旱生植物苦豆子研究綜述

張 雨，蘇丹丹，王亞男，鄭長遠，蘇 旭，3，劉玉萍*

（1. 青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，青海西寧，810008；2. 青海師范大學(xué)青海省青藏高原藥用動植物資源重點實驗室，青海西寧，810008；3. 青海師范大學(xué)高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海西寧，810008）

苦豆子（Sophora alopecuroides）又名草本槐或苦豆根，是豆科（Fabaceae）、槐屬（Sophora）的一種多年生草本植物，主要分布于中國內(nèi)蒙古、河北、山西、河南、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆、西藏等地，俄羅斯、阿富汗、伊朗、士耳其、巴基斯坦和印度北部也有少量分布［1］。苦豆子通常生長于海拔500 ～ 1 600 m 的干旱沙漠和草原邊緣地帶［2］，具有較強的抗寒、抗旱、抗鹽堿、抗風(fēng)沙等特殊性質(zhì)，是一種重要的防風(fēng)固沙植物［3］?？喽棺拥母?、莖、種子乃至全草皆可以入藥［4］，具抗炎、抗過敏、抗病毒、抗腫瘤等功效，有重要的藥用價值和經(jīng)濟價值［5］；苦豆渣是一種優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，是干旱荒漠地區(qū)草食家畜越冬度春的重要補充飼料，開發(fā)前景廣闊［6］。通過系統(tǒng)總結(jié)苦豆子的研究現(xiàn)狀，然后對苦豆子的自然地理分布范圍進行了調(diào)查并對種質(zhì)資源作了收集，最后對其種質(zhì)資源收集的重要性進行了探討，旨在為今后苦豆子種質(zhì)資源的系統(tǒng)研究與合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究現(xiàn)狀

迄今為止，關(guān)于豆科植物種質(zhì)資源收集方面的研究較多［10-13］。譬如，龍玨臣等［11］歷時2 年從重慶地區(qū)收集到49份綠豆種質(zhì)資源，并對綠豆種質(zhì)資源的枯萎病抗性種質(zhì)進行篩選，發(fā)現(xiàn)9 份中抗材料、3份抗病材料和1 份高抗材料，為后續(xù)優(yōu)良種質(zhì)開發(fā)利用和抗綠豆枯萎病基因發(fā)掘提供了理論依據(jù)；陽小虎［12］根據(jù)本省收集到的135份花生種源為試驗材料，對不同類型花生品種的主要性狀進行調(diào)查，得出不同類型花生性狀差異較大，同一性狀在不同類型間的變異系數(shù)也有一定差異，且變異范圍越大利用價值越高的結(jié)論。已有部分學(xué)者［1，7-9］對苦豆子的外部形態(tài)特征、化學(xué)成分、抗逆生理特征、藥理學(xué)和毒理學(xué)活性等方面進行了大量研究，取得了一定的成效。但關(guān)于苦豆子種質(zhì)資源收集及相關(guān)研究較少［14-15］，僅見陽翠等［14-15］對收集的苦豆子種質(zhì)資源遺傳多樣性和種子生物學(xué)特性進行了研究，認為苦豆子居群間具有豐富的遺傳多樣性，不同居群的生物學(xué)性狀間差異顯著。

1.1 外部形態(tài)特征

苦豆子是一種多年生草本或亞灌木，株高約1 m，枝條被覆白色或淡灰白色長柔毛或貼伏柔毛；羽狀復(fù)葉，基部寬楔形或圓形；花冠為白色或淡黃色，雄蕊10 枚；莢果念珠狀，伸直，具多數(shù)種子；種子呈卵球形，稍扁，顏色一般為褐色或黃褐色；花期5 ～ 7月；果期8 ～ 10 月。不同時期的植物志對苦豆子外部形態(tài)特征記載略有不同。譬如，1994 年中國植物志編輯委員會編寫的《中國植物志》將苦豆子劃分為原變種和變種，變種別名毛苦豆子，枝和葉密被絨毛，明顯區(qū)別于原變種，認為原變種小葉7 ～ 13對，旗瓣形態(tài)多變，翼瓣常單側(cè)生，稀近雙側(cè)生，龍骨瓣與翼瓣外形相近，長約為瓣片的1/2［1］；青海植物志編輯委員會主編的《青海植物志》則認為此植物奇數(shù)羽狀復(fù)葉互生，具小葉15 ～ 25 對，旗瓣呈倒卵型，花冠為乳黃色或鮮黃色［16］；《中國高等植物彩色圖鑒》編委會編寫的《中國高等植物彩色圖鑒》中則記載為苦豆子小葉11 ～ 27 對，花冠白色或奶白色，同時對其生境和地理分布也做了詳細描述［17］。

