臭椿的研究進展與展望

張蔓蔓，鄭聰慧，劉春鵬，徐振華，杜克久

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定071000；2.河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，河北 石家莊050061；3.河北省林木良種技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊050061）

臭椿（Ailanthus altissima）又名木礱樹或椿樹，古稱樗，屬苦木科（Simaroubaceae）臭椿屬（Ailanthus），因樹皮及樹葉有苦味，小葉兩側(cè)粗鋸齒上的腺體會發(fā)出特殊臭味而得名為臭椿。臭椿為落葉喬木，深根性樹種，生長迅速，高可達20m，但壽命較短，生存極少超過50a。臭椿嫩枝有髓，幼時被黃色或黃褐色柔毛（后脫落）；葉為奇數(shù)羽狀復(fù)葉，小葉對生或近對生，紙質(zhì)，卵狀披針形，兩側(cè)各具1或2個粗鋸齒，齒背有腺體1個，葉面深綠色，背面灰綠色；雄花與雜性花異株且雌雄花以4∶6比例分化、頂生圓錐花序，花淡綠色，覆瓦狀排列；翅果扁平紡錘形，種子扁圓形，位于翅果中間，花期4~5月、果期8~10月。該文擬對臭椿遺傳資源分布、開發(fā)利用、遺傳多樣性等方面進行總結(jié)，為臭椿后續(xù)研究提供思路。

1 臭椿資源分布

全世界約有臭椿屬10~15個種，通過化石記錄可追溯到北半球第三紀，始新世到上新世的歐洲、哈薩克斯坦及西伯利亞，古新世到更新世的北美。其中，臭椿為中國特有樹種，原產(chǎn)于中國臺灣和中國大陸中部與東北部，分布廣泛，北起遼寧、河北，南至江西、福建，東自海濱，西達甘肅，以黃河流域為分布中心，華北、西北地區(qū)栽培最多；垂直分布在海拔2000m以下區(qū)域，水平分布在北緯22°~43°范圍內(nèi)，在內(nèi)蒙古阿拉善南部至赤峰南部一線也有少量自然分布。臭椿在18世紀傳入歐洲和北美后，常為庭蔭樹和行道樹，被贊為天堂樹。臭椿栽培種及變種較為豐富，有臺灣臭椿、大果臭椿2變種?，F(xiàn)經(jīng)長期栽培與遺傳變異，增加千頭椿、小葉臭椿、白材臭椿、紅果臭椿、垂葉臭椿、紅葉臭椿等臭椿栽培種及變種。

2 臭椿開發(fā)利用價值

2.1 經(jīng)濟價值

臭椿木纖維長且占木材總干重含量的40%，是優(yōu)于白楊的造紙原材料；莖皮纖維是人造棉和繩索的原材料。木材質(zhì)地堅韌、耐腐蝕、易彎曲不折斷、易加工且紋理順直有光澤，是制作家具、農(nóng)具、廚具及建筑的優(yōu)良材料。葉可飼養(yǎng)椿蠶，蠶絲相較于桑樹所產(chǎn)蠶絲成本更低，所織之綢更堅固耐用；葉中提取物還具有果實采后品質(zhì)保鮮的作用。R Gürbüz[1]等探究兩種不同濃度（0.5%和2.5%）的臭椿葉甲醇提取物，分別添加和不添加添加劑（0.1%阿拉柏樹膠，0.05%檸檬酸，0.05%山梨酸鉀和0.05%抗壞血酸），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臭椿葉提取物具有較強的保持果實水分、降低腐爛率、保護外觀品質(zhì)、延緩冷害發(fā)生、保持果實硬度、延緩抗壞血酸含量降低的作用。臭椿種仁含油量57%，種籽含油量40%，為半干性油，可在工業(yè)上代替亞麻油生產(chǎn)1032醇酸漆，還可以食用，殘渣作飼料、肥料，還具有體外抗氧化、抗菌活性和體內(nèi)鎮(zhèn)痛、抗炎活性。Hoseini[2]等研究以臭椿籽油為原料制備生物柴油，種子干燥后用索氏提取技術(shù)提取油脂，含油量最高約為38%；在醇油摩爾比為8.50∶1、催化劑用量為1.01wt%、反應(yīng)時間為4.71min的優(yōu)化條件下，臭椿種子油制備的生物柴油得率為92.26%，符合ASTM D6751標準要求。

