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環(huán)境因子對藥用植物藥材形成的影響研究進(jìn)展

2013-02-14 04:20:13房敏峰李易非
關(guān)鍵詞:藥用植物藥材因子

吳 洋,王 慧,房敏峰,岳 明,李易非,李 珊

西北大學(xué),西部資源生物與現(xiàn)代生物技術(shù)教育部重點實驗室,西安710069

植物藥材在形成過程中由于受不同氣候、土壤和生物等環(huán)境因子影響,導(dǎo)致同種藥材在產(chǎn)量和質(zhì)量上普遍存在產(chǎn)地差異[1,2],甚至形成了典型的道地藥材[3,4]。因此,環(huán)境因子對藥材形成起著至關(guān)重要的作用,但藥用植物的最佳生長條件與普通植物不完全相同,有些活性成分是在脅迫(逆境)條件下產(chǎn)生和積累的[3,5]。本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外有關(guān)環(huán)境因子對藥材質(zhì)量影響的研究文獻(xiàn),為藥用植物栽培和資源開發(fā)利用提供思路。

1 氣候因子對藥用植物質(zhì)量的影響

1.1 光照

光對植物的生態(tài)作用包括光照強(qiáng)度、日照長度和光質(zhì)組成等,它們各有其空間和時間的變化規(guī)律,影響著種子的萌發(fā)、植物生長和次生代謝產(chǎn)物的合成[6],從而影響著植物藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量。Briskin[7]采用沙基培養(yǎng)法,通過增加光照強(qiáng)度研究其對貫葉連翹Hypericum perforatamL.葉中有效成分的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加對植株的光照強(qiáng)度,其發(fā)育進(jìn)程加快,金絲桃素含量增加。Hou等[8]通過室內(nèi)栽培控制光照強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)低光強(qiáng)度條件下,可顯著增加拉烏爾甘草Glycyrrhiza uralensisFisch.根中甘草酸和甘草苷含量,并且濃度在100μmolm-2s-1時含量最高。謝寶東等[9]利用減少光照時間的方法,證實光照時間對銀杏Ginkgo bilobaL.葉黃酮和內(nèi)酯類物質(zhì)含量無顯著影響,但對植株的光合速率和相對生長量有顯著的影響。李章田等[10]通過調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度及時間,研究持續(xù)光照處理對三七Panax notoginseng(Burk)F.H.Chen生長的影響,證實三七對光極其敏感,適度遮陰才能保證植株正常生長。Yu等[11]通過組織培養(yǎng)人參Panax ginsengC.A.Mey發(fā)狀根,研究光質(zhì)等因子對人參發(fā)狀根中生物量的積累和人參皂苷含量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在黑暗下或者紅光下毛根的生物量最高,而在熒光燈下人參皂苷含量最高。馬偉[12]比較不同濾光膜的影響,發(fā)現(xiàn)黃膜處理能顯著提高二年生毛脈酸模Rumex gmeliniiTurcz.ex Lcdeb.中蒽醌類成分含量。增加紫外輻射會影響植物次生代謝,因而提高一些成分的積累[13-15],如紫外線-B可刺激查爾酮合成酶(CHS)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)等黃酮生物合成途徑中的關(guān)鍵酶的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[16],從而刺激植物合成黃酮類物質(zhì)[17]。燈盞花(短葶飛蓬干燥全草)Erigeron breviscapus(Vant.)Hand.-Mazz.中燈盞乙素、總黃酮、咖啡酸酯,苦蕎麥Fagopyrum tataricum(L.)Gaertn.葉中蘆丁,西番蓮Passiflora caeruleaL.SP中葒草素、異葒草素、牡荊素、異牡荊素都在UV-B輻射誘導(dǎo)下有不同程度的增加[18-20]??梢?,合理控制光照時間和強(qiáng)度,調(diào)節(jié)光質(zhì)和紫外輻射可以改變次生代謝產(chǎn)物的積累。

