Flavonoide sind Verbindungen, bei denen zwei Benzolringe mit phenolischen Hydroxylgruppen über drei zentrale Kohlenstoffatome verbunden sind. Das Grundgerüst bildet 2-Phenylchromanon⁸. Es ist ein starkes Antioxidans, das freie Sauerstoffradikale in Pflanzen effektiv neutralisiert. Zudem kann es das Eindringen entzündungsfördernder Enzyme hemmen, die Wundheilung und Schmerzlinderung fördern sowie den Cholesterinspiegel senken. Es ist einer der Hauptwirkstoffe von Panax notoginseng. Die Cadmium-Belastung der Böden in den Anbaugebieten von Panax notoginseng muss dringend behoben werden, um die Produktion seiner essentiellen medizinischen Inhaltsstoffe zu sichern.
Kalk ist eines der am häufigsten verwendeten Passivierungsmittel zur stationären Bodensanierung von Cadmium-belasteten Böden¹⁰. Er beeinflusst die Adsorption und Ablagerung von Cadmium im Boden, indem er dessen Bioverfügbarkeit durch Erhöhung des pH-Werts und Veränderung der Kationenaustauschkapazität (KAK), der Salzsättigung (BS) und des Redoxpotenzials (Eh) des Bodens reduziert^3,11. Darüber hinaus liefert Kalk große Mengen an Ca²⁺, bildet einen ionischen Antagonismus mit Cd²⁺, konkurriert um Adsorptionsstellen in den Wurzeln, verhindert den Cadmiumtransport in den Boden und weist eine geringe biologische Toxizität auf. Die Zugabe von 50 mmol L^-1 Ca unter Cadmiumstress hemmte den Cadmiumtransport in Sesamblättern und reduzierte die Cadmiumakkumulation um 80 %. Zahlreiche ähnliche Studien wurden für Reis (Oryza sativa L.) und andere Nutzpflanzen durchgeführt^12,13.
Die Blattbehandlung von Nutzpflanzen zur Kontrolle der Schwermetallanreicherung ist eine in den letzten Jahren entwickelte Methode. Ihr Wirkprinzip beruht hauptsächlich auf der Chelatbildung in Pflanzenzellen, wodurch sich Schwermetalle an der Zellwand ablagern und die Aufnahme durch die Pflanzen gehemmt wird^14,15. Oxalsäure, ein stabiles Dicarbonsäure-Chelatbildner, kann Schwermetallionen direkt in Pflanzen binden und so deren Toxizität reduzieren. Studien haben gezeigt, dass Oxalsäure in Sojabohnen Cd²⁺ binden und Cd-haltige Kristalle über die oberen Trichomzellen freisetzen kann, wodurch der Cd²⁺-Gehalt in der Pflanze sinkt¹⁶. Oxalsäure reguliert den pH-Wert des Bodens, erhöht die Aktivität von Superoxiddismutase (SOD), Peroxidase (POD) und Katalase (CAT) und beeinflusst die Aufnahme von löslichen Zuckern, löslichen Proteinen, freien Aminosäuren und Prolin. Sie wirkt als Stoffwechselregulator^17,18. Säure und überschüssiges Ca²⁺ bilden in der Pflanze unter Einwirkung von Nukleationsproteinen einen Calciumoxalat-Präzipitat. Durch die Regulierung der Ca²⁺-Konzentration in Pflanzen lässt sich die Menge an gelöster Oxalsäure und Ca²⁺ effektiv steuern und eine übermäßige Anreicherung von Oxalsäure und Ca²⁺ verhindern.^19,20
Die Menge des ausgebrachten Kalks ist einer der Schlüsselfaktoren für den Reparatureffekt. Es wurde festgestellt, dass die Kalkdosierung zwischen 750 und 6000 kg/m² lag. Bei sauren Böden mit einem pH-Wert von 5,0–5,5 ist die Wirkung einer Kalkgabe von 3000–6000 kg/h/m² deutlich höher als bei 750 kg/h/m². Eine Überkalkung kann jedoch negative Auswirkungen auf den Boden haben, wie z. B. signifikante pH-Wert-Änderungen und Bodenverdichtung. Daher wurden die CaO-Behandlungsstufen auf 0, 750, 2250 und 3750 kg/hm² festgelegt. Die Anwendung von Oxalsäure auf Arabidopsis thaliana führte bei einer Konzentration von 10 mmol/l zu einer signifikanten Reduktion des Ca²⁺-Gehalts und einer starken Reaktion der CRT-Genfamilie, die die Ca²⁺-Signalübertragung beeinflusst. Die Ergebnisse vorangegangener Studien ermöglichten es uns, die Konzentration dieses Tests zu bestimmen und die Wirkung der Wechselwirkung exogener Zusätze auf Ca²⁺ und Cd²⁺ weiter zu untersuchen.²³,²⁴,²⁵ Ziel dieser Studie ist es daher, den Regulationsmechanismus von exogenem Kalk und Oxalsäure-Blattspray auf den Cd-Gehalt und die Stresstoleranz von Panax notoginseng in Cd-belasteten Böden zu erforschen und darüber hinaus Wege zu finden, die medizinische Qualität und Wirksamkeit von Panax notoginseng besser zu gewährleisten. Er liefert wertvolle Hinweise zur Ausweitung des Anbaus von krautigen Pflanzen auf cadmiumbelasteten Böden und zur Erreichung der vom pharmazeutischen Markt geforderten hochwertigen und nachhaltigen Produktion.
