一種并頭黃芩新變種研究

李聯(lián)地，張樹梓，張業(yè)飛，郭嬌嬌，任啟文，畢 君

（1河北小五臺(tái)山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站/河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，石家莊 050061；2河北小五臺(tái)山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理中心，河北蔚縣 075700）

0 引言

并頭黃芩(Scutellaria scordifolia)是多年生草本植物（圖1），又名頭巾草、山麻子，是被子植物門雙子葉植物綱管狀花目唇形科黃芩亞科黃芩屬植物，一般生于海拔2100 m以下河灘草地、山地草甸、林緣、林下、撂荒地及路旁。國內(nèi)分布于內(nèi)蒙古、黑龍江、河北、山西、青海等地，國外分布于俄羅斯、蒙古、日本等地。并頭黃芩作為一種中藥材料，根莖含多種黃酮類化合物，可以抵抗細(xì)菌、真菌、病毒等感染，具有降壓、降血脂、保肝、利膽、抗氧化、利尿等功能，葉可代茶用。

圖1 并頭黃芩

《小五臺(tái)山植物志》[1]記錄小五臺(tái)山地區(qū)黃芩屬植物分布有北京黃芩(S.pekinensis)、黃芩(S.baicalensis)、黏毛黃芩(S.viscidula)和并頭黃芩(S.scordifolia)4種，其中并頭黃芩有1個(gè)微毛并頭黃芩變種(S.scordifolia var.puberula)。在小五臺(tái)山地區(qū)并頭黃芩大多分布在海拔1200～1600 m的林下草地或濕草甸。具體分類學(xué)特征見《小五臺(tái)山植物志》、《中國植物志》[2]、《河北植物志》[3]。本研究是在河北省小五臺(tái)山發(fā)現(xiàn)白色花冠并頭黃芩極小種群的基礎(chǔ)上開展的，前人及各種分類文獻(xiàn)均未記錄提及具有白色花冠的并頭黃芩品種。研究人員從保護(hù)這一極小種群的角度出發(fā)，通過資源調(diào)查、化學(xué)物質(zhì)檢測、前人相關(guān)研究結(jié)論及基本遺傳理論等方面分析研究這一品種是否是并頭黃芩的新變種。

1 研究區(qū)概況

小五臺(tái)山地處河北省張家口市的蔚縣、涿鹿兩縣境內(nèi)，有亞高山、中山、低山和丘陵、盆地、河灘、階地等多種地貌類型；海拔高度變化為890～2882 m，氣候?yàn)闁|部季風(fēng)區(qū)高寒半濕潤性多雨氣候，四季分明，水熱同季；年平均氣溫3～7℃，7月最高，1月最低，活動(dòng)積溫為1800～2800℃；年降水量450～620 mm，降水多集中在7—9月，約占全年降水量的55%左右。已發(fā)現(xiàn)分布有野生高等植物1350種，隸屬于106科486屬，其中蕨類14科、裸子植物4科、被子植物86科。

2 研究方法

2018年7月，研究人員在河北省小五臺(tái)山山澗口東溝發(fā)現(xiàn)了5株白色花冠的并頭黃芩，事后查詢有關(guān)資料沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的記錄；2019年對(duì)發(fā)現(xiàn)地進(jìn)行再次踏查，白色花冠的并頭黃芩種群數(shù)量增加到12株，調(diào)查結(jié)束后對(duì)分布地采取控制人為干擾的保護(hù)措施，并且于2020年進(jìn)行并頭黃芩和白色花冠并頭黃芩的調(diào)查及取樣研究。

生境調(diào)查通過實(shí)地踏查收集海拔、分布范圍、株高及群落組成特征等資料。在實(shí)驗(yàn)室完成植物生理生化指標(biāo)的檢測，黃酮類物質(zhì)用分光光度計(jì)法測定，葉綠素含量用日本產(chǎn)SPAD-502Plus葉綠素測定儀測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 生境調(diào)查