2.2 綠化環(huán)保價值

樹干高大通直、枝葉繁茂、春季嫩葉紫紅色、秋季紅果滿樹，是觀樹姿、葉色、果色，作為城市行道樹和觀賞樹的優(yōu)良樹種。如千頭臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle var.myriocephala B.C.Ding et T.B.Chao），樹冠呈球形，無中央主干，側(cè)枝多且小枝直立斜展，枝葉濃密；紅果臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle var.erythrocarpa（Carr.）Rehd.），樹冠稀疏，有主干，側(cè)枝少且開展或平展，幼葉紅色后變?yōu)榫G色，開花時子房及幼果鮮紅色，翅果成熟后為鮮紅色或紅褐色；白材臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle var.leucoxyla B.C.Ding et T.B.Chao），樹冠寬大，樹干通直且中央主干明顯，側(cè)枝稀少開展，小枝細長近輪生狀分布；扭垂枝臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle cv.′Torti-pendula′，cv.nov.）樹冠傘形，樹干通直，無中央主干，側(cè)枝拱形下垂或平展，小枝短小彎曲呈長枝狀扭曲下垂；塔型臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle cv.′Pyramidalis′，cv.nov.）樹冠塔形，中央主干不明顯且側(cè)枝和小枝直立斜展；紅葉臭椿（Ailanthus altissima Var）樹冠緊湊，樹干高大通直，成年后樹形呈扁圓形，小枝粗壯，羽狀葉紅艷緊密而整齊，持續(xù)期長，花序淡黃色[3]。各種臭椿栽培種及變種有各自的特色，具有特殊的觀賞亮點。

臭椿對臭氧敏感，對土壤重金屬ZnCl2有較強的耐性和富集性，可作為臭氧污染指示植物與土壤修復(fù)植物，不僅是大氣污染嚴重地區(qū)凈化空氣的先鋒樹種，也是優(yōu)秀的減噪樹種。臭椿適應(yīng)性極強，可在除黏土外的各種土壤上生長，耐旱、耐微堿（pH適宜范圍為5.5~8.2），在47.8℃的高溫和-37℃的絕對最低溫度下均能正常生長，有一定的抗高溫和耐寒能力，且適宜荒山造林。李詩瑤[4]等研究發(fā)現(xiàn)，臭椿葉表面具有表皮毛、氣孔與溝壑、粗糙等微結(jié)構(gòu)特征，因此滯塵能力較強，吸附粒徑范圍較廣。多項研究表明，臭椿地上部分器官和根部對Cd均有富集能力，每年可去除大于3.71mg/m2，對土壤中Cd的去除能力顯著；以城市污泥與建筑垃圾為原料配制混合基質(zhì)顯示，低比例（20%、40%）污泥基質(zhì)最適宜臭椿生長，且基質(zhì)中重金屬含量越多，臭椿根莖葉中重金屬含量及富集系數(shù)越高[5-6]。在養(yǎng)分含量普遍偏低的濱海鹽堿地林地中，白蠟臭椿林和皂角臭椿林等不僅能改變養(yǎng)分在不同土層分布規(guī)律及吸收利用，還可以改善鹽堿地土壤貧瘠，蓄肥保墑效果優(yōu)越；臭椿完整樹冠減噪能力為每米3.15%，對中低、中高、高頻段噪音衰減效果較好，此結(jié)果與樹冠孔隙總長度有關(guān)[7-8]。