In Lannizhai, Kreis Qiubei, Präfektur Wenshan, Provinz Yunnan (24°11′N, 104°3′E, 1446 m ü. NN) wurde ein Feldversuch mit der lokalen Ginsengsorte Wenshan Panax notoginseng durchgeführt. Die durchschnittliche Jahrestemperatur beträgt 17 °C, der durchschnittliche Jahresniederschlag 1250 mm. Die Ausgangswerte des untersuchten Bodens waren: Gesamtstickstoff (TN) 0,57 g kg⁻¹, Gesamtphosphor (TP) 1,64 g kg⁻¹, Gesamtkohlenstoff (TC) 16,31 g kg⁻¹, organische Substanz (OM) 31,86 g kg⁻¹, alkalisch hydrolysierter Stickstoff (ALD) 88,82 mg kg⁻¹, freier Phosphor 18,55 mg kg⁻¹, freies Kalium 100,37 mg kg⁻¹, Gesamtcadmium 0,3 mg kg⁻¹, pH-Wert 5,4.
Am 10. Dezember 2017 wurden 6 mg/kg Cd²⁺ (CdCl₂·2,5H₂O) und Kalk (0, 750, 2250 und 3750 kg/h/m²) vermischt und in einer 0–10 cm dicken Schicht auf die Bodenoberfläche jedes Versuchsfeldes aufgebracht. Jede Behandlung wurde dreimal wiederholt. Die Versuchsfelder wurden zufällig angeordnet und umfassten jeweils eine Fläche von 3 m². Einjährige Panax-notoginseng-Sämlinge wurden nach 15 Tagen Bodenbearbeitung verpflanzt. Unter Verwendung eines Schattierungsnetzes betrug die Lichtintensität für Panax notoginseng etwa 18 % der normalen natürlichen Lichtintensität. Der Anbau erfolgte nach traditionellen lokalen Anbaumethoden. Vor der Reifephase von Panax notoginseng im Jahr 2019 wurde Oxalsäure in Form von Natriumoxalat besprüht. Die Oxalsäurekonzentrationen betrugen 0, 0,1 bzw. 0,2 mol L⁻¹, und der pH-Wert wurde mit NaOH auf 5,16 eingestellt, um den durchschnittlichen pH-Wert der Streu-Sickerlösung zu simulieren. Die Blattober- und -unterseiten wurden einmal wöchentlich um 8:00 Uhr besprüht. Nach vier Sprühvorgängen in der fünften Woche wurden dreijährige Panax notoginseng-Pflanzen geerntet.
Im November 2019 wurden dreijährige Panax notoginseng-Pflanzen im Freiland gesammelt und mit Oxalsäure besprüht. Einige Proben dieser Pflanzen, die für die Untersuchung des physiologischen Stoffwechsels und der Enzymaktivität benötigt wurden, wurden in Röhrchen eingefroren, mit flüssigem Stickstoff schockgefroren und anschließend bei -80 °C gelagert. Wurzelproben, die im Reifestadium auf ihren Cadmium- und Wirkstoffgehalt untersucht werden sollten, wurden mit Leitungswasser gewaschen, 30 Minuten bei 105 °C getrocknet, bei 75 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und anschließend in einem Mörser vermahlen.
0,2 g der getrockneten Pflanzenprobe werden abgewogen, in einen Erlenmeyerkolben gegeben, mit 8 ml HNO₃ und 2 ml HClO₄ versetzt und über Nacht abgedeckt. Am nächsten Tag wird die Probe mithilfe eines gebogenen Trichters in einem Erlenmeyerkolben elektrothermisch aufgeschlossen, bis weißer Rauch aufsteigt und die Aufschlussflüssigkeit klar ist. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird die Mischung in einen 10-ml-Messkolben überführt. Der Cd-Gehalt wird mittels Atomabsorptionsspektrometrie (Thermo ICE™ 3300 AAS, USA) bestimmt. (GB/T 23739-2009).
0,2 g der getrockneten Pflanzenprobe werden abgewogen, in ein 50-ml-Kunststofffläschchen gegeben, mit 10 ml 1 mol/L HCl versetzt, verschlossen und 15 Stunden lang gut geschüttelt. Anschließend wird filtriert. Mit einer Pipette wird die benötigte Menge Filtrat entnommen, entsprechend verdünnt und mit SrCl₂-Lösung auf eine Sr²⁺-Konzentration von 1 g/L eingestellt. Der Ca-Gehalt wurde mittels Atomabsorptionsspektrometrie (Thermo ICE™ 3300 AAS, USA) bestimmt.