在資料查詢的基礎(chǔ)上，采用野外實(shí)地踏查對(duì)白色花冠的并頭黃芩生境及物候期進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。白色花冠并頭黃芩發(fā)現(xiàn)于海拔1450 m的山地林緣（圖2），下坡位，坡向東北，坡度20°，土壤為林下褐土，伴生植物有老鸛草(Geranium wilfordii)、賴草(Aneurolepidium dasystachys)、青蒿(Artemisia carvifolia)、豬秧秧(Galium aparine var.tenerum)、繡線菊(Spiraea salicifolia)等，群落高度40～60 cm。在白色花冠并頭黃芩分布點(diǎn)的周圍林下草地及坡底草地、草甸就有藍(lán)紫色花冠的原變種并頭黃芩分布，距離約20 m。

圖2 白色花冠并頭黃芩生境

3.2 莖、葉、根

從圖3野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果看株高分布，并頭黃芩株高分布范圍30～70 cm，白色花冠并頭黃芩株高分布范圍40～60 cm。2種黃芩在平均株高分布上沒有明顯差異；并頭黃芩標(biāo)準(zhǔn)差大于白色花冠并頭黃芩，歸因于白色花冠并頭黃芩數(shù)量較少和分布集中。

圖3 株高分析

并頭黃芩莖分枝較少、長勢較粗壯，白色花冠并頭黃芩莖分枝多、較細(xì)弱；并頭黃芩葉片顏色深綠色，白色花冠并頭黃芩葉片顏色呈淺綠色；并頭黃芩根莖斜生，側(cè)根少且粗壯；白色花冠并頭黃芩根莖較直，側(cè)根多且細(xì)長（圖4）。

3.3 花

白色花冠并頭黃芩與并頭黃芩主要差別在花冠顏色，其他特征較為一致（圖5）。白色花冠并頭黃芩花期6—8月，花單生于莖上部的葉腋內(nèi)，成對(duì)生長偏向一側(cè)，有花梗；花萼被短柔毛及緣毛。花冠白色，長2～2.2 cm，外面被短柔毛，內(nèi)面無毛；冠筒基部淺囊狀膝曲，寬約2 mm，向上漸寬，至喉部寬約6 mm；冠檐2唇形，上唇盔狀，內(nèi)凹，先端微缺，下唇中裂片圓狀卵圓形，先端微缺，最寬處約7 mm，兩側(cè)裂片卵圓形，先端微缺，寬約2.5 mm。雄蕊4，均內(nèi)藏，前對(duì)較長，具能育半藥，退化半藥明顯，后對(duì)較短，具全藥，藥室裂口具髯毛；花絲扁平，前對(duì)內(nèi)側(cè)后對(duì)兩側(cè)下部被疏柔毛。花柱細(xì)長，先端銳尖，微裂。

圖5 花的對(duì)比

3.4 種子

白色花冠并頭黃芩與并頭黃芩的種子近似（圖6）。白色花冠并頭黃芩子房4裂，裂片近等大，子房內(nèi)含種子1～3粒，稀4粒；種子小堅(jiān)果型，單生，褐色或黑色，橢圓形，堅(jiān)硬外殼具瘤狀突起，腹面近基部具果臍。果期8—9月。

圖6 種子的對(duì)比

3.5 黃酮類物質(zhì)和葉綠素含量測定

由表1可見，白色花冠并頭黃芩葉綠素含量略低于同屬品種。并頭黃芩作為一種藥用植物，主要有效成分是黃酮類化合物，包括黃芩素、黃芩新素（黃芩黃酮Ⅱ）、黃芩甙、漢黃芩素、漢黃芩甙、木蝴蝶素、7-甲氧基黃芩素、黃芩黃酮Ⅰ、二氫木蝴蝶素A等[4-6]。通過對(duì)植株黃酮類化合物的測定，白色花冠并頭黃芩黃酮類物質(zhì)含量約是并頭黃芩原種的1.4倍，具有很好的藥用開發(fā)利用潛力。

表1 葉綠素及黃酮含量

3.6 白色花冠并頭黃芩特征總結(jié)與分析

3.6.1 白色花冠并頭黃芩特征總結(jié) 通過近3年的調(diào)查和測定可見，白色花冠并頭黃芩與分布在附近的并頭黃芩在花冠顏色上有明顯差異，可以穩(wěn)定遺傳；白色花冠并頭黃芩葉片顏色稍淡，葉綠素含量略低于原變種；黃酮類物質(zhì)含量約為原變種的1.4倍；白色花冠并頭黃芩分枝多、較細(xì)弱，側(cè)根多且細(xì)長，也與附近并頭黃芩分枝和側(cè)根少且粗壯有差別。

