鐵皮石斛品質(zhì)性狀影響因子的研究進展

龐敏霞，戚勇，陳丁江，姚國祥*

(1.浙江大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 310012； 2.寧波舜韻電子有限公司-浙江韻芝堂生物科技有限公司，浙江 余姚 315402)

鐵皮石斛(Dendrobilofficinaliscaulis)為蘭科植物鐵皮石斛DendrobiumofficinaleKimum et Migo的干燥莖，具益胃生津、滋陰清熱功效[1]，是國家二級保護植物瀕危中藥材之一、石斛之上品，其藥用歷史非常悠久，早在秦漢時期的《神農(nóng)本草經(jīng)》就記載“主傷中、除痹、下氣、補五臟虛勞羸瘦、強陰、久服厚腸胃”。研究表明，鐵皮石斛具有增強免疫、調(diào)節(jié)胃腸、降血糖、降血壓、抗疲勞、延緩衰老等作用[2-3]，故位列“中華九大仙草”之首。鐵皮石斛已列入《可用于保健食品的物品名單》和《已使用化妝品原料名稱目錄(2015版)》，廣泛用于藥品、保健食品和化妝品原料，其需求量也在不斷增加。

隨著組織培養(yǎng)和大棚栽培等人工栽培技術(shù)的發(fā)展，鐵皮石斛人工栽培的面積也逐年增大，但市面上鐵皮石斛的種內(nèi)變異類型混亂，品質(zhì)良莠不齊?！吨腥A人民共和國藥典》(2015年版)規(guī)定，鐵皮石斛以多糖、甘露糖和醇溶性浸出物的含量為質(zhì)量標準，傳統(tǒng)則以“質(zhì)重，嚼之黏牙，口甜，無渣者”為優(yōu)?？梢?，鐵皮石斛多糖是評價鐵皮石斛品質(zhì)的重要指標之一。有研究表明，不同種源地其多糖含量不同，且在栽培第2年時采摘最好，其多糖含量最高[4-5]。《中國藥典》規(guī)定鐵皮石斛的莖為藥用部位，鐵皮楓斗為2～6個旋紋，莖拉長后3.5～8.0 cm，直徑0.2～0.4 cm，因此，鐵皮石斛株高、莖粗等生物學性狀也是衡量其品質(zhì)的重要指標。鐵皮石斛的品質(zhì)是一個綜合概念，近年來，國內(nèi)外對鐵皮石斛品質(zhì)方面進行了不斷研究，取得了一定的成果，本文從基因、光、溫、濕、基、肥等方面來闡述鐵皮石斛品質(zhì)性狀的影響因子，以期為優(yōu)化鐵皮石斛生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 遺傳因素對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

鐵皮石斛在中國分布較廣，由于遺傳背景不同，即使在相同的生長環(huán)境下，其生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收與分配會不同，導致鐵皮石斛生物學性狀、生理特性與有效物質(zhì)累積等也不同[6]，進而影響鐵皮石斛有效成分的含量與產(chǎn)品療效。我國野生鐵皮石斛有36個品種2個變種，主要分布在浙江、云南、貴州、廣西等溫帶和亞熱帶地區(qū)[7]，浙江是最佳產(chǎn)地[8]。明清時期《本草綱目》《本草易讀》都記載，鐵皮石斛“以浙江溫、臺者為貴”。張桂玲等[9]比較了貴州、安徽、浙江3地鐵皮石斛與鐵皮楓斗中多糖的含量，發(fā)現(xiàn)浙江鐵皮楓斗多糖含量最高。羅海斌等[10]將5個不同種源鐵皮石斛在相同時期種植在栽培條件完全相同的地點，經(jīng)大棚引種栽培2年后，發(fā)現(xiàn)浙江樂清種株高最矮，葉面積最小，葉綠素含量最低，多糖含量較高，甘露糖含量中等；廣西樂業(yè)種莖細，葉片狹長，葉綠素含量最高，多糖和甘露糖較高。

Chen等[11]成功克隆了鐵皮石斛甘露糖結(jié)合凝聚素基因(DOA)，經(jīng)基因表達分析發(fā)現(xiàn)，DOA基因可能與鐵皮石斛莖抗病蟲害有關(guān)的一個組成型表達基因，在鐵皮石斛根、莖和葉中都有表達，尤其在莖中表達量最高。鐵皮石斛基因克隆還涉及蔗糖合成酶(SS)[12]、DcNAC轉(zhuǎn)錄因子[13]、細胞周期蛋白依賴激酶A(CDKA;1)[14]和甘露糖基因DoGMP1[15-16]等方面的研究(表1)。盡管科學家們在2015年已經(jīng)破譯了鐵皮石斛的基因組[17]，但目前對鐵皮石斛功能基因的研究尚處于克隆和功能驗證階段，鐵皮石斛生長調(diào)控和活性代謝產(chǎn)物合成與累積機制還需深入研究。