Malondialdehyd (MDA), Superoxiddismutase (SOD), Peroxidase (POD) und Katalase (CAT) werden mit dem Referenzkit (DNM-9602, Beijing Prong New Technology Co., Ltd., Produktregistrierung) bestimmt. Verwenden Sie dazu das entsprechende Messkit (Nr.: Beijing Pharmacopoeia (genaue Fassung) 2013 Nr. 2400147).
Man wiegt etwa 0,05 g Panax notoginseng ab und gibt Anthron-Schwefelsäure-Reagenz an der Innenwand des Reagenzglases hinzu. Das Reagenzglas wird 2–3 Sekunden lang geschüttelt, um die Flüssigkeit gründlich zu vermischen. Anschließend wird es 15 Minuten lang auf einem Reagenzglasständer inkubiert, um die Farbentwicklung zu ermöglichen. Der Gehalt an löslichem Zucker wurde mittels UV/Vis-Spektrophotometrie (UV-5800, Shanghai Yuanxi Instrument Co., Ltd., China) bei einer Wellenlänge von 620 nm bestimmt.
0,5 g einer frischen Probe von Panax notoginseng wurden abgewogen, mit 5 ml destilliertem Wasser homogenisiert und anschließend 10 Minuten bei 10.000 g zentrifugiert. Der Überstand wurde auf ein definiertes Volumen verdünnt. Die Bestimmung des löslichen Proteingehalts erfolgte mittels Coomassie-Brillantblau-Färbung. Die Messung erfolgte mit UV/Vis-Spektrophotometrie (UV-5800, Shanghai Yuanxi Instrument Co., Ltd., China) bei einer Wellenlänge von 595 nm und wurde anhand der Standardkurve von Rinderserumalbumin berechnet.
0,5 g der frischen Probe wurden abgewogen, mit 5 ml 10%iger Essigsäure versetzt, homogenisiert, filtriert und auf ein konstantes Volumen verdünnt. Die Farbentwicklung erfolgte mit einer Ninhydrinlösung. Der Gehalt an freien Aminosäuren wurde mittels UV/Vis-Spektrophotometrie (UV-5800, Shanghai Yuanxi Instrument Co., Ltd., China) bei 570 nm bestimmt und anhand der Leucin-Standardkurve²⁸ berechnet.
0,5 g einer frischen Probe wurden abgewogen, mit 5 ml einer 3%igen Sulfosalicylsäurelösung versetzt, im Wasserbad erhitzt und 10 Minuten lang geschüttelt. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung filtriert und auf ein konstantes Volumen eingestellt. Die kolorimetrische Methode mit saurem Ninhydrin wurde angewendet. Der Prolingehalt wurde mittels UV/Vis-Spektrophotometrie (UV-5800, Shanghai Yuanxi Instrument Co., Ltd., China) bei einer Wellenlänge von 520 nm bestimmt und anhand der Prolin-Standardkurve²⁹ berechnet.
Der Saponingehalt wurde mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) gemäß der Pharmakopöe der Volksrepublik China (Ausgabe 2015) bestimmt. Das Grundprinzip der HPLC besteht darin, eine Hochdruckflüssigkeit als mobile Phase zu verwenden und die Ultrafeinpartikeltrenntechnik der Hochleistungssäulenchromatographie auf die stationäre Phase anzuwenden. Die Durchführung der HPLC ist wie folgt:
HPLC-Bedingungen und Systemtauglichkeitstest (Tabelle 1): Verwenden Sie mit Octadecylsilan gebundenes Kieselgel als Füllstoff, Acetonitril als mobile Phase A und Wasser als mobile Phase B. Führen Sie eine Gradientenelution gemäß der untenstehenden Tabelle durch. Die Detektionswellenlänge beträgt 203 nm. Entsprechend dem R1-Peak der Gesamtsaponine von Panax notoginseng sollte die Anzahl der theoretischen Böden mindestens 4000 betragen.
Herstellung der Standardlösung: Ginsenosid Rg1, Ginsenosid Rb1 und Notoginsenosid R1 werden genau eingewogen und mit Methanol versetzt, um eine Mischung herzustellen, die 0,4 mg Ginsenosid Rg1, 0,4 mg Ginsenosid Rb1 und 0,1 mg Notoginsenosid R1 pro 1 ml Lösung enthält.
Herstellung der Testlösung: 0,6 g Panax-Ginseng-Pulver werden abgewogen und mit 50 ml Methanol versetzt. Die Mischung wird abgewogen (W1) und über Nacht stehen gelassen. Anschließend wird die Mischung 2 Stunden lang in einem Wasserbad bei 80 °C leicht erhitzt. Nach dem Abkühlen wird die Mischung abgewogen und das vorbereitete Methanol zu der ursprünglichen Masse W1 gegeben. Die Lösung wird gut geschüttelt und filtriert. Das Filtrat wird zur Analyse aufbewahrt.
Zur Bestimmung des Saponin-24-Gehalts werden genau 10 μL der Standardlösung und 10 μL des Filtrats entnommen und in einen Hochleistungsflüssigkeitschromatographen (Thermo HPLC-ultimate 3000, Seymour Fisher Technology Co., Ltd.) injiziert.