白色花冠并頭黃芩根莖近直伸，節(jié)上生須根。莖直立，高40～60 cm，四棱形，基部粗1～2 mm，稍帶紫色，在棱上疏被上曲的微柔毛，具多數(shù)短的分枝。葉具1～3 mm的短柄，腹凹背凸，被小柔毛；葉片三角狀狹卵形，長1～4 cm、寬0.4～1.5 cm，先端微尖，基部淺心形，邊緣具淺銳齒，上面綠色，無毛，下面較淡，沿中脈及側(cè)脈疏被小柔毛，具多數(shù)凹點(diǎn)，側(cè)脈3～5對(duì)，上面凹陷，下面明顯凸起?；ㄒ干?，成對(duì)生長偏向一側(cè)；花梗長2～4 mm，被短柔毛，近基部有一對(duì)長約1 mm的針狀小苞片。花萼開花時(shí)長3～4 mm，被短柔毛及緣毛，盾片高約1 mm，果時(shí)花萼長4～5 mm，盾片高2 mm?；ü诎咨?，長2～2.5 cm，外面被短柔毛，內(nèi)面無毛；冠筒基部淺囊狀膝曲，寬約2 mm，向上漸寬，至喉部寬約6 mm；冠檐2唇形，上唇盔狀，內(nèi)凹，先端微缺，下唇中裂片圓狀卵圓形，先端微缺，最寬處約7 mm，兩側(cè)裂片卵圓形，先端微缺，寬約2.5 mm。雄蕊4，內(nèi)藏，前對(duì)較長，具能育半藥，退化半藥明顯，后對(duì)較短，具全藥，藥室裂口具髯毛；花絲扁平，前對(duì)內(nèi)側(cè)后對(duì)兩側(cè)下部被疏柔毛。花柱細(xì)長，先端銳尖，微裂。花盤前方隆起，后方延伸成短子房柄。子房4裂，裂片近等大。種子褐色或黑色，橢圓形，長約1.5 mm、徑約1 mm，堅(jiān)硬外殼具瘤狀突起，腹面近基部具果臍。花期6—8月，果期8—9月。

3.6.2 分析 經(jīng)過資料查詢及走訪詢問當(dāng)?shù)鼐用?，均未查詢到白色花冠并頭黃芩的資料；通過網(wǎng)上關(guān)鍵詞查詢中外文資料也沒有白色花冠并頭黃芩的信息記錄。從3年實(shí)地踏查的結(jié)果看，白色花冠并頭黃芩分布集中、遺傳穩(wěn)定，沒有其他雜合體的出現(xiàn)，白色花冠并頭黃芩種群分布特征和數(shù)量不符合隱性基因表達(dá)的遺傳規(guī)律。

白色花冠并頭黃芩與《中國植物志》、《河北植物志》報(bào)告的4種并頭黃芩變種——并頭黃芩微柔毛變種、并頭黃芩霧靈山變種、并頭黃芩喜沙變種、并頭黃芩多毛變種有明顯差異，已有變種及新變種與原變種差異見表2。

表2 變種并頭黃芩與原變種特征差異

《中國植物志》和《四川植物志》[7]記錄具有白色花冠的白花黃芩是唇形目唇形科黃芩屬黃芩亞屬頂序黃芩組狹葉黃芩亞組植物，生長海拔約800 m，主要分布于四川中部，除花冠顏色外其他特征與白色花冠并頭黃芩差距明顯。因此，可以認(rèn)為白色花冠并頭黃芩是一個(gè)新變種，可以為花色遺傳變異研究提供一個(gè)新的案例。