1.2 溫度

Pecetti等[21]對大田栽培紫花苜蓿Medicago sativaL.進(jìn)行連續(xù)采樣檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在生長期日間溫度較高時紫花苜蓿中總皂苷量較高。Yu等[11]利用組織培養(yǎng)法通過控制溫度周期培養(yǎng)人參發(fā)狀根,結(jié)果證實人參發(fā)狀根生物量的積累和人參皂苷產(chǎn)量增加的最優(yōu)周期為20℃/13℃白天(12 h)/夜晚(8 h)。Kulkarni等[22]研究發(fā)現(xiàn)溫度過高或過低都會抑制藥用植物Ornithogalum longibracteatum和Tulbaghia violacea種子的萌發(fā),種子發(fā)芽的最佳溫度范圍在22.9~26.8℃,幼苗存活率在10~25℃較高。

上述研究表明,藥材產(chǎn)量及品質(zhì)與溫度關(guān)系密切,高溫會導(dǎo)致植物水分蒸發(fā)過快,導(dǎo)致植物體的生理代謝減緩;低溫會直接影響植物的光合作用,使生長所需的有機(jī)物合成受阻,影響礦物質(zhì)的吸收和養(yǎng)分的運(yùn)轉(zhuǎn),根、莖、葉代謝過程受到抑制,導(dǎo)致作物生長發(fā)育緩慢,生育進(jìn)程延遲。所以,合理的控制藥用植物的生長溫度,是提高藥材產(chǎn)量及質(zhì)量的有效手段。

1.3 水分

水是植物體主要組成成分之一,是植物細(xì)胞擴(kuò)張生長的動力,是各種生理活動的必要條件,水分缺乏,植物生長就會受到抑制,同樣也影響著藥用植物的品質(zhì)。梁引庫等[23]通過盆栽人為控制延胡索Corydalis yanhusuoW.T.Wang ex Z.Y.Su & C.Y.Wu整個生長期土壤水分含量,比較了不同土壤水分對延胡索產(chǎn)量的影響,結(jié)果為土壤含水量75%>土壤含水量前期55%、后期75%>土壤含水量60%>土壤含水量55%>自然降水。通常情況下適度干旱脅迫能夠刺激植物中次生代謝產(chǎn)物的合成和積累[24]。Li等[25]采用根區(qū)滲灌控水技術(shù),研究控制土壤水量對黃柏有效成分的影響,發(fā)現(xiàn)短暫輕度的干旱能夠提高黃柏(黃皮樹)Phellodendron chinenseSchneid.莖皮中小檗堿含量。王改利等[26]采用盆栽法控制土壤含水量,實驗證實中度干旱條件下酸棗Ziziphus jujuba var.spinosa(Bunge)Hu ex H.F.Chow葉片中槲皮素含量基本無變化,總黃酮和蘆丁含量分別顯著和極顯著增加;重度干旱條件下葉片總黃酮、蘆丁和槲皮素含量顯著或極顯著下降。

因此,不同藥用植物對水分的需求不同,水分過多不利于一些有效成分的積累,合理調(diào)節(jié)水分有利于保證藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1.4 空氣中二氧化碳的影響

空氣的成分非常復(fù)雜,其中二氧化碳作為光合作用的主要原料與植物關(guān)系最為密切。研究發(fā)現(xiàn),大氣CO2濃度升高會影響植物根系結(jié)構(gòu)和根系生理,從而提高藥用植物產(chǎn)量和抗病物質(zhì)濃度[27,28],間接影響藥用植物的藥材質(zhì)量。李秀華等[29]探討了CO2濃度升高對藥用植物短葶飛蓬Erigeron breviscapus(Vant.)Hand.-Mazz.生物量、有效成分含量及產(chǎn)量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)短葶飛蓬植株生物量增加了22%,總咖啡酸酯及燈盞乙素含量分別增加23%和26%,產(chǎn)量分別增加37.6%和45.3%。