表1 鐵皮石斛功能基因舉例

資料來源：文獻[11-16]。

2 生態(tài)與栽培環(huán)境對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

鐵皮石斛喜溫暖、濕潤及陰涼環(huán)境，光照、溫度、濕度等是影響其品質(zhì)的主要環(huán)境因子。

2.1 光照對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

光是植物光合作用的能量來源，也是影響鐵皮石斛生物量、葉綠素含量和有效成分的首要因子，主要通過調(diào)節(jié)鐵皮石斛生長發(fā)育和代謝過程影響品質(zhì)?，F(xiàn)階段，光強、光質(zhì)、光周期等對鐵皮石斛品質(zhì)的影響取得了不同程度的進展。

2.1.1 光強的影響

光照強度對鐵皮石斛幼苗形態(tài)建成和多糖累積至關(guān)重要。研究表明，在人工密閉條件下，光強60～70 μmol·m-2·s-1、光照時間12 h·d-1有利于提高鐵皮石斛組培苗的凈光合速率和葉綠素含量、增加干重和腋芽數(shù)，促進生長發(fā)育[18]。李武等[19]研究也發(fā)現(xiàn)，組培光強在25～100 μmol·m-2·s-1，葉片葉綠素含量與之呈正相關(guān)[20]；一定范圍內(nèi)光強越大，葉片葉綠素含量和蔗糖合成酶活性越高，也越有利于增粗增重。因此，組培室常用光強偏小可能是限制組培苗生長發(fā)育的主要因子之一。另有研究表明，在較低光強時更利于鐵皮石斛多糖的累積[21]；人工遮陰下，鐵皮石斛苗在透光率43%～55%時生長和多糖累積最佳[22]。

2.1.2 光質(zhì)的影響

目前對光質(zhì)的研究主要集中在紅、藍、黃及紅藍混光等方面。光質(zhì)會影響鐵皮石斛苗根系長度、株高與莖粗、萌蘗數(shù)，及葉綠素、多糖、生物堿等的含量，且對不同種源的影響規(guī)律基本一致[23-28]：紅光利于試管苗長高，促進多糖累積，且利于提高超氧化物歧化酶(SOD)活性；藍光則抑制苗長高卻利于莖加粗，還能促進生物堿與可溶性蛋白的累積；黃光則利于側(cè)芽的產(chǎn)生；紅藍混合光促進原球莖葉綠素合成和光合特性，當紅藍光比例為1∶3時原球莖生物量和多糖含量最高，當紅藍光比例為2∶3時生物堿含量增加。光質(zhì)的強弱和配比會影響不同時期鐵皮石斛的生長和有效物質(zhì)的積累[29]，但光質(zhì)對光合代謝調(diào)控的機制尚需深入研究。

2.1.3 光周期的影響

雖然目前報道光周期對鐵皮石斛品質(zhì)影響的研究較少，已有研究發(fā)現(xiàn)，鐵皮石斛的生長速率與光周期有關(guān)(一定的季節(jié)性)，以初夏(5—6月)為最大，其次為初秋(8—9月)，盛夏(7—8月)最低，應(yīng)做到適時種植[30]。

2.2 溫度對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

適宜的溫度才能促進鐵皮石斛生長，一定范圍內(nèi)，溫度越高越有利于鐵皮石斛的莖長高，莖生長高峰期時日平均氣溫在22～26 ℃，日平均最高氣溫在25～33 ℃，日平均最低氣溫在19～23 ℃[31]，而晝/夜溫度為28 ℃/13 ℃時(即溫差在15 ℃)利于鐵皮石斛有效成分的累積[32-33]。

2.3 濕度對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

鐵皮石斛主要依靠氣生根和葉片從霧氣、露水中獲取水分和養(yǎng)分，其根忌積水，在通風良好的情況下，相對濕度在70%～95%適合鐵皮石斛種植；相對濕度超過80%，生長迅速；晝/夜?jié)穸葹?0%/75%時總生物堿及總黃酮的含量均較高[34]，可見鐵皮石斛對濕度的要求非常嚴格，既要求濕潤又不能過濕。