1.2 化學(xué)成分

研究表明，苦豆子主要化學(xué)成分是生物堿和黃酮，另有其它成分如揮發(fā)油、有機酸、多糖、香豆素、無機元素、脂肪酸等［18］，其中生物堿含量最大［19］。例如，萬傳星等［20］使用732 強酸性陽離子交換樹脂法、固相萃取法、有機溶劑液液萃取法等制備了苦豆子總堿，發(fā)現(xiàn)三種措施制備的苦豆子生物堿單體組分類型一致，同時運用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)鑒定出13 種生物堿，主要有槐定堿、槐果堿、苦參堿、異槐果堿、野啶堿、Lamprolobine 和槐胺堿，按其結(jié)構(gòu)可將其分為四種類型：苦參堿-四環(huán)型、鷹爪豆堿-四環(huán)型、金雀花堿-三環(huán)型、羽扇豆堿-二環(huán)型；肖東等［21］研究認為黃酮是另一大類生物堿成分，如卞海濤等［22］選用硅膠、Sephadex LH-20 等色譜方法從苦豆子中分離鑒定出5 種黃酮類化合物，分別是苦豆雙黃酮苷、5，6-二羥基3，7，35，4 -四甲氧基黃酮、紫鉚查耳酮、β-胡蘿卜苷和3-甲氧基木犀草素。

1.3 逆境生理特征

苦豆子生長于荒漠、半荒漠、草原邊際較濕潤的區(qū)域，如半固定沙丘和固定沙丘的低濕處、湖盆沙地綠洲邊緣及農(nóng)區(qū)的溝旁和田地邊緣［23］。王彥琴等［3］使用NaCl溶液和PEG-6 000模擬鹽脅迫與干旱脅迫，設(shè)置不同的濃度梯度，分別對苦豆子種子和幼苗實施鹽脅迫與干旱脅迫處理，認為苦豆子為一種極強耐鹽和耐旱植物，為荒漠區(qū)生態(tài)防護林選材提供了依據(jù)，也為耐鹽、耐旱功能基因的發(fā)掘提供了實驗材料。

1.4 藥理學(xué)與毒理學(xué)活性

苦豆子性寒、味苦、有毒，具備清熱解毒、消炎止痢、止痛、祛風(fēng)、殺蟲等效用。最新研究表明，苦豆子具有抗炎、抗心律失常、抗癌、鎮(zhèn)痛等多種藥理作用［12，24-26］。譬如，楊樹鑫［27］等通過研究苦豆子生物堿的抗腫瘤機制，發(fā)現(xiàn)苦豆子生物堿以細胞凋亡過程中重要的調(diào)控分子或路徑如細胞抗調(diào)亡因子Bcl-2、半胱氨酸蛋白酶Caspase 蛋白家族等為靶點發(fā)揮抑癌作用；劉學(xué)楠等［28］通過不同方法制備苦豆子提取物，建立HPLC 化學(xué)指紋圖譜，對苦豆子提取物進行毒性評估，為分析其毒性作用機制奠定了基礎(chǔ)；李生虎等［29］以小鼠為試驗動物，探討了苦豆子生物堿氯仿、正丁醇萃取組分的毒性，發(fā)現(xiàn)苦豆子生物堿對小鼠半數(shù)致死量是衡量藥物急性毒性大小與效應(yīng)力強弱的重要指標(biāo)，為苦豆子生物堿的臨床用藥提供了理論依據(jù)。

2 種質(zhì)資源收集

2.1 種質(zhì)資源收集方法與結(jié)果

因種質(zhì)資源表現(xiàn)形態(tài)與材料類型分類不同，其收集數(shù)量、時間及要求也各不相同。譬如，植物種子的收集通常在種子成熟后按千粒質(zhì)量大小確定收集數(shù)量；珍稀名貴植物種子的收集應(yīng)根據(jù)實際情況確定收集量；離體植物材料的收集往往選擇遺傳穩(wěn)定性強、再生能力強、成活率高的少量組織，一般以含有頂端分生組織的器官培養(yǎng)物或胚性培養(yǎng)物為首選；植物標(biāo)本的收集應(yīng)在花、果跨度期，保證植物各部位完整，采集量根據(jù)實際情況確定［30］。