2.3 藥用價值

2.3.1 農(nóng)藥 臭椿的種子、葉、莖皮、根皮中含有甾醇、萜類、黃酮類、生物堿類、苦木苦味素類及其他揮發(fā)性成分，有豐富多樣的藥理和生物活性，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有除草、殺蟲、防治植物病蟲害等作用。葉子具有腺體可散發(fā)臭味，對昆蟲有抵御和驅(qū)逐力，將其搗爛后浸泡的濾液無污染、無危害，可作為蔬菜驅(qū)殺害蟲的藥劑。多項研究報道，臭椿樹皮提取物單堿鐵屎米-6-酮和粗生物堿對禾谷鐮刀菌（Fusarium graminearum）、牡丹炭疽病菌（Gloeosporium sp.）、冬瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporumf.sp.benincasae）和黃瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporum f.sp.cucumerinum）有較強的抑制作用；臭椿葉粗提物具有較強的殺蟲活性；臭椿翅果中分離出的葡萄糖苷J和K，對煙草花葉病毒的增殖有一定的抑制作用，半數(shù)抑制濃度（IC50）分別為（56.21±1.86）μM和（137.74±3.57）μM[9-11]。雜草的可持續(xù)管理是農(nóng)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一，臭椿中的臭椿酮是很好的生物除草劑。Matteo Caser[12]等對臭椿葉、翅果和次生根中提取的臭椿酮進行了植物毒性研究，發(fā)現(xiàn)對雜草有較強的抑制作用，為作為園藝作物雜草管理的可持續(xù)解決方案提供了支持。薛利娟[13]系統(tǒng)地研究了臭椿根皮的甲醇提取物化學(xué)成分，利用平皿法測定發(fā)現(xiàn)，化合物對牛筋草的抑制活性為18＞19＞12＞10＞16，對反枝莧的抑制活性為化合物10＞12＞19＞18＞16；多種試驗結(jié)果表明臭椿根皮粗提物更適用于單子葉作物田。

2.3.2 醫(yī)藥 臭椿被認為是一種傳統(tǒng)草藥，樹皮、根皮、枝和果實已應(yīng)用于中藥?，F(xiàn)代藥理學(xué)研究證明，臭椿含有的苦味苦木素類、臭椿酮等化合物具有止血、燥濕、消炎、清熱及殺蟲等功效，還有抗瘧疾、過敏、潰瘍、腫瘤、艾滋等作用，可治療出血、癲癇、哮喘、胃病、癌癥和蛔蟲病等多種疾病。臭椿酮可誘導(dǎo)非小細胞肺癌A549、H1299和H1975細胞基因發(fā)生改變，并對H1299、H1975細胞造成DNA損傷，下調(diào)RPA1蛋白抑制非小細胞肺癌DNA復(fù)制，在小鼠實驗中可以抑制小鼠瘤塊生長、延長小鼠生存期，并可能通過同時抑制Akt磷酸化和Src磷酸化，從而抑制非小細胞肺癌H460細胞遷移和侵襲與抑制表達細胞周期相關(guān)蛋白Cyclin D1；臭椿酮不僅對鼻咽癌細胞CNE-2表現(xiàn)出呈濃度和時間依賴性增殖抑制作用，阻滯細胞周期G2/M期并誘導(dǎo)細胞凋零，表現(xiàn)出顯著的抗腫瘤活性，還對結(jié)直腸癌細胞SW1116增殖產(chǎn)生抑制作用并誘導(dǎo)細胞凋亡，通過失活PI3K/Akt信號通路來誘導(dǎo)人黑色素瘤A375細胞凋亡，研究成果均表明臭椿酮可有效抑制癌細胞的生長[14-18]。臭椿的樹皮和葉子甲醇提取物廣泛用于治療腸道蠕蟲感染。S.Lehmann[19]等發(fā)現(xiàn)臭椿初生莖皮甲醇-水（7：3，v/v）提取物對秀麗隱桿線蟲生殖細胞和生殖軸造成嚴重損害，導(dǎo)致卵母細胞不發(fā)育或發(fā)育不良，從而激活線蟲對應(yīng)激反應(yīng)中起重要作用的轉(zhuǎn)錄因子DAF-16。Ye-Qing Du[20]等在臭椿根皮中發(fā)現(xiàn)的8對8，4′型氧新木脂素映體（1a/1b-8a/8b），其中4a、4b、8b對H2O2誘導(dǎo)的人神經(jīng)母細胞瘤SH-SY5Y細胞氧化應(yīng)激的神經(jīng)保護作用，表現(xiàn)出中等程度的神經(jīng)保護活性。臭椿籽油因其高水平的不飽和脂肪酸的存在和顯著的抗氧化能力，可以作為一種鎮(zhèn)痛和抗炎劑使用。El Ayeb-Zakhama A[21]等研究證實1g/kg種子油具有較高的鎮(zhèn)痛作用（91.31%）和抗炎作用（85.17%），抗氧化活性較強，具有一定的抗菌活性。