麋鹿小姐的期待是酒刀先生。她最喜歡看他開酒。骨節(jié)分明的手指握著瓶頸，恰到好處的力度，就像表演一場魔法秀。警惕而頑固的瓶塞，像守衛(wèi)的小士兵。遇上不對的人，寧愿粉身碎骨，不求全身而退。可在他的手中，卻格外順從地把自己守護了一生的瓊瑤佳釀，心甘情愿地呈上。僅這一幕，就足以讓麋鹿小姐微醺其中。

2.4 基質(zhì)對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

適宜的氣候條件下，選擇結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分合適的基質(zhì)是提高鐵皮石斛品質(zhì)的關(guān)鍵。鐵皮石斛人工培育的基質(zhì)包括組織培養(yǎng)基質(zhì)與大棚栽培基質(zhì)。

2.4.1 組培基質(zhì)的影響

鐵皮石斛組培苗從無菌播種到原球莖誘導、增殖、分化、生根等生長的各個階段對營養(yǎng)物質(zhì)的需求是不一樣的。完整的培養(yǎng)基主要由基礎(chǔ)培養(yǎng)基、有機物、生長激素等組成(圖1)，常用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基有MS培養(yǎng)基、B5培養(yǎng)基、N6培養(yǎng)基；有機物主要有蔗糖等碳水化合物，維生素類，氨基酸類，椰汁、香蕉、蘋果、馬鈴薯等天然復合物；激素主要有萘乙酸(NAA)、吲哚乙酸(IAA)等生長素，6-芐氨基嘌呤(6-BA)等細胞分裂素，還有活性炭等其他輔助性物質(zhì)[35-36]。

基礎(chǔ)培養(yǎng)基方面，鐵皮石斛種子萌發(fā)和組培苗生根都需要豐富營養(yǎng)，其種子在1/2MS培養(yǎng)基萌發(fā)效果最好；其原球莖增殖和分化成苗在MS培養(yǎng)基中生長較好；而組培苗在1/2MS培養(yǎng)基最適合生根[37]。碳水化合物方面，蔗糖作為植物細胞生長的碳源，還有調(diào)節(jié)培養(yǎng)基滲透壓的作用，在一定范圍內(nèi)，隨著蔗糖濃度的升高，鐵皮石斛原球莖的增殖率也升高，當蔗糖濃度為3%時，原球莖多糖含量也增高[38]；在原球莖培育初期添加殼聚糖、普魯蘭多糖也能提高原球莖中多糖和生物堿的含量[39]。生長激素方面，在培養(yǎng)前期，添加1 mg·L-1的6-BA有利于種胚分化；在種胚分化和種苗生長階段分別添加0.5 mg·L-1的NAA，0.3 mg·L-1的吲哚-3-丁酸(IBA)時種胚分化和種苗生長均較好[40]。營養(yǎng)方面，在MS培養(yǎng)基中添加250 g·L-1土豆汁有利于鐵皮石斛原球莖的生長、石斛多糖和石斛堿的累積[41]；5～10 mmol·L-1氮營養(yǎng)素最有利于組培苗生長；低氮素時根系的生長和根系活力提高，氮素向根部集中，會抑制葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸(Pro)合成及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性，但會升高丙二醛(MDA)含量；氮素提高后，根系活力降低，葉部含氮量提高，葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)、Pro合成加快，SOD、POD活性提高，植株體內(nèi)MDA含量下降；但過高的氮素也不利于植株的生長[42]。結(jié)果見表2。

圖1 完整培養(yǎng)基的組成

表2 培養(yǎng)基質(zhì)對鐵皮石斛的影響

資料來源：文獻[37-42]。

此外，鐵皮石斛組培苗的生根率會影響其移栽后的成活率，生長素有利于苗生根，活性炭既能吸附不利于苗生根的物質(zhì)，也能提供暗環(huán)境，加上果蔬添加劑中豐富的天然營養(yǎng)成分有利于鐵皮石斛苗的生根和生長，研究發(fā)現(xiàn)，1/2 MS+0.2 mg·L-1NAA+1 g·L-1活性炭+10%香蕉泥的培養(yǎng)基有利于鐵皮石斛苗生根[43]。