通過查閱大量文獻資料及現(xiàn)存放于中國科學(xué)院植物研究所標(biāo)本館、西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物標(biāo)本館、中國科學(xué)院西北高原生物研究所青藏高原生物標(biāo)本館、中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所東北生物標(biāo)本館、中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所標(biāo)本館中館藏的苦豆子臘葉標(biāo)本，并對該物種的生境、經(jīng)緯度、海拔等信息詳細記錄；同時，查閱中國數(shù)字植物標(biāo)本館的苦豆子電子標(biāo)本信息作為補充，確定苦豆子在相關(guān)采集地的生境條件、分布范圍和特點，按照群體遺傳學(xué)采樣方法對苦豆子進行野外調(diào)查和采樣，即居群之間直線距離至少20 km，每個居群隨機采集3 ～ 13 個個體，個體之間間隔20 m 以上，野外采集生長良好且健康的苦豆子新鮮嫩葉、種子及完整個體，適宜條件保存好帶回實驗室，并記錄各居群的經(jīng)緯度、海拔高度、生境、伴生種等信息。2019 ～ 2020 年，項目組對苦豆子的野外自然地理分布區(qū)進行了較為全面的野外調(diào)查和群體遺傳學(xué)采樣，結(jié)果共采集到苦豆子種質(zhì)資源18個自然居群、86個個體的DNA分子材料和成熟種子（表1）。憑證標(biāo)本存放于中國科學(xué)院西北高原生物研究所青藏高原生物標(biāo)本館（HNWP）。

表1 苦豆子野外采樣信息Table 1 Field sampling information of Sophora alopecuroides

2.2 種質(zhì)資源收集意義

植物種質(zhì)資源收集可以進一步保存，挖掘和改良植物的優(yōu)良遺傳基因，為后期選育提供信息和材料支持，也可為群體遺傳結(jié)構(gòu)、遺傳多樣性、群體歷史動態(tài)等研究提供良好的條件［31］。通過對苦豆子主要自然地理分布區(qū)種質(zhì)資源的全面野外考察，并在群體水平上收集了苦豆子的植物標(biāo)本、DNA 分子材料和成熟種子，本次種質(zhì)資源材料的收集對今后系統(tǒng)探討苦豆子的表型多樣性、遺傳多樣性、群體遺傳結(jié)構(gòu)、染色體倍性、物種起源與適應(yīng)性進化、物種形成機制以及抗逆生理機制等均具有重要意義。同時，苦豆子作為藥用植物，其種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究對于分析藥用植物親緣關(guān)系、尋找可替代的中藥材物種等提供重要的種質(zhì)材料。

3 結(jié)語

苦豆子具有重要的藥用價值和生態(tài)價值，分布區(qū)域較廣，種質(zhì)資源極為豐富。目前，有關(guān)苦豆子的研究主要在生物學(xué)特性、生理特性、化學(xué)成分、藥用價值、飼料加工和其他資源化利用途徑等方面，但對其種質(zhì)資源的研究甚少。植物種質(zhì)資源作為植物遺傳基因的載體，是生物多樣性極其重要的構(gòu)成因素，是植物進化及培育適應(yīng)不同環(huán)境與用途植物新品種的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在此次苦豆子種質(zhì)資源收集的基礎(chǔ)上，我們將來可開展的研究工作主要包括：一、通過群體水平上外部形態(tài)性狀特征的統(tǒng)計及其與生態(tài)因子的相關(guān)分析，闡明引起該物種形態(tài)變異的主要表型性狀和生態(tài)因子類型；二、基于cpDNA 和nrITS 序列的群體遺傳學(xué)數(shù)據(jù)，探討苦豆子的群體遺傳結(jié)構(gòu)、遺傳多樣性、遺傳變異地理分布式樣及群體歷史動態(tài)，解析該物種響應(yīng)第四紀(jì)氣候歷史變遷機制；三、利用分子標(biāo)記、低拷貝核基因、轉(zhuǎn)錄組、簡化基因組乃至全基因組數(shù)據(jù)探討苦豆子的適應(yīng)性進化和物種形成機制，明晰該物種形成的主要驅(qū)動力及物種形成模式，同時篩選耐逆適應(yīng)關(guān)鍵功能基因，并對關(guān)鍵功能基因進行功能驗證。