環(huán)境因子對藥用植物藥材形成的影響研究進(jìn)展

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)含量最高。謝寶東等［9］利用減少光照時(shí)間的方法，證實(shí)光照時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)證實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(diǎn)、發(fā)黃、枯萎［45，46］。光化學(xué)污染物O3較長時(shí)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(xiàng)“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(gè)樣品的測定結(jié)果及多年文獻(xiàn)報(bào)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(gè)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(jià)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(shí)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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