杜鵑花科研究熱點綜述

陳儷心，楊旭，李鶴，戴曉勇*，楊成華

(1.四川省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都 610081；2.貴州省林業(yè)科學研究院，貴州 貴陽 550005)

杜鵑花科(Ericaceae)約由125多個屬4000多個種組成，除南極洲外，分布于赤道到北緯80°以上的所有大陸，是世界上除了低海拔熱帶雨林和沙漠以外的許多地區(qū)植被的重要組成部分[1]。傳統(tǒng)研究認為，杜鵑花科植物很可能起源于岡瓦納古陸，并從非洲直接遷移到南美洲，在晚中新世南北美洲相連時長距離遷移擴散至北美洲[2]。分子系統(tǒng)發(fā)育研究方法認為，杜鵑花科很有可能起源于勞亞古陸，其中越桔亞科和杜鵑花亞科很可能起源于北美洲[3]。全世界對杜鵑花科植物的研究主要集中在分類、菌根多樣性及分布、化學成分和應用價值等方面。

1 杜鵑花科分類研究

杜鵑花科分類學研究是認識、利用和保護杜鵑花科植物的基礎。在1993年之前，杜鵑花科分類主要基于傳統(tǒng)的“進化分類學”方法，這主要取決于人為規(guī)定的特定特征。在這類研究中，杜鵑花科的核心類群劃分基本被研究者認同，但一些邊緣類群，如鹿蹄草類(Pyroloids)和水晶蘭類(Monotropoids)劃分存在爭議[1,4-5]。在傳統(tǒng)分類研究中，被廣泛接受的有Hooker、Drude和Stevens(表1)的分類[1,6-7]。20世紀末，隨著分子生物學的發(fā)展與進步，越來越多學者開始運用分子生物學手段來研究杜鵑花科及其相關類群的分類[8-13]，具有代表性的是Kron的分類。

表1 杜鵑花類群的代表性分類

續(xù)表1 杜鵑花類群的代表性分類

由于杜鵑花科類群龐大而復雜，大量的新分類群仍在被發(fā)現(xiàn)，原有分類體系也在不斷修正。總的來說，以往杜鵑花分類研究主要基于形態(tài)學的傳統(tǒng)分類方法，這類方法強調(diào)某些視覺上的形態(tài)學特征，特別是生殖形態(tài)學的特征。其中，Drude的分類系統(tǒng)目前被廣泛沿用，中國植物志的杜鵑花科部分亦主要采納該系統(tǒng)。國內(nèi)的杜鵑花科物種鑒定及分類主要參考中國植物志，例如，貴州和四川的杜鵑花科植物的新種或新記錄[14-17]。基于形態(tài)學的傳統(tǒng)分類方法更加直觀、簡便，但偏于主觀。相較而言，基于分子生物學的現(xiàn)代分類方法，可以將形態(tài)變化的模式追溯到類群發(fā)育上，有利于更好地理解形態(tài)特征變化的模式。當前大多數(shù)杜鵑花科各類群的分類和物種鑒定研究都綜合了分子和形態(tài)學證據(jù)的分類方法[18-20]。新的分子生物學技術(例如下一代測序(NGS)技術)的進步與擴大應用，將持續(xù)促進國內(nèi)外杜鵑花分類研究。

2 杜鵑花類菌根研究

廣義的杜鵑花類，包含杜鵑花科以及鹿蹄草類(Pyroloids)和水晶蘭類(Monotropoids)的多數(shù)植物，對菌根營養(yǎng)有強烈依賴性，其與一些真菌形成杜鵑花類菌根，這些菌根在杜鵑花類植物的生長發(fā)育中扮演著重要角色。目前關于杜鵑花類菌根的研究主要集中在根菌的多樣性和地理分布等方面[21]。

2.1 杜鵑花類菌根真菌的多樣性

大多數(shù)杜鵑花類植物的根系與一些真菌形成內(nèi)生的杜鵑菌根(Ericoid mycorrhiza，ERM)。ERM真菌具有高度多樣性，主要包括子囊菌(Ascomycetes)、脂類和非脂類擔子菌(Basidiomycetous)的真菌。