4 討論

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物葉色、花色的成色機(jī)理和變色機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，從遺傳學(xué)和基因表達(dá)等方面都有研究結(jié)果和突破，普遍認(rèn)為植物的色彩主要由類黃酮、花青素及胡蘿卜素等化合物來決定，這些主要色素的種類與多寡決定葉片和花的最終顏色表達(dá)。花色的變化是內(nèi)部因素和外部條件共同作用的結(jié)果，內(nèi)部因素主要是生理生化條件改變（花色素組成、色素在花瓣中的空間分布及其對(duì)光的作用、細(xì)胞液pH、花發(fā)育階段和植物激素等變化）或基因突變造成；外部條件包括真菌（病毒）侵染、機(jī)械損傷、園藝措施、光、溫度、水分、礦質(zhì)營養(yǎng)和土壤pH等[8-10]。

依據(jù)調(diào)查資料結(jié)合白色花冠并頭黃芩分布特征和附近原變種的分布情況分析，可以排除外部條件變動(dòng)引起花色改變的情況；另外，白色花冠并頭黃芩從花蕾顯色就表現(xiàn)出白色特征并且穩(wěn)定保持到花落，也排除了由生理生化條件改變造成花色變化的情況；只有白色花冠并頭黃芩是基因突變造成才符合實(shí)地調(diào)查結(jié)果，這也符合花色遺傳變異的一個(gè)研究結(jié)論——花色在藍(lán)紫色與白色間易出現(xiàn)突變[11-15]。

其次，花青素是植物類黃酮次生代謝途徑的產(chǎn)物，是一種天然水溶性色素，以花色苷的形式存在，它使花、果實(shí)、種子、根等器官呈紅色、藍(lán)色、紫色、藍(lán)紫色等[16-17]。白色花瓣的色素是存在于花瓣中的極淺的黃色色素類黃酮造成的，一些研究結(jié)論表明白色花不含花青素或含量極低。如白色花僅含有黃酮類化合物[18]，芍藥花色素的組成特點(diǎn)芍藥花瓣中類黃酮的組成和含量在品種間差異明顯，尤其在不同色系之間，但差異主要集中在花青苷含量上，白色和黃色品種不含或含有微量的花青苷[19]。由以上研究結(jié)果結(jié)合并頭黃芩新變種含有極高的黃酮類物質(zhì)卻不能轉(zhuǎn)化成花青素，可以推論白色花冠并頭黃芩由黃酮類物質(zhì)轉(zhuǎn)化成花青素的過程受阻或中斷；由于參與花青素合成的途徑和物質(zhì)多樣[20-23]，新變種花青素合成具體是由直接參與合成過程的酶類、激素等轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子影響，還是受LBD基因的負(fù)調(diào)控影響尚待深入研究確定。

另外，葉片顏色稍淡、葉綠素含量低與黃酮類物質(zhì)濃度升高有關(guān)。植物葉片的顏色與葉綠素、類黃酮、花青素等的濃度組成有關(guān)。有研究表明，葉綠素與類黃酮類物質(zhì)含量的變化顯著相關(guān)[24-25]；葉綠素含量分別與類胡蘿卜素、花青苷和類黃酮極顯著負(fù)相關(guān)[26]；干旱處理后，早生葉總?cè)~綠素顯著下降了18.7%、花青苷和類黃酮相對(duì)含量分別顯著升高了37%和7.4%[27]，由上述研究結(jié)論可知，白色花冠并頭黃芩比原變種葉片顏色淡、葉綠素含量低是黃酮類物質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于原變種的結(jié)果。

綜上推斷，白色花冠并頭黃芩由于基因突變造成花青素合成受阻，并且產(chǎn)生一系列區(qū)別于原變種的性狀特征，體現(xiàn)了基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性和復(fù)雜性。新變種的發(fā)現(xiàn)為花色遺傳變異研究提供了一個(gè)新的案例，有助于研究花色的遺傳變異。

5 結(jié)論

經(jīng)過資料查詢及走訪咨詢均未查詢到白色花冠并頭黃芩的資料，白色花冠并頭黃芩種群分布特征不符合隱性基因表達(dá)的遺傳規(guī)律，也沒有其他雜合體的出現(xiàn)，且與4個(gè)已記錄變種及白花黃芩有明顯差別，因此，可以認(rèn)為白色花冠并頭黃芩是一個(gè)新變種，命名為白花并頭黃芩(Scutellaria scordifolia var.white corolla)。