對于大多數(shù)植物而言,一般自然條件下,空氣中的二氧化碳量小于植物所需的量,因而在有光照的情況下,較高濃度的二氧化碳會促進(jìn)植物的生長;在無光照的情況下,植物不進(jìn)行光合作用,高濃度的二氧化碳則抑制植物的生長。因此,合理施用CO2利于一些藥用植物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

2 土壤因子對藥用植物質(zhì)量的影響

土壤能夠提供植物生活必需的營養(yǎng),是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場所,是植物正常生長發(fā)育的基礎(chǔ)。

2.1 土壤類型及粒度

不同的土壤類型其結(jié)構(gòu)、固體顆粒的排列方式、孔隙和團(tuán)聚體的數(shù)量、大小及其穩(wěn)定度各不相同,因而透水性、蓄水性、保肥性等能力也不同。趙巧梅等[30]比較了褐土、潮土和砂姜黑土3種土壤類型對煙葉主要化學(xué)成分動態(tài)變化的影響。結(jié)果表明,不同土質(zhì)中生長的煙葉中可溶性糖、煙堿和總N含量不同,褐土中種植的煙葉最接近于優(yōu)質(zhì)煙葉標(biāo)準(zhǔn),砂姜黑土最差。閆文蓉等[31]研究丹參Salvia miltiorrhizaBge.有效成分含量與土壤因子的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)土壤中細(xì)粉粒比例及全氮含量的提高有利于丹參脂溶性成分的積累,而黏粒比例的增加不利于水溶性成分的積累。因此,選擇合適的土壤是提高藥用植物產(chǎn)量和質(zhì)量的有效生態(tài)措施。

2.2 鹽分

土壤中鹽分含量的高低也會影響植物的正常生長,鹽分過多會使植物造成生理干旱,產(chǎn)生離子毒害作用并破壞正常代謝,影響生長。藥用植物Salvia aegyptiaca種子在NaCl為0 mM時發(fā)芽率最高,而NaCl濃度逐步增加則抑制種子萌發(fā),當(dāng)換成蒸餾水后,NaCl脅迫后的Salvia aegyptiaca種子逐漸修復(fù)并在較低溫度下開始發(fā)芽[32]。唐曉敏等[33]以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl處理一年生盆栽甘草,研究對甘草生長及甘草酸、甘草次酸成分含量的影響。結(jié)果表明0.6%NaCl是甘草正常生長的閾值,鹽含量低于閾值時甘草能通過改變體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來提高自身耐鹽性,并能改善藥材品質(zhì)。

在高濃度鹽脅迫條件下,會造成植物脫水和膜結(jié)構(gòu)的破壞,阻礙植株正常發(fā)育。部分研究也表明,在保證植物正常發(fā)育的前提下,輕度的鹽脅迫能夠刺激某些次生代謝產(chǎn)物的合成而改變藥材質(zhì)量。

2.3 礦質(zhì)營養(yǎng)

礦質(zhì)營養(yǎng)元素的豐缺與平衡影響著藥用植物的生長發(fā)育,并對植物的生理生化反應(yīng)強(qiáng)度、途徑起著調(diào)節(jié)作用,從而影響了植物次生代謝產(chǎn)物的組成和含量,致使藥材的品質(zhì)發(fā)生變化。Briskin等[7]研究證實增加貫葉連翹根部氮素供應(yīng)可以增加葉中金絲桃素水平。Nunes等[34]發(fā)現(xiàn)長期施肥處理可增加藥用植物Hypericum polyanthe生物量;所有施肥濃度下 5-hydroxy-6-isobutyryl-7-methoxy-2,2-dimethylbenzopyran(HP3)都有所增加。

劉大會[35]等總結(jié)了礦質(zhì)營養(yǎng)對藥用植物黃酮類成分合成的影響,說明礦質(zhì)營養(yǎng)通過調(diào)控植物的碳和氮代謝過程、植物體內(nèi)源激素代謝及關(guān)鍵酶的活性等,影響藥用植物黃酮類成分的合成代謝過程。但是植株生長與次生代謝有效成分積累間存在一定的權(quán)衡關(guān)系[36],過多的施用氮肥提高藥材產(chǎn)量時可能會導(dǎo)致次生代謝產(chǎn)物中有效成分含量下降。因此,合理施肥利于藥材的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