Standardkurve: Messung einer gemischten Standardlösung aus Rg1, Rb1 und R1. Die chromatographischen Bedingungen sind die gleichen wie oben. Die Standardkurve wird erstellt, indem die gemessene Peakfläche auf der y-Achse und die Saponinkonzentration in der Standardlösung auf der x-Achse aufgetragen werden. Die Saponinkonzentration kann durch Einsetzen der gemessenen Peakfläche der Probe in die Standardkurve berechnet werden.
0,1 g der P. notogensings-Probe werden abgewogen und mit 50 ml 70%iger CH₃OH-Lösung versetzt. Die Ultraschallextraktion erfolgte über 2 Stunden, gefolgt von einer Zentrifugation bei 4000 U/min für 10 Minuten. 1 ml des Überstands wurde entnommen und 12-fach verdünnt. Der Flavonoidgehalt wurde mittels UV/VIS-Spektrophotometrie (UV-5800, Shanghai Yuanxi Instrument Co., Ltd., China) bei einer Wellenlänge von 249 nm bestimmt. Quercetin ist eine der Standardsubstanzen⁸.
Die Daten wurden mit Excel 2010 aufbereitet. Zur Varianzanalyse wurde das Statistikprogramm SPSS 20 verwendet. Die Abbildungen wurden mit Origin Pro 9.1 erstellt. Die berechneten statistischen Werte sind als Mittelwert ± Standardabweichung angegeben. Die statistische Signifikanz basiert auf einem p-Wert < 0,05.
Bei gleicher Konzentration der auf die Blätter gesprühten Oxalsäure stieg der Calciumgehalt in den Wurzeln von Panax notoginseng mit zunehmender Kalkmenge signifikant an (Tabelle 2). Im Vergleich zu unbehandelten Pflanzen erhöhte sich der Calciumgehalt um 212 %, wenn 3750 kg/h/m² Kalk ohne Oxalsäurebesprühung ausgebracht wurden. Bei gleicher Kalkmenge stieg der Calciumgehalt mit zunehmender Konzentration der Oxalsäure nur geringfügig an.
Der Cadmiumgehalt in den Wurzeln liegt zwischen 0,22 und 0,70 mg kg⁻¹. Bei gleicher Oxalsäurekonzentration im Spritzbelag sinkt der Cadmiumgehalt nach der Behandlung mit 2250 kg/h Kalk signifikant mit zunehmender Kalkzugabe. Im Vergleich zur Kontrollgruppe verringerte sich der Cadmiumgehalt in den Wurzeln nach der Behandlung mit 2250 kg/h Kalk und 0,1 mol/l Oxalsäure um 68,57 %. Bei kalkfreier Parzelle und bei einer Kalkzugabe von 750 kg/h sank der Cadmiumgehalt in den Wurzeln von Panax notoginseng mit steigender Oxalsäurekonzentration signifikant. Bei Kalkzugabe von 2250 kg/m² und 3750 kg/m² sank der Cadmiumgehalt in den Wurzeln zunächst und stieg dann mit zunehmender Oxalsäurekonzentration wieder an. Darüber hinaus zeigte die bivariate Analyse, dass Kalk einen signifikanten Einfluss auf den Ca-Gehalt der Panax notoginseng-Wurzeln (F = 82,84**), den Cd-Gehalt der Panax notoginseng-Wurzeln (F = 74,99**) und den Oxalsäuregehalt (F = 7,72*) hatte.
Mit zunehmender Kalkmenge und steigender Konzentration der gesprühten Oxalsäure sank der MDA-Gehalt signifikant. Zwischen dem MDA-Gehalt der Wurzeln von Panax notoginseng ohne Kalkzugabe und dem mit 3750 kg/m² Kalkzugabe bestand kein signifikanter Unterschied. Bei Aufwandmengen von 750 kg/h/m² bzw. 2250 kg/h/m² verringerte sich der Kalkgehalt nach der Behandlung mit 0,2 mol/l Oxalsäure um 58,38 % bzw. 40,21 % im Vergleich zur unbehandelten Kontrollgruppe. Der niedrigste MDA-Gehalt (7,57 nmol g⁻¹) wurde bei der Anwendung von 750 kg/h/m² Kalk und 0,2 mol/l Oxalsäure beobachtet (Abb. 1).
Einfluss der Blattdüngung mit Oxalsäure auf den Malondialdehydgehalt in den Wurzeln von Panax notoginseng unter Cadmiumstress. Anmerkung: Die Legende in der Abbildung gibt die Konzentration der Oxalsäure beim Sprühen (mol L⁻¹) an. Unterschiedliche Kleinbuchstaben kennzeichnen signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen mit derselben Kalkapplikation. (P < 0,05). Gleiches gilt im Folgenden.
