北五味子生物學(xué)研究進(jìn)展

陳巍，范志強(qiáng)，魏江春，王東東，范三鵬，胡高升，賈景明

(沈陽(yáng)藥科大學(xué)中藥學(xué)院，沈陽(yáng) 110016)

五味子(Schisandrachinensis(Turcz.) Baill)為木蘭科(Magnoliaceae)五味子屬(Schisandra)藥用植物，其藥用部位為干燥成熟果實(shí)，習(xí)稱“北五味子”[1-2]。其性溫，味酸、甘，歸肺、心、腎經(jīng)；具有收斂固澀，益氣生津，補(bǔ)腎寧心等功效，主要用于治療久嗽虛喘、久瀉不止、心悸失眠等[3]。《本草綱目》中有記載：“五味子今有南北之分，南產(chǎn)者紅北產(chǎn)者黑，入滋補(bǔ)藥，必用北者為良”[4]。在中國(guó)藥典2020年版中，五味子的來(lái)源有兩種：五味子(S.chinensis)及華中五味子(S.sphenanthera)，后者習(xí)稱“南五味子”[1]。近年，國(guó)內(nèi)外對(duì)五味子的研究日漸深入，在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)五味子的資源現(xiàn)狀、栽培和育種技術(shù)、組織培養(yǎng)技術(shù)、分子生物學(xué)研究進(jìn)行綜述，為五味子的資源開(kāi)發(fā)利用和生物學(xué)研究提供理論基礎(chǔ)依據(jù)。

1 五味子資源現(xiàn)狀及應(yīng)用概況

全世界五味子屬植物約50余種，主要分布在中國(guó)、朝鮮、日本、俄羅斯遠(yuǎn)東和印度等地。中國(guó)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)五味子約28種，其中藥用植物19種。我國(guó)北五味子資源比較豐富，總面積約7000畝，主要在黑、吉、遼三省分布，此外河北、內(nèi)蒙古等地區(qū)也有少量分布。野生北五味子年產(chǎn)量達(dá)2200～2500 t[5-9]。自20世紀(jì)70年代起，在我國(guó)的科研工作者就開(kāi)始對(duì)五味子野生栽培品種進(jìn)行馴化的研究，經(jīng)過(guò)40多年的摸索工作，野生五味子的馴化和栽培已經(jīng)被較為系統(tǒng)的掌握，使五味子的大面積人工栽培成為可能[7]。

五味子的藥用歷史悠久，藥用價(jià)值高。早在《神農(nóng)本草》中就有記載，在書中五味子被列為上品，是一味名貴的藥材。五味子在不同版本的《中華人民共和國(guó)藥典》和《衛(wèi)生部藥品標(biāo)準(zhǔn)》等書籍中均有收錄，是應(yīng)用面廣、市場(chǎng)大的中藥材品種。在2015年版《中華人民共和國(guó)藥典》中，有60個(gè)成方制劑和單味制劑含有北五味子藥材，而在新修訂的2020年版《中華人民共和國(guó)藥典》中收載的成方制劑和單位制劑中含有五味子藥材的處方制劑增加到了103個(gè)[1,10]。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，北五味子的國(guó)內(nèi)產(chǎn)量超過(guò)90%應(yīng)用在醫(yī)藥領(lǐng)域(包括中成藥，飲片和提取物)，規(guī)模較大的中成藥品種有生脈飲、天王補(bǔ)心丸、柏子養(yǎng)心丸、石斛夜光丸、五味子顆粒和五味子糖漿等，已經(jīng)獲得生產(chǎn)批號(hào)的廠家約300家左右，北五味子在藥品行業(yè)中的需求量屬于穩(wěn)步提高狀態(tài)。其余不足10 %用于釀酒、制汁，生產(chǎn)飲料、酸奶、冰激凌等，還能用于保健品、紡織染料、煙用添加劑、食品添加劑、化妝品、防腐劑等方面[11-12]。在保健品開(kāi)發(fā)方面，國(guó)內(nèi)在北五味子保健品和食品領(lǐng)域的研究和產(chǎn)品較少，目前主要是五味子果酒、猴頭菇羊肚菌五味子膠囊、靈芝五味子膠囊、五味子糕、五味子膏和五味子花粉等幾種規(guī)模較小的產(chǎn)品。國(guó)外對(duì)北五味子的保健品開(kāi)發(fā)較成熟，其原材料及提取物主要來(lái)自中國(guó)，產(chǎn)品形態(tài)以化妝品，保健品和食品為主。