2.1.1 子囊菌

在子囊菌中，Rhizoscyphusericae[22-23]是第一個被鑒定和被實驗證實的杜鵑花類根菌。隨著分子和系統(tǒng)發(fā)育方法的進步，更多的菌類被分離出來且被認為與R.ericae密切相關，被稱為R.ericae復合體(例如，Meliniomycesvariabilis、Meliniomycesbicolor和Cadophorafinlandica)。而后被鑒定為杜鵑花類根菌的第二個類群是子囊菌類的樹粉孢屬Oidiodendron[24]。此外，子囊菌類中的其他非R.ericae復合體的真菌也被證明可以形成功能性ERM，例如，Acremoniumstrictum和Phialocephala-Acephala復合體成員[25]；Leohumicola屬和Capronia屬也陸續(xù)被實驗證明可以與ERM植物形成菌絲圈，但由于沒有發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)交換的功能性過程，這些真菌被認為是假定 ERM根菌[26-27]?？傊芏嘧幽揖伎赡苡行纬蒃RM的潛力。

2.1.2 擔子菌

基于觀察和熒光染色實驗以及同位素標記方法，Clavulinasp.是第一個被發(fā)現(xiàn)并證明的ERM擔子菌[28-29]。后來許多基于分子方法、超微結構觀察的研究結果表明， Sebacinales類真菌是ERM植物根的常見共生擔子菌[30]，但是在很多研究中這些物種沒有在純培養(yǎng)中成功分離出來，因此該類群被長期認為是假定ERM真菌。直到Vohník等的實驗研究顯示，Sebacinales的B組真菌能夠從杜鵑花科植物中分離出，并且能與一些杜鵑花科植物形成菌根，表明它們在杜鵑花科寄主中具有廣泛的內(nèi)生潛力[31]。后來，Vohník等發(fā)現(xiàn)與Trechisporales有親緣關系的擔子菌物種與挪威的越桔屬物種共生，盡管沒有營養(yǎng)交換的結論性證據(jù)，但分離株確實促進了體外植物生長，這一發(fā)現(xiàn)極大地拓寬了假定ERM根菌的系統(tǒng)發(fā)育范圍[32]，但諸如此類的研究結果也表明，杜鵑花類根菌功能分類之間的界限十分模糊[33-35]。

2.2 杜鵑花類菌根真菌的生物地理學

南半球的杜鵑花類根菌的生物地理學研究較少。南非的杜鵑花類菌根真菌的一些早期研究表明：高山硬葉灌木群落(Fynbos)中ERM相關真菌主要是子囊菌，包括樹粉孢屬(Oidiodendron)的某些物種和柔膜菌(Helotiales)，但不包括R.ericae。Bruzone等首次報告了巴塔哥尼亞西北部兩種白珠樹屬(Gaultheria)的菌根真菌，擴大了南半球可用數(shù)據(jù)的地理范圍[36]。澳大利亞尤其缺乏相關研究，目前研究表明在澳大利亞與杜鵑花類共生的子囊菌主要是R.ericae復合體以外的Helotialean物種和一些Oidiodendronmaius相關種類[21]。

北半球有相當多的杜鵑花類菌根研究，一些ERM根菌的全球地理模式也開始出現(xiàn)。例如，擔子菌類的Sebacinales被越來越多地確定為北美和新熱帶地區(qū)ERM相關真菌群落的主要成分，并且Setaro & Kron 報告了這些地區(qū)的ERM與Sebacinales之間的密切系統(tǒng)發(fā)育關系，預示了可能的協(xié)同進化。相比之下，子囊菌類的Rhizoscyphusericae復合體物種，包括R.ericae和Meliniomycesvariabilis，則作為ERM根菌廣泛分布在北方和亞北極生境以及歐亞大陸的大部分溫帶地區(qū)。子囊菌類的Oidiodendronmaius雖然不是某個地區(qū)的優(yōu)勢共生菌，卻似乎是一個世界性物種，已在澳大利亞、南非、中國和美國等國的研究中發(fā)現(xiàn)。此外，還有很多缺乏數(shù)據(jù)的ERM根菌，如Chaetothyriales或Helotiales物種，還需要更多相關研究，以全面了解ERM根菌的全球生物地理狀況[37]。

綜上所述，杜鵑花類根菌研究仍存在許多未解決的疑問，特別是在杜鵑花類根菌的多樣性和分布模式方面。因此，未來需要在更多區(qū)域，綜合生理、基因、蛋白層面的技術手段，對杜鵑花類根菌的功能生態(tài)學和功能多樣性進行進一步研究，深入挖掘其作用機制，以更好地發(fā)展菌根技術，促進在杜鵑花類植物的生態(tài)保護和園藝培育方面的應用。