Mit Ausnahme der Kalkapplikation (3750 kg/h) zeigte sich kein signifikanter Unterschied in der SOD-Aktivität der Wurzeln von Panax notoginseng. Bei Zugabe von 0, 750 und 2250 kg/h/m² Kalk war die SOD-Aktivität nach Besprühung mit 0,2 mol/l Oxalsäure signifikant höher als ohne Oxalsäurezugabe (Anstieg um 177,89 %, 61,62 % bzw. 45,08 %). Die höchste SOD-Aktivität in den Wurzeln (598,18 U g⁻¹) wurde ohne Kalkapplikation und nach Besprühung mit 0,2 mol/l Oxalsäure gemessen. Bei Besprühung mit Oxalsäure in gleicher Konzentration oder 0,1 mol/l stieg die SOD-Aktivität mit zunehmender Kalkzugabe. Nach der Besprühung mit 0,2 mol/l Oxalsäure sank die SOD-Aktivität signifikant (Abb. 2).
Auswirkung der Blattbesprühung mit Oxalsäure auf die Aktivität von Superoxiddismutase, Peroxidase und Katalase in den Wurzeln von Panax notoginseng unter Cadmiumstress
Ähnlich wie die SOD-Aktivität in Wurzeln war die POD-Aktivität in Wurzeln, die ohne Kalkung und mit 0,2 mol L⁻¹ Oxalsäure besprüht wurden, am höchsten (63,33 µmol g⁻¹), was 148,35 % höher ist als in der Kontrollgruppe (25,50 µmol g⁻¹). Mit steigender Oxalsäurekonzentration und einer Kalkbehandlung von 3750 kg/m² stieg die POD-Aktivität zunächst an und sank dann wieder. Im Vergleich zur Behandlung mit 0,1 mol L⁻¹ Oxalsäure sank die POD-Aktivität bei der Behandlung mit 0,2 mol L⁻¹ Oxalsäure um 36,31 % (Abb. 2).
Mit Ausnahme der Behandlung mit 0,2 mol/l Oxalsäure und der Zugabe von 2250 kg/h/m² bzw. 3750 kg/h/m² Kalk war die CAT-Aktivität signifikant höher als in der Kontrollgruppe. Bei der Behandlung mit 0,1 mol/l Oxalsäure und der Zugabe von 0,2250 kg/m² bzw. 3750 kg/h/m² Kalk stieg die CAT-Aktivität im Vergleich zur Behandlung ohne Oxalsäurebehandlung um 276,08 %, 276,69 % bzw. 33,05 %. Die höchste CAT-Aktivität in den Wurzeln (803,52 μmol/g) wurde in der Behandlung ohne Kalkung und bei der Behandlung mit 0,2 mol/l Oxalsäure beobachtet. Die niedrigste CAT-Aktivität (172,88 μmol/g) wurde bei der Behandlung mit 3750 kg/h/m² Kalk und 0,2 mol/l Oxalsäure festgestellt (Abb. 2).
Die bivariate Analyse zeigte, dass die CAT- und MDA-Aktivität der Wurzeln von Panax notoginseng signifikant mit der Menge der versprühten Oxalsäure bzw. des Kalks sowie den beiden Behandlungen korrelierte (Tabelle 3). Die SOD-Aktivität in den Wurzeln war signifikant mit der Kalk- und Oxalsäurebehandlung bzw. der Oxalsäurekonzentration verbunden. Die POD-Aktivität der Wurzeln war signifikant von der Menge des ausgebrachten Kalks bzw. der Kalk- und Oxalsäurebehandlung abhängig.
Der Gehalt an löslichen Zuckern in den Wurzeln nahm mit zunehmender Kalkmenge und Oxalsäurekonzentration ab. Es gab keinen signifikanten Unterschied im Gehalt an löslichen Zuckern in Panax notoginseng-Wurzeln ohne Kalkung und bei einer Kalkmenge von 750 kg/h/m². Bei einer Kalkmenge von 2250 kg/m² war der Gehalt an löslichen Zuckern nach Behandlung mit 0,2 mol/L Oxalsäure signifikant höher als ohne Oxalsäurebehandlung (Anstieg um 22,81 %). Bei einer Kalkmenge von 3750 kg/m² sank der Gehalt an löslichen Zuckern mit steigender Oxalsäurekonzentration signifikant. Der Gehalt an löslichen Zuckern nach Behandlung mit 0,2 mol/L Oxalsäure war um 38,77 % niedriger als ohne Oxalsäurebehandlung. Darüber hinaus wies die Behandlung mit 0,2 mol·L-1 Oxalsäurespray den niedrigsten Gehalt an löslichen Zuckern auf, nämlich 205,80 mg·g-1 (Abb. 3).
Auswirkungen der Blattbesprühung mit Oxalsäure auf den Gehalt an löslichem Gesamtzucker und löslichem Protein in Panax notoginseng-Wurzeln unter Cadmiumstress
Der Gehalt an löslichem Protein in den Wurzeln nahm mit steigender Kalkmenge und Oxalsäure-Sprühbehandlung ab. Ohne Kalkzugabe war der Gehalt an löslichem Protein nach Behandlung mit Oxalsäure-Sprühbehandlung (0,2 mol/L) im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant um 16,20 % reduziert. Bei einer Kalkmenge von 750 kg/h zeigten sich keine signifikanten Unterschiede im Gehalt an löslichem Protein in den Wurzeln von Panax notoginseng. Bei einer Kalkmenge von 2250 kg/h/m² war der Gehalt an löslichem Protein nach Behandlung mit 0,2 mol/L Oxalsäure-Sprühbehandlung signifikant höher als ohne Oxalsäure-Sprühbehandlung (35,11 %). Bei einer Kalkmenge von 3750 kg/h/m² sank der Gehalt an löslichem Protein mit steigender Oxalsäure-Konzentration signifikant. Der niedrigste Wert (269,84 μg/g) wurde bei einer Oxalsäure-Konzentration von 0,2 mol/L gemessen. Behandlung (Abb. 3).