2 五味子栽培育種技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 品種選育

五味子為異花授粉植物，種內(nèi)存在較多的變異，關(guān)于五味子種內(nèi)變異的研究在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開(kāi)始，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，并對(duì)五味子種質(zhì)資源進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)，為五味子品種選育提供了基礎(chǔ)和前提[13]。其中選育出的新品種、新品系有“紅珍珠[14]”“紅瑪瑙[15]”“白五味子[16]”“金五味1號(hào)[17]”等。原黑龍江省林副特產(chǎn)研究所建立優(yōu)良無(wú)性系測(cè)定園，進(jìn)行資源收集產(chǎn)量比較分析，選育優(yōu)良品系等方面的研究，并取得了階段性成果。但由于五味子栽培育種工作起步較晚，其育種研究體系建立的還很不完善，基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱。所以，科研工作者首先要調(diào)查五味子遺傳變異情況，做好種質(zhì)資源收集、保存、評(píng)價(jià)和利用，解決種植資源貧乏問(wèn)題，建立種質(zhì)資源庫(kù)；同時(shí)也要加強(qiáng)對(duì)調(diào)控機(jī)制和遺傳規(guī)律等基礎(chǔ)研究，從更深層次探討產(chǎn)量、質(zhì)量、器官建成和對(duì)環(huán)境適應(yīng)性等方面的生理生化機(jī)理和基因調(diào)控機(jī)制，為五味子品種選育提供依據(jù)[18]。

2.2 栽培生理研究

五味子為雌雄同株，異花授粉，影響五味子產(chǎn)量的因素主要是雌花的數(shù)量，但由于雌花分化比率的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致五味子穩(wěn)產(chǎn)性差，常出現(xiàn)大小年現(xiàn)象[19]。因此，通過(guò)研究五味子花芽分化規(guī)律、影響花芽分化的因素和花芽分化臨界期，并以此為依據(jù)來(lái)調(diào)控其花性的分化，提高雌花分化率，實(shí)現(xiàn)五味子的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[19-21]。

當(dāng)前研究表明，五味子不同枝類花芽的雌花分化率的存在較大的差異，葉叢枝花芽的雌花分化率為0，而中長(zhǎng)枝類花芽的雌花分化率較高，達(dá)43.2 %[20]。另外，五味子不同節(jié)位的枝條花芽在分化數(shù)量和分化質(zhì)量上也有較大差異，高節(jié)位的花芽較低節(jié)位花芽分化數(shù)量和質(zhì)量略高。五味子地下橫走莖對(duì)五味子的產(chǎn)量也有一定的影響。由于五味子地下橫走莖是一種變態(tài)莖[22]，其根系不發(fā)達(dá)，在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)與地上部分競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其數(shù)量可以影響到五味子的產(chǎn)量。在地下橫走莖的生長(zhǎng)過(guò)程中，可以采用人工去除的方法，減少橫走莖的數(shù)量，增加五味子的產(chǎn)量[23-24]。在五味子栽培過(guò)程中，架勢(shì)的方式對(duì)五味子的生長(zhǎng)也有一定的影響，張慶田等[25]研究表明棚架五味子葉片的光合速率高于籬架栽培的五味子。