2.4.2 大棚栽培基質(zhì)對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

鐵皮石斛大棚栽培的基質(zhì)主要分為三類：非生物質(zhì)基質(zhì)，如碎紅磚、碎瓦片、蘭石、火山石、珍珠巖和泥灰等；生物質(zhì)基質(zhì)，如水苔、花生殼和樹皮等；混合基質(zhì)[44]。松樹皮具有良好的透氣性、保水性和耐腐蝕性，故目前的使用頻率較高。陳洲等[45]通過對鐵皮石斛生長特性和多糖含量的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)‘龍虎1號’鐵皮石斛在單一松樹皮栽培基質(zhì)中生長最旺盛，多糖含量46.1%，株高35.1 cm。張愛麗等[46]采用核桃殼、松樹皮、鋸木屑(體積比6∶3∶1)的混合基質(zhì)，煉苗移栽后成活率和產(chǎn)量均較高。李雪等[47]研究發(fā)現(xiàn)，樹皮能提高鐵皮石斛的鮮重、干物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和株高等生物學指標，提高葉和莖中蛋白質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)；水苔則能提高鐵皮石斛葉的光合色素，提高鐵皮石斛多糖的質(zhì)量分數(shù)。此外，學者們正在研究以菌渣[48]等其他原料的基質(zhì)組合，以期獲得高品質(zhì)、高產(chǎn)量、低成本、環(huán)境友好的人工栽培模式。

2.5 肥料對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

人工栽培的鐵皮石斛生長發(fā)育需要肥料供給，合理施肥能促進其生長、提高產(chǎn)量和品質(zhì)。

目前關(guān)于鐵皮石斛專用肥的研究較少，今后應(yīng)根據(jù)鐵皮石斛需肥特性(喜氮等)，以提高鐵皮石斛產(chǎn)量和品質(zhì)為目的，通過合理施肥提高其多糖、生物堿等有效成分的含量，使甘露糖和葡萄糖的比更協(xié)調(diào)，從而改善鐵皮石斛的品質(zhì)。白美發(fā)[49]研制了一種全營養(yǎng)葉面專用肥，含N、P、K共51%、微量元素(B、Fe、Zn、Cu、Mn、Mo)1%，可提高其莖葉比，促進莖葉生長，使其莖節(jié)、直徑加長加粗，增加葉面積，提高產(chǎn)量。

2.5.2 鐵皮石斛有機肥對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

有機肥料能為作物提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。羊糞經(jīng)發(fā)酵后是一種很好的有機肥，可改善土質(zhì)，目前常用于鐵皮石斛的大棚栽培。曹漢才等[50]在相同的大棚條件下，分別對鐵皮石斛施加發(fā)酵的羊糞(加入10%硫酸鉀造粒)、蠶糞和花生麩，發(fā)現(xiàn)施加發(fā)酵羊糞的鐵皮石斛存活率、青葉和莖節(jié)數(shù)、株高均高于另兩種肥料。此外，也有對蚯蚓糞等新型有機肥進行研究的，添加蚯蚓糞的栽培基質(zhì)能提高鐵皮石斛SOD活性、POD活性、MDA含量、根系活力、可溶性蛋白含量及莖中黃酮和多糖含量[51]；蚯蚓糞含有多種養(yǎng)分，能促進鐵皮石斛次生代謝產(chǎn)物的累積，增強鐵皮石斛抗氧化能力，增加根系活力和可溶性蛋白質(zhì)含量[52]，但在實際生產(chǎn)中仍需進一步驗證。

2.6 栽培方式對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

目前，鐵皮石斛人工栽培方式主要有大棚仿野生、活樹仿野生、死樹仿野生、林下仿野生、石頭仿野生、巖壁仿野生等。研究發(fā)現(xiàn)，石頭和林下仿野生栽培的鐵皮石斛多糖、甘露糖、多酚含量高于其他，而粗纖維含量低；巖壁、活樹仿野生栽培鐵皮石斛浸出物高于其他；且活樹仿野生栽培的鐵皮石斛多酚、粗纖維含量最高；大棚仿野生栽培鐵皮石斛長勢最好、莖生物總重最高，但多酚、黃酮含量最低；林下、巖壁仿野生栽培鐵皮石斛黃酮含量高于其他；石頭仿野生栽培鐵皮石斛粗纖維含量最低；死樹仿野生栽培鐵皮石斛多糖、浸出物含量最低?？梢姡笈锓乱吧耘嗟蔫F皮石斛浸出物、多酚和黃酮含量較低，尚有提升空間[53-54]。王暉等[55]還研究了香樟、杉木、毛竹3種不同材料栽培，通過科學管理，鐵皮石斛也能正常生長且品質(zhì)佳，其中杉木附生的總多糖含量最高。在華南地區(qū)附生于林分郁閉度為30%～50%的檀香或降香黃檀樹干中部也值得推廣[56]。