Ohne Kalkung zeigten sich keine signifikanten Unterschiede im Gehalt an freien Aminosäuren in der Wurzel von Panax notoginseng. Mit steigender Oxalsäurekonzentration im Sprühverfahren und der Zugabe von 750 kg/h/m² Kalk sank der Gehalt an freien Aminosäuren zunächst und stieg dann wieder an. Im Vergleich zur unbehandelten Kontrollgruppe erhöhte sich der Gehalt an freien Aminosäuren signifikant um 33,58 %, wenn 2250 kg/h Kalk und 0,2 mol/l Oxalsäure versprüht wurden. Mit steigender Oxalsäurekonzentration im Sprühverfahren und der Zugabe von 3750 kg/m² Kalk sank der Gehalt an freien Aminosäuren signifikant. Die Behandlung mit 0,2 mol/l Oxalsäure reduzierte den Gehalt an freien Aminosäuren um 49,76 % im Vergleich zur unbehandelten Kontrollgruppe. Der höchste Gehalt an freien Aminosäuren wurde ohne Oxalsäurebehandlung gemessen und betrug 2,09 mg/g. Die Behandlung mit 0,2 mol/L Oxalsäurespray wies den niedrigsten Gehalt an freien Aminosäuren auf (1,05 mg/g) (Abb. 4).
Einfluss der Blattbesprühung mit Oxalsäure auf den Gehalt an freien Aminosäuren und Prolin in den Wurzeln von Panax notoginseng unter Cadmiumstressbedingungen
Der Prolingehalt in den Wurzeln nahm mit steigender Kalkmenge und zunehmender Oxalsäurebesprühung ab. Ohne Kalkung zeigten sich keine signifikanten Unterschiede im Prolingehalt der Panax-Ginsengwurzeln. Mit steigender Oxalsäurekonzentration und Kalkmenge (750 bzw. 2250 kg/m²) sank der Prolingehalt zunächst und stieg dann wieder an. Die Behandlung mit 0,2 mol/L Oxalsäure ergab einen signifikant höheren Prolingehalt als die Behandlung mit 0,1 mol/L Oxalsäure (Anstieg um 19,52 % bzw. 44,33 %). Bei einer Kalkmenge von 3750 kg/m² sank der Prolingehalt mit steigender Oxalsäurekonzentration signifikant. Nach der Besprühung mit 0,2 mol/L Oxalsäure war der Prolingehalt um 54,68 % niedriger als ohne Oxalsäurebesprühung. Der niedrigste Prolingehalt wurde bei der Behandlung mit 0,2 mol/l Oxalsäure ermittelt und betrug 11,37 μg/g (Abb. 4).
Der Gesamtsaponingehalt in Panax notoginseng ist Rg1 > Rb1 > R1. Es gab keinen signifikanten Unterschied im Gehalt der drei Saponine bei steigender Konzentration der Oxalsäurebesprühung und bei Konzentrationen ohne Kalkanwendung (Tabelle 4).
Der R1-Gehalt nach dem Besprühen mit 0,2 mol/L Oxalsäure war signifikant niedriger als ohne Oxalsäurebesprühung und mit einer Kalkmenge von 750 bzw. 3750 kg/m². Bei einer Oxalsäurekonzentration von 0 bzw. 0,1 mol/L zeigte sich kein signifikanter Unterschied im R1-Gehalt mit zunehmender Kalkzugabe. Bei einer Oxalsäurekonzentration von 0,2 mol/L war der R1-Gehalt in 3750 kg/h/m² Kalk signifikant niedriger als der Wert von 43,84 % ohne Kalkzugabe (Tabelle 4).
Mit steigender Oxalsäurekonzentration im Sprühverfahren und der Zugabe von 750 kg/m² Kalk stieg der Rg1-Gehalt zunächst an und sank dann wieder. Bei Kalkaufbringungsmengen von 2250 und 3750 kg/h nahm der Rg1-Gehalt mit steigender Oxalsäurekonzentration im Sprühverfahren ab. Bei gleicher Oxalsäurekonzentration stieg der Rg1-Gehalt mit zunehmender Kalkmenge zunächst an und sank dann wieder. Im Vergleich zur Kontrolle war der Rg1-Gehalt in den Wurzeln von Panax notoginseng in allen anderen Behandlungen niedriger als in der Kontrolle, außer bei den drei Oxalsäurekonzentrationen und der Kalkmenge von 750 kg/m², die höher war. Der maximale Rg1-Gehalt wurde bei einer Kalkmenge von 750 kg/h/m² und einer Oxalsäurekonzentration von 0,1 mol/l erreicht und lag 11,54 % über dem Wert der Kontrolle (Tabelle 4).