2.3 植物營(yíng)養(yǎng)研究

植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，植物營(yíng)養(yǎng)元素起著重要作用，是指導(dǎo)五味子種植中合理施肥的基礎(chǔ)。近年來(lái)，對(duì)北五味子研究報(bào)道較多，但五味子營(yíng)養(yǎng)元素理論研究這一方面報(bào)道卻較匱乏。在五味子氮元素的研究中發(fā)現(xiàn)，不同供氮水平和不同氮素形態(tài)比例都在一定程度上影響著五味子的生長(zhǎng)發(fā)育。隨著氮供給的增加，五味子莖葉氮含量、可溶性蛋白含量、葉綠素含量都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)[26]，五味子苗木在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)不同氮素形態(tài)的吸收存在明顯差異[27-28]。在鉀元素的研究中，于志民等[29]報(bào)道黑龍江省三大產(chǎn)區(qū)野生北五味子植株鉀含量大小順序依次是：果實(shí)>花>葉>根和莖。在磷元素中，叢毓等[30]研究發(fā)現(xiàn)，五味子磷元素在展葉期到漿果生長(zhǎng)初期含量下降，漿果生長(zhǎng)中、后期磷含量明顯提高，葉片中磷含量達(dá)到高峰，平均提高了0.76 %，果實(shí)成熟后期至植株枯萎，葉片中磷含量明顯降低。

3 五味子組織培養(yǎng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，關(guān)于五味子組織培養(yǎng)研究的中文報(bào)道已有40余篇，為五味子優(yōu)良品種快速繁育和開(kāi)發(fā)利用提供了有益的技術(shù)資料。五味子組織培養(yǎng)研究主要集中以下在三個(gè)方面:一是以莖段為外植體誘導(dǎo)叢生芽，通過(guò)生根培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)快速繁育。外植體通常來(lái)自于春芽萌發(fā)后的幼嫩莖段或冬芽水插新稍。陳雅君[31]等以帶腋芽的嫩莖(春芽萌條)為外植體，在含有6-BA和ZT的MS培養(yǎng)基上誘導(dǎo)腋芽萌發(fā)，并將腋芽轉(zhuǎn)接到含有6-BA、NAA和ZT的增殖培養(yǎng)基上，成功誘導(dǎo)產(chǎn)生叢生芽，并通過(guò)誘導(dǎo)生根，獲得了再生植株。顧地周等[32]以冬芽水插條的萌發(fā)新稍為外植體，芽苗誘導(dǎo)率為92 %。李興亮[33]以五味子冬芽水插新稍進(jìn)行誘導(dǎo)叢生芽，叢生芽健壯，成活率高；二是以五味子子葉、下胚軸、腋芽萌稍或冬芽為外植體，在激素培養(yǎng)基上誘導(dǎo)形成胚狀體，并在無(wú)激素培養(yǎng)基上培養(yǎng)成苗。陳愛(ài)華等[34]以五味子種子萌發(fā)后的子葉及下胚軸進(jìn)行誘導(dǎo)，并建立了五味子體細(xì)胞胚快速繁育技術(shù)。李千等[35]以冬芽誘導(dǎo)愈傷組織，分化出胚狀體用于快速繁育，建立了胚狀體快速繁育途徑；三是以幼嫩莖段、春芽萌條、冬芽、葉、葉柄、果柄、種子、子葉和下胚軸等植物組織為外植體，進(jìn)行愈傷組織的誘導(dǎo)，誘導(dǎo)產(chǎn)生的愈傷多用于藥物生產(chǎn)研究，少數(shù)為獲得胚性愈傷組織來(lái)進(jìn)行快速繁育。趙國(guó)凡等[36]以幼嫩莖段和葉片為外植體，在MS培養(yǎng)基中附加適宜濃度的NAA和KT，成功誘導(dǎo)出愈傷組織，誘導(dǎo)率達(dá)100 %。張順捷等[37]以葉片、嫩莖和葉柄為外植體誘導(dǎo)愈傷，通過(guò)分化培養(yǎng)基和生根培養(yǎng)基，成功誘導(dǎo)生根，三種外植體中葉片愈傷誘導(dǎo)率相對(duì)較高，但嫩莖段誘導(dǎo)愈傷分化率高于葉片。