2.4 土壤酸堿度

土壤酸堿度是土壤的很多化學(xué)性質(zhì)特別是鹽基狀況的綜合反映。土壤中微生物的活動,有機(jī)質(zhì)的合成與分解,氮、磷等營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化和釋放,微量元素的有效性,土壤保持養(yǎng)分的能力等,都與土壤酸度有關(guān)。唐莉娜等[37]研究發(fā)現(xiàn)土壤值調(diào)節(jié)至5.6~6.6,烤后煙葉各化學(xué)成分含量較適中,品質(zhì)較好。劉雪芬等[38]比較了南通和文成土壤酸堿度對浙貝母Fritillaria thunbergiiMiq.生長的影響,江蘇南通栽培的浙貝母田間生長狀況優(yōu)于浙江文成,認(rèn)為鱗莖內(nèi)pH值的變化可能是江蘇南通的浙貝母抗病性強(qiáng)的原因。

過酸過堿都不利于植物的正常發(fā)育和有效成分的積累,如過酸不利于生物堿的積累,過堿不利于酚酸類成分積累。因此,保證適度的酸堿范圍利于有效成分的積累。

3 生物因子對藥用植物質(zhì)量的影響

生物因子也會對植物產(chǎn)生一定影響,除動物的啃食、植物種間競爭外,微生物也會影響。如通過接種VA菌根能顯著促進(jìn)蒼術(shù)Atractylodes lancea(Thunb.)DC.的營養(yǎng)生長,提高蒼術(shù)產(chǎn)量[39]。伴生菌的胞內(nèi)及胞外成分可在今后豬苓發(fā)酵生產(chǎn)時有選擇地利用,從而可顯著提高豬苓菌絲多糖含量[40]。蜜環(huán)菌為天麻Gastrodia elataBl.提供營養(yǎng),顯著提高其生物量和化學(xué)成分含量。

生物誘導(dǎo)子是指植物體在防御過程中為對抗微生物感染而產(chǎn)生的物質(zhì),是一類在植物超敏反應(yīng)中能引起植物細(xì)胞合成和積累次生產(chǎn)物的活性物質(zhì)。近年來,利用誘導(dǎo)子處理植物培養(yǎng)細(xì)胞以促使細(xì)胞快速、大量合成有用的次生代謝物質(zhì)已成為人們逐漸重視的新方法。研究表明,真菌幾乎可以影響植物次生產(chǎn)物合成的所有途徑,但由于真菌誘導(dǎo)子的種類、使用的方法和劑量等的不同,使其表現(xiàn)為主要影響某一條或某幾條代謝途徑,從而使相應(yīng)的次生代謝產(chǎn)物發(fā)生改變[41]。楊慧等[42]研究 MF24真菌誘導(dǎo)子對鐵皮石斛Dendrobium officinaleKimura et Migo的影響,結(jié)果高劑量(250 mL/L)加入誘導(dǎo)子時,鐵皮石斛原球莖多糖含量最高比對照提高78.2%。張長平等[43]將真菌誘導(dǎo)子尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)加入南方紅豆杉Taxus wallichiana var.mairei(Lemée & H.Léveillé)L.K.Fu &Nan Li細(xì)胞懸浮培養(yǎng)液中,紫杉醇產(chǎn)量達(dá)到67 mg/L,為對照組的5倍左右。但現(xiàn)今對真菌誘導(dǎo)作用中植物代謝途徑的研究主要停留在桂皮酸途徑,對其他途徑的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)[44]。

可以想象,利用微生物合成有效成分,無論是在資源利用還是經(jīng)濟(jì)效益上都具有非常重要的意義。

4 人為因子對藥用植物質(zhì)量的影響

人類在利用自然資源的過程中,也會對自然環(huán)境造成破壞,如人類的肆意開發(fā)、利用、改造,破壞了生態(tài)平衡,造成環(huán)境污染危害人體健康,也影響了藥材質(zhì)量。