3 遺傳多樣性

近年來，國內(nèi)外對臭椿應(yīng)用方面進行了一系列的研究，取得了大量的研究成果，但臭椿栽培種及變種的基因組和遺傳資源仍然不足，F(xiàn)erer[22]等通過同工酶頻率對北美的臭椿居群內(nèi)部進行分析，研究北美臭椿居群間的遺傳分化；與原產(chǎn)地中國居群相比，北美居群臭椿長得更高，有更大的葉面積，北美臭椿沒有表現(xiàn)出顯著的遺傳分化或者近交衰退現(xiàn)象；研究顯示，兩個來源地的臭椿同工酶頻率相同，表明原產(chǎn)地中國臭椿與移居的北美臭椿遺傳多樣性相同。楊紅花等[23]利用RAPD技術(shù)確定組培紅葉臭椿（Ailanthus altissima Var）具有較高的遺傳穩(wěn)定性，郭旭琴等[24]通過設(shè)計正交試驗建立了穩(wěn)定的臭椿SRAP-PCR反應(yīng)體系（模板DNA 2.5ng/uL、引物0.6umol/uL、Mg2+1.75mmol/uL、10×PCR Buffer 2.5uL、Taq酶0.3U/uL、dNTPs 0.3mmol/uL），徐卉[25]對SRAP反應(yīng)體系進行優(yōu)化，建立了適合臭椿的反應(yīng)體系，即模板DNA（50ng/uL）1.5uL、引物（10uM）1.2uL、Mg2+（25mM）0.9uL、1×Loading Buffer 2.5uL、Taq 酶0.5uL、dNTPs（10mM）0.6uL、ddH2O 12.8uL， 利 用SRAP技術(shù)對由泰安、聊城、濟南、北京4地組成的臭椿雌、雄株和紅果臭椿基因池進行凝膠電泳分析，確定存在遺傳差異性。Saina J K[26]等以Illumina pairedend RNA sequencing（RNA-seq）為基礎(chǔ)，對臭椿的轉(zhuǎn)錄組進行了分子標記，并開發(fā)了13個EST-SSRs（表達序列標記-簡單序列重復(fù)序列）。此外，還利用小麥的葉綠體基因組，建立了10個多態(tài)葉綠體微衛(wèi)星（CpSSR）標記，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)產(chǎn)生87797個單基因，其中64891個（73.91%）基因在至少一個蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中被成功注釋；對于cpSSR標記，每個標記檢測到的等位基因數(shù)（N）從cpSSR 12處的3個到cpSSR 8處的12個不等，無偏單倍體多樣性指數(shù)（URE）在0.111~0.485之間，單倍體多樣性指數(shù)（H）在0.101~0.444之間，平均無偏單倍體多樣性指數(shù)（HOU）為0.274；在165個個體中，共在10個位點上鑒定出65個不同的cpSSR等位基因；ESTSSRs的等位基因數(shù)為2.143~9.357，觀察雜合度和預(yù)期雜合度分別為0.312~1.000和0.505~0.826，此研究所開發(fā)的分子標記將有助于臭椿種群的遺傳多樣性、群體結(jié)構(gòu)、長距離基因轉(zhuǎn)移和花粉基因流分析。Charalambos[27]等利用IlluminaMiSeq平臺應(yīng)用一種基于NGS的方法來識別臭椿微衛(wèi)星標記，從奧地利東部篩選出3個群體，在19個新發(fā)現(xiàn)的微衛(wèi)星位點上進行遺傳變異，測試只考慮等位基因長度和同時考慮擴增片段中的單核苷酸多態(tài)性（SNP）兩種不同的基因分型方法，結(jié)果顯示，當采用后一種方法時，所有遺傳多樣性參數(shù)的數(shù)值較高，遺傳分配的分辨率也較高，所開發(fā)的標記為臭椿種群的基因分型提供了一種經(jīng)濟有效的工具，所提出的方法對于非模式森林樹種的中通量基因分型應(yīng)用具有較高的應(yīng)用價值，拓寬臭椿種群遺傳學(xué)研究的視野。