3 杜鵑花科化學成分和生物活性研究

3.1 化學成分

杜鵑花科植物所含化學成分，目前研究較多的是四環(huán)二萜類化合物，也含有少量揮發(fā)油類、酚類、黃酮類、鞣質(zhì)等。根據(jù)不同的結構類型，可將這些萜類化合物的絕大多數(shù)分為木藜蘆烷類(Grayanane)、木藜蘆酚類、二萜甙和雙苯基黃酮甙等，其中最重要的是木藜蘆烷類，杜鵑花科毒素多屬此類，該類物質(zhì)也主要在杜鵑花科中發(fā)現(xiàn)。杜鵑花屬植物中分離和鑒定出多種次生代謝物，包括單萜、倍半萜、二萜、三萜、類固醇、香豆素和類黃酮以及其他成分，大多數(shù)是類黃酮，其次是二萜[38]。越桔屬植物中主要代謝物是苯類化合物、苯丙素類化合物和黃酮類化合物，黃酮類化合物主要活性成分包括花色素、黃烷醇、前花色素(Proanthocyanidines)和懈皮素類成分。越桔屬的香豆素和酚性化合物類也較多。此外，越桔屬植物的果實中也富含維生素、氨基酸、糖類、有機酸、長鏈烷烴和各種礦質(zhì)元素等營養(yǎng)成分[39-40]；草莓樹屬的植物含有花色素苷、環(huán)烯醚萜類、酚類、三萜類、甾醇類和脂肪酸等化合物，同時果實和樹葉中含有植物素(Phyto-chemicals)、糖類和礦物質(zhì)[41]。

3.2 生物活性

3.2.1 藥性

杜鵑花科的多個屬的植物含有的木藜蘆烷型二萜類化合物具有明顯的鎮(zhèn)痛、抗腫瘤、抗病毒、抗害、抗炎、拒食、生長抑制、殺蟲、免疫調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)細胞對離子的通透性等生物活性。杜鵑花屬的一些植物的某些化學成分具有抑制NO產(chǎn)生的活性(如爆杖花Rhododendronspinuliferum中提取的色酮糖苷)、抗HIV活性(如興安杜鵑R.dauricum的葉和嫩枝中提取的MeOH)、組胺釋放抑制活性、酪氨酸酶抑制活性、抗炎和鎮(zhèn)痛活性、鈉離子通道拮抗活性以及抗氧化活性[38]。越桔屬的一些植物的某些化學成分具有抗氧化活性、抗菌活性和利尿活性、抗糖尿病活性、干擾細菌毒力活性、抗癌抗心血管疾病活性、降脂活性和抗壞血病活性[40]。草莓樹屬(Arbutus)的一些植物具有抗氧化、抗炎、抗增殖、抗糖尿病和抗微生物活性[41]。

3.2.2 毒性

杜鵑花科植物是含萜類化合物的最豐富的類群之一，包括三萜類化合物、多萜類化合物，二萜類化合物，特別是木藜蘆烷型(grayanane)二萜類化合物。木藜蘆烷型二萜類化合物是最重要的有毒成分，集中于杜鵑花屬、馬醉木屬、山月桂屬、珍珠花屬、木藜蘆屬和金葉子屬等少數(shù)幾個屬的有毒植物之中[42]；木藜蘆烷類毒素屬于心臟神經(jīng)系統(tǒng)毒素，它們直接作用于心臟，既能增加心肌收縮力，也對心臟有觸發(fā)活性而產(chǎn)生快速心律失常以致抑制心臟跳動而死亡的作用；木藜蘆烷類毒素也可作用于細胞膜膽堿受體的離子調(diào)節(jié)部位，有可逆地去極化激活作用，特異性地增加心肌、肌梭等部位的神經(jīng)細胞和肌肉細胞靜息膜對Na+通透性，提高細胞膜內(nèi)Na+濃度，從而影響神經(jīng)沖動傳導，因此對心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)有不利影響。杜鵑花屬某些植物中的紅藻毒素(Rhodomolins)、鬧羊花素(Rhodojaponin III) 和印楝素(Azadirachtin)也具有細胞毒性[38]。

總的來說，杜鵑花科的多個類群的化學成分都具有多種生物活性，此類研究具有良好的藥物開發(fā)或者生物農(nóng)藥應用前景。但是，目前各類化學成分的研究都不夠完善，藥理與臨床實驗不夠系統(tǒng)深入，限制了毒性控制和新藥研發(fā)，因此未來需要分離更多具有生物活性的化合物，并深入探究各種化學成分的藥理和毒理作用機制，促進杜鵑花植物的藥用價值實現(xiàn)。