大氣污染物SO2進(jìn)入葉片會產(chǎn)生HSO-3、SO2-3,使葉片出現(xiàn)黃白色斑點、發(fā)黃、枯萎[45,46]。光化學(xué)污染物O3較長時間處理或高濃度會對植物造成傷害[43]。重金屬污染現(xiàn)已成為影響中藥質(zhì)量和中藥走向國際化的重要因素之一,主要由土壤、水、大氣等環(huán)境條件污染導(dǎo)致,由植物類藥材主動吸收和富集造成[47]。袁迎[48]對市售藥材、成藥進(jìn)行了抽樣檢測,結(jié)果除少數(shù)合格外,其它各有不同程度的超標(biāo),有的甚至嚴(yán)重超標(biāo)。中藥農(nóng)藥殘留污染具有普遍性,尤其是有機(jī)氯農(nóng)藥,由于影響植物藥材質(zhì)量而備受關(guān)注,相關(guān)研究也隨之增多[49]。據(jù)“九五”攻關(guān)課題“中藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化研究”中對72種中藥材的850份樣品和“十五”重大科技專項“創(chuàng)新藥物和中藥現(xiàn)代化”中“有機(jī)氯農(nóng)藥殘留研究”對50種中藥近500個樣品的測定結(jié)果及多年文獻(xiàn)報道數(shù)據(jù)可以看到,中藥材中有機(jī)氯農(nóng)藥殘留檢出率達(dá)90%以上,雖然總體超標(biāo)率低于10%,但個別藥材中六六六或滴滴涕殘留超標(biāo)現(xiàn)象非常嚴(yán)重。嚴(yán)重影響藥材質(zhì)量,危害人體健康[50]。

因此,合理開發(fā)利用藥用植物資源,不僅關(guān)系到藥材質(zhì)量,更關(guān)系到人類自身的健康和生存質(zhì)量。

5 總結(jié)與展望

各環(huán)境因子之間不是孤立的,而是多因子共同組合起來對植物起著綜合生態(tài)作用。中藥藥性是中藥秉承了自然環(huán)境中各元素的變化而形成的,是氣候、土壤、生物、地形等各環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果[1,52]。環(huán)境因子的改變影響植物代謝途徑中多種酶的表達(dá)和活性而改變成分的積累,如干旱脅迫可提高β-AS酶和SE酶的表達(dá)量,從而提高甘草中甘草次酸含量[33];UV-B輻射可刺激查爾酮合成酶(CHS)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)等黃酮生物合成途徑中關(guān)鍵酶的轉(zhuǎn)錄和表達(dá),從而提高黃酮類物質(zhì)的含量[51]。光、水、溫度等因子對于植物都是不可缺少的,但作用卻不是等價的,如光照是氣候因子中的主導(dǎo)因子,植物在有光的條件下才可正常萌發(fā),經(jīng)行光合作用等代謝活動;土壤結(jié)構(gòu)和礦質(zhì)營養(yǎng)為土壤因子中的主導(dǎo)因子,為植物的正常生長提供基質(zhì)和養(yǎng)分;微生物是改善許多藥材質(zhì)量保證一些藥材正常生長的關(guān)鍵,因此是生物因子的主導(dǎo)因子;人為因子對植物的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它所有因子,人類通過有意識有目的的活動,對自然環(huán)境中的生態(tài)關(guān)系起著促進(jìn)或抑制、改造和建設(shè)作用。因此,在單因子研究的基礎(chǔ)上,應(yīng)加強(qiáng)雙因子和多因子對藥材產(chǎn)量和質(zhì)量的綜合影響,同時應(yīng)借助基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及植物代謝組學(xué)等方法手段,開展生態(tài)因子對藥用植物影響機(jī)制研究,為藥用植物優(yōu)質(zhì)藥源基地建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

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