2.7 采收時期對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

鐵皮石斛多糖含量與其開花過程密切相關(guān)，各有效成分含量隨時間推移而改變。研究發(fā)現(xiàn)，盈江地區(qū)鐵皮石斛多糖1—3月還在累積，3月末伴隨花芽萌發(fā)，多糖含量開始下降；在6—9月植株穩(wěn)定生長，多糖又緩慢累積，3月的多糖含量最高[57]；但不同地區(qū)鐵皮石斛多糖和浸出物等有效成分含量的變化不同。邵尉等[58]研究發(fā)現(xiàn)，總多糖及甘露糖含量在4月最高，而還原性糖含量3月高于4、5月。王琦等[59]卻發(fā)現(xiàn)，即使在組培室恒定條件下多糖變化規(guī)律和大田栽培一致，在5—6月多糖含量最高。此外，有效成分的累積還與栽培年限有關(guān)，鐵皮石斛中多糖和甘露糖含量以2年生最高，酚類成分隨著種植年限增加在鐵皮石斛中累積增加[60]。但調(diào)控鐵皮石斛有效成分累積的具體機制有待進一步研究。

2.8 其他因素對鐵皮石斛品質(zhì)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，鐵皮石斛內(nèi)生菌能一定程度上促進生長(提高鮮重，促進礦物質(zhì)吸收)[61-62]；根中的真菌從鐵皮石斛生長發(fā)育早期便開始參與其中，在共生過程中發(fā)揮重要作用，但具體作用機制有待進一步研究[63]。因此，今后有必要從內(nèi)生菌、根際真菌角度對鐵皮石斛有效成分的調(diào)控機制進行深入研究。

3 展望

由于人為過度采挖和生態(tài)破壞等原因?qū)е乱吧F皮石斛資源瀕臨滅絕，假冒偽劣鐵皮石斛充斥市場，人工栽培鐵皮石斛品質(zhì)又難以保證，鐵皮石斛行業(yè)受到巨大沖擊，故全面了解影響鐵皮石斛品質(zhì)的因素，優(yōu)化鐵皮石斛生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。通過分析表明，鐵皮石斛品質(zhì)性狀受遺傳因子、生態(tài)環(huán)境因子和栽培方式等諸多因素的影響，且各因素對鐵皮石斛品質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)各不相同，單純改良某一因素都不能從根本上解決鐵皮石斛品質(zhì)良莠不齊的問題。因此，筆者提出以下幾點建議，以期對優(yōu)化鐵皮石斛的生產(chǎn)有所啟示。

3.1 嚴把鐵皮石斛高品質(zhì)品種選育關(guān)

鐵皮石斛的品質(zhì)與其品種密切相關(guān)，首先要保證鐵皮石斛種源的品質(zhì)，從生物學性狀到內(nèi)在有效成分含量等都要進行嚴格篩選；其次加強現(xiàn)代分子生物學技術(shù)的利用，深入研究鐵皮石斛生長調(diào)控和其中活性代謝產(chǎn)物合成和累積的機制，為篩選高品質(zhì)鐵皮石斛提供新思路；還可利用現(xiàn)存野生鐵皮石斛的特性，通過雜交、回交等育種方法開發(fā)出新的高品質(zhì)鐵皮石斛，綜合提高鐵皮石斛生物學性狀、生理特性及人工栽培的適應(yīng)性；此外，還要遵循“道地藥材”原則，完成道地產(chǎn)區(qū)鐵皮石斛品種一致性的建設(shè)，優(yōu)良的品種才于以栽培。

3.2 嚴把鐵皮石斛人工栽培技術(shù)關(guān)

除了遺傳因素外，人工栽培鐵皮石斛的品質(zhì)還受生態(tài)環(huán)境因子、栽培方式、病蟲害等諸多因素的影響。應(yīng)在有機栽培和仿野生栽培雙重標準的規(guī)范下，分階段、營造出最適宜當?shù)仄贩N栽培的生態(tài)環(huán)境，選擇更經(jīng)濟、環(huán)保的栽培方式，科學防治病蟲害與合理施肥，做到“因地制宜”“低肥少藥”，形成專屬地區(qū)鐵皮石斛人工栽培高效、可持續(xù)發(fā)展的模式。

3.3 嚴把鐵皮石斛高品質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)關(guān)

基于鐵皮石斛有效成分累積的周期性，應(yīng)嚴格把握鐵皮石斛采收的時間，未到時間或逾期便不再進行采收；細致篩選，剔除不符合要求的部分，杜絕以次充好；做好采收、加工、檢測等記錄，便于全程溯源。