果色是一個重要的遺傳多樣性指標。但臭椿相關(guān)研究尚少，聊城大學(xué)有關(guān)學(xué)者曾在紅果臭椿開花后第15d、30d、45d、60d、75d、90d分別采集翅果，測定各時期翅果粗脂肪、可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白的含量，保護酶活性，以及葉綠素a、葉綠素b、和花色素苷含量的變化規(guī)律，結(jié)果表明，紅果臭椿翅果花青苷含量在生長初期及生長后期達到48.11mg/g，脫落期降到3.91mg/g，比初果期高2.31mg/g，普通臭椿花青苷含量基本不變[25]。該研究未涉及類胡蘿卜素及花色素苷以外的類黃酮素，也未測定花色素苷的具體組分及挖掘其積累的調(diào)控基因，同時，也未考慮環(huán)境因子、礦質(zhì)元素、內(nèi)源激素等對花青苷的影響。

4 臭椿研究展望

臭椿是一種具有多種開發(fā)利用價值的優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種，對臭椿育苗栽培技術(shù)及生物學(xué)特性等基礎(chǔ)研究較多。近年來，越來越多的學(xué)者研究臭椿提取物藥理活性，抗逆性成果也越來越多，選育了紅葉臭椿、紅果臭椿等多種觀賞價值較高的臭椿變種，但對臭椿的研究還不夠系統(tǒng)和深入。良種選擇多通過選優(yōu)和引種，雜交育種、照射育種、化學(xué)誘變多倍體育種等鮮見報道，多分析臭椿生物學(xué)特性、生理特征對逆境的抵抗能力，并未深入到抗逆機制的研究，研究較多的為臭椿提取物化學(xué)特性，從中鑒定分離出許多化合物，揭示其在藥用、油用等方面的作用。目前，研究人員越來越關(guān)注林木基因組與遺傳資源的研究，而臭椿在這方面研究較少，資源不足。

因此，為了推動發(fā)展臭椿這一優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種在用材、藥用、油用、綠化觀賞、造林、抗污染、抗逆等方面的應(yīng)用，對于臭椿的探索可在以下幾方面進行：（1）在選優(yōu)和引種的基礎(chǔ)上，結(jié)合雜交育種、多倍體育種、生物技術(shù)育種等多種方式，培育良種，營造良種臭椿林。（2）深入研究臭椿抗逆性，挖掘相關(guān)抗蟲、抗鹽堿等抗逆基因，解析其抗逆機制。（3）深入探究防治蟲害時，生防制劑與殺蟲劑的協(xié)同作用；利用轉(zhuǎn)基因、基因編輯等生物技術(shù)培育抗病蟲害品種，減少物理化學(xué)防治病蟲害造成的負面影響。（4）深入開發(fā)臭椿提取物化學(xué)特性，進一步開發(fā)成為新型藥物、農(nóng)藥、生物燃料等。（5）形態(tài)標記結(jié)合DNA分子標記技術(shù)，開發(fā)分子標記，分析臭椿遺傳多樣性、群體結(jié)構(gòu)、長距離基因轉(zhuǎn)移和花粉基因流，補充臭椿遺傳資源。（6）基于代謝組和轉(zhuǎn)錄組，解析紅葉、紅果臭椿等彩色臭椿色澤形成機理，培育出更多特異品種，提升臭椿觀賞價值，增加園林綠化的選擇性。