Bei einer Durchflussrate von 2250 kg/h stieg der Rb1-Gehalt zunächst an und sank dann wieder, als die Konzentration der Oxalsäure im Sprühnebel und die Menge des ausgebrachten Kalks zunahmen. Nach dem Besprühen mit 0,1 mol/L Oxalsäure erreichte der Rb1-Gehalt einen Maximalwert von 3,46 %, was 74,75 % höher war als ohne Oxalsäurebesprühung. Bei den anderen Kalkbehandlungen zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den verschiedenen Oxalsäurekonzentrationen. Nach dem Besprühen mit 0,1 und 0,2 mol/L Oxalsäure sank der Rb1-Gehalt mit zunehmender Kalkmenge zunächst und dann wieder (Tabelle 4).
Bei gleicher Spritzkonzentration mit Oxalsäure stieg der Flavonoidgehalt mit zunehmender Kalkzugabe zunächst an und sank dann wieder. Beim Versprühen verschiedener Oxalsäurekonzentrationen ohne Kalk und mit 3750 kg/m² Kalk wurde kein signifikanter Unterschied im Flavonoidgehalt festgestellt. Bei Zugabe von 750 kg/m² und 2250 kg/m² Kalk stieg der Flavonoidgehalt mit zunehmender Oxalsäurekonzentration zunächst an und sank dann wieder. Bei einer Ausbringung von 750 kg/m² und einer Oxalsäurekonzentration von 0,1 mol/l erreichte der Flavonoidgehalt mit 4,38 mg/g sein Maximum. Dies entspricht einer Steigerung von 18,38 % gegenüber der Zugabe der gleichen Kalkmenge, und die zusätzliche Gabe von Oxalsäure war nicht erforderlich. Der Flavonoidgehalt stieg bei Behandlung mit 0,1 mol L-1 Oxalsäurespray um 21,74 % im Vergleich zur Behandlung ohne Oxalsäure und zur Behandlung mit Kalk in einer Dosis von 2250 kg/m² (Abb. 5).
Einfluss der Blattbesprühung mit Oxalat auf den Flavonoidgehalt in der Wurzel von Panax notoginseng unter Cadmiumstress
Die bivariate Analyse zeigte, dass der Gehalt an löslichem Zucker in den Wurzeln von Panax notoginseng signifikant von der ausgebrachten Kalkmenge und der Konzentration der besprühten Oxalsäure abhing. Der Gehalt an löslichem Protein in den Wurzeln korrelierte signifikant mit der Kalk- und Oxalsäuremenge. Der Gehalt an freien Aminosäuren und Prolin in den Wurzeln korrelierte signifikant mit der ausgebrachten Kalkmenge, der Konzentration der besprühten Oxalsäure sowie der Kombination aus Kalk und Oxalsäure (Tabelle 5).
Der R1-Gehalt in den Wurzeln von Panax notoginseng war signifikant abhängig von der Konzentration der gesprühten Oxalsäure, der Kalkmenge sowie der Kombination aus Kalk und Oxalsäure. Der Flavonoidgehalt war signifikant abhängig von der Konzentration der gesprühten Oxalsäure und der zugegebenen Kalkmenge.
Zur Reduzierung des Cadmiumgehalts in Pflanzen durch Cadmiumbindung im Boden wurden zahlreiche Bodenverbesserungsmittel eingesetzt, darunter Kalk und Oxalsäure³⁰. Kalk wird häufig als Bodenverbesserungsmittel verwendet, um den Cadmiumgehalt in Nutzpflanzen zu senken³¹. Liang et al.³² berichteten, dass Oxalsäure ebenfalls zur Sanierung schwermetallbelasteter Böden eingesetzt werden kann. Nach Zugabe unterschiedlicher Konzentrationen von Oxalsäure zu kontaminiertem Boden stieg der Gehalt an organischer Substanz, die Kationenaustauschkapazität sank und der pH-Wert stieg³³. Oxalsäure kann zudem mit Metallionen im Boden reagieren. Unter Cadmiumstressbedingungen stieg der Cadmiumgehalt in Panax notoginseng im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant an. Durch die Zugabe von Kalk konnte er jedoch deutlich reduziert werden. Bei einer Kalkmenge von 750 kg/h/m² erreichte der Cadmiumgehalt der Wurzeln in dieser Studie den nationalen Standard (Cd-Grenzwert ≤ 0,5 mg/kg, AQSIQ, GB/T 19086-200834), was als zufriedenstellend bewertet wurde. Die beste Wirkung wurde mit einer Kalkmenge von 2250 kg/m² erzielt. Durch die Kalkzugabe entstehen zahlreiche Konkurrenzstellen für Ca²⁺ und Cd²⁺ im Boden, während die Zugabe von Oxalsäure den Cadmiumgehalt in den Wurzeln von Panax notoginseng reduziert. Nach der Mischung von Kalk und Oxalsäure sank der Cadmiumgehalt der Panax-ginseng-Wurzeln signifikant und erreichte den nationalen Standard. Ca²⁺ aus dem Boden wird durch einen Massenflussprozess an die Wurzeloberfläche adsorbiert und kann über Calciumkanäle (Ca²⁺-Kanäle), Calciumpumpen (Ca²⁺-AT-Pase) und Ca²⁺/H⁺-Antiporter in die Wurzelzellen aufgenommen und anschließend horizontal zu den Wurzeln transportiert werden. Xylem23. Es bestand eine signifikante negative Korrelation zwischen dem Ca- und Cd-Gehalt in den Wurzeln (P < 0,05). Der Cd-Gehalt nahm mit steigendem Ca-Gehalt ab, was mit der Annahme eines Antagonismus zwischen Ca und Cd übereinstimmt. Die ANOVA zeigte, dass die Kalkmenge einen signifikanten Einfluss auf den Ca-Gehalt in den Wurzeln von Panax notoginseng hatte. Pongrack et al.³⁵ berichteten, dass Cd an Oxalat in Calciumoxalatkristallen bindet und mit Ca konkurriert. Der regulatorische Effekt von Oxalsäure auf Ca war jedoch nicht signifikant. Dies deutet darauf hin, dass die Ausfällung von Calciumoxalat aus Oxalsäure und Ca²⁺ kein einfacher Fällungsvorgang ist und der Kopräzipitationsprozess möglicherweise durch verschiedene Stoffwechselwege reguliert wird.