4 五味子分子生物學(xué)研究現(xiàn)狀

從近年來(lái)文獻(xiàn)報(bào)道看，目前五味子的分子生物學(xué)研究還相對(duì)滯后，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)展的分子生物學(xué)研究多集中在南、北五味子的鑒別，以及遺傳多樣性研究方面，并在相關(guān)方面取得了一定的成果。張慶田等[38]通過(guò)CTAB方法對(duì)五味子基因組DNA進(jìn)行提取，并使用RAPD技術(shù)對(duì)其基因組DNA進(jìn)行多態(tài)性擴(kuò)增，利用3對(duì)引物可將10個(gè)五味子品種區(qū)分開(kāi)，為在分子水平上對(duì)五味子種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)以及保護(hù)和利用提供一些參考信息。苑廣信等[39]則通過(guò)RAPD技術(shù)篩選出的引物，可區(qū)分北五味子和南五味子。伊旭等[41]采用RAPD法從100個(gè)隨機(jī)引物中篩選出20個(gè)優(yōu)良引物，并用這20個(gè)引物在長(zhǎng)白山區(qū)56個(gè)樣地的五味子材料中擴(kuò)增出125條帶，其中62條為多態(tài)性條帶，多態(tài)率為49.6%，56個(gè)北五味子群體的遺傳距離為0～0.56，顯示出豐富的遺傳變異。雖然目前已經(jīng)有大量關(guān)于五味子遺傳多樣性的研究報(bào)道，但依舊不能滿足其分子生物學(xué)研究。

高通量測(cè)序技術(shù)又稱為新一代測(cè)序技術(shù)，能一次并行對(duì)幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)條DNA分子進(jìn)行序列測(cè)定和一般讀長(zhǎng)較短等為標(biāo)志[40]，而且它可以對(duì)一種生物、組織或者細(xì)胞器的基因組、轉(zhuǎn)錄組或代謝組進(jìn)行全面、深入的分析，因此又被稱為深度測(cè)序。應(yīng)用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)華中五味子紅果及果皮和白果及果皮進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析[41-42],獲得了26.4 GB原始數(shù)據(jù)(NCBI登錄號(hào):SSR4449123)，使用Trinity進(jìn)行從頭轉(zhuǎn)錄組組裝發(fā)現(xiàn)92415個(gè)轉(zhuǎn)錄本，產(chǎn)生71443個(gè)unigenes。陳春宇[43]等利用廣泛靶向代謝組學(xué)和高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)果實(shí)成熟過(guò)程中的三個(gè)時(shí)期，即綠果期、淺紅果期和深紅果期的五味子果實(shí)進(jìn)行分析。在轉(zhuǎn)錄組分析中共獲得81095個(gè)Unigenes，代謝中分析中共鑒定出736個(gè)化合物，利用WGCNA(Weighted gene co-expression network analysis)分析，構(gòu)建了木脂素和黃酮性狀與基因之間的關(guān)聯(lián)，篩選到17個(gè)參與木脂素生物合成的重要基因和8個(gè)參與黃酮生物合成的重要基因。

5 展望

五味子為名貴常用中藥材。近年來(lái)，五味子相關(guān)藥品及保健品日益豐富，伴隨著相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，五味子藥材需求量逐年攀升，由于野生資源匱乏，目前市場(chǎng)供應(yīng)主要依靠人工栽培。但五味子栽培育種工作起步較晚，相關(guān)研究體系建立仍不完善，基礎(chǔ)研究薄弱，目前大部分以實(shí)生苗建園，品種混雜嚴(yán)重，加之栽培技術(shù)不夠成熟，很難實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。應(yīng)盡力完善的五味子栽培育種體系，跟進(jìn)五味子的品種選育。另外，五味子現(xiàn)有的分子生物學(xué)研究還相對(duì)滯后，主要集中在對(duì)轉(zhuǎn)錄組和代謝組的宏觀研究中，暫無(wú)對(duì)五味子有效成分關(guān)鍵酶途徑的解析以及相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究，科研工作者應(yīng)加大對(duì)五味子次生代謝產(chǎn)物生物合成途徑和轉(zhuǎn)錄水平的研究，以為五味子育種和增產(chǎn)增收提供理論依據(jù)。此外，與五味子品種鑒定相關(guān)的研究成果還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，亟待將這些成果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的產(chǎn)品，應(yīng)用于市場(chǎng)，以指導(dǎo)五味子的真?zhèn)舞b定。