Unter Cadmiumstress bilden sich in Pflanzen große Mengen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die die Zellmembranen schädigen³⁶. Der Malondialdehyd-Gehalt (MDA) dient als Indikator für den ROS-Gehalt und das Ausmaß der Schädigung der Pflanzenplasmamembran³⁷. Das antioxidative System ist ein wichtiger Schutzmechanismus zur Neutralisierung reaktiver Sauerstoffspezies³⁸. Die Aktivität antioxidativer Enzyme (u. a. POD, SOD und CAT) wird typischerweise durch Cadmiumstress verändert. Die Ergebnisse zeigen eine positive Korrelation zwischen MDA-Gehalt und Cd-Konzentration, was darauf hindeutet, dass die Lipidperoxidation der Pflanzenmembranen mit steigender Cd-Konzentration zunimmt³⁷. Dies deckt sich mit den Ergebnissen der Studie von Ouyang et al.³⁹. Die vorliegende Studie zeigt, dass der MDA-Gehalt signifikant durch Kalk, Oxalsäure und eine Kombination aus beidem beeinflusst wird. Nach der Vernebelung von 0,1 mol L⁻¹ Oxalsäure sank der MDA-Gehalt von Panax notoginseng, was darauf hindeutet, dass Oxalsäure die Bioverfügbarkeit von Cadmium und den ROS-Gehalt in Panax notoginseng verringern kann. Das antioxidative Enzymsystem ist für die Entgiftungsfunktion der Pflanze verantwortlich. SOD entfernt in Pflanzenzellen enthaltenes O₂⁻ und produziert ungiftigen O₂ und schwach toxisches H₂O₂. POD und CAT entfernen H₂O₂ aus Pflanzengeweben und katalysieren dessen Zersetzung zu H₂O. Basierend auf einer iTRAQ-Proteomanalyse wurde festgestellt, dass die Proteinexpressionsniveaus von SOD und PAL nach Kalkapplikation unter Cd₄₀-Stress abnahmen, während das Expressionsniveau von POD zunahm. Die Aktivitäten von CAT, SOD und POD in der Wurzel von Panax notoginseng wurden signifikant durch die Dosierung von Oxalsäure und Kalk beeinflusst. Die Sprühbehandlung mit 0,1 mol L⁻¹ Oxalsäure erhöhte die Aktivität von SOD und CAT signifikant, der Effekt auf die POD-Aktivität war jedoch nicht deutlich. Dies deutet darauf hin, dass Oxalsäure den Abbau von ROS unter Cadmiumstress beschleunigt und die H₂O₂-Eliminierung hauptsächlich durch die Regulierung der CAT-Aktivität abschließt. Diese Ergebnisse ähneln den Forschungsergebnissen von Guo et al.⁴¹ zu den antioxidativen Enzymen von Pseudospermum sibiricum Kos. Die Zugabe von 750 kg/h/m² Kalk hatte einen ähnlichen Effekt auf die Aktivität der Enzyme des antioxidativen Systems und den Malondialdehyd-Gehalt wie die Oxalsäure-Sprühbehandlung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Oxalsäure-Sprühbehandlung die Aktivitäten von SOD und CAT in Panax notoginseng effektiv steigern und die Stressresistenz dieser Pflanze verbessern kann. Die Aktivitäten von SOD und POD wurden durch die Behandlung mit 0,2 mol L-1 Oxalsäure und 3750 kg hm-2 Kalk verringert, was darauf hindeutet, dass übermäßiges Besprühen mit hohen Konzentrationen von Oxalsäure und Ca2+ zu Pflanzenstress führen kann, was mit der Studie von Luo et al. übereinstimmt. Wait 42.