傘形科根莖類藥用植物早期抽薹的研究進(jìn)展

梁 婕，王 輝，睢 寧

（浙江中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，杭州 310053）

0 引言

中國有傘形科植物100屬610余種[1]，廣泛分布于云南、四川、甘肅等地。傘形科藥用植物大多為傳統(tǒng)中藥材，約占傘形科總屬數(shù)的65%。傘形科藥用植物用藥部位多樣，其中以根及根莖類入藥的占絕大多數(shù)，種類達(dá)100余種[2]。傘形科藥用植物中含多種藥用成分，常見傘形科藥用植物，如白花前胡、白芷、防風(fēng)具有清熱解毒、舒筋止痛的功效，在臨床上主要用于治療心腦血管等疾病[1]。

傘形科藥用植物早期抽薹難題一直困擾著中藥材生產(chǎn)。在生產(chǎn)栽培過程中由于大量營養(yǎng)物質(zhì)的積累以及外界環(huán)境影響，傘形科藥用植物在前1～3年提前抽薹開花，嚴(yán)重時(shí)抽薹率達(dá)到80%以上，肉質(zhì)根木質(zhì)化，植物根系變柴、空心，藥用有效成分含量降低，由此給中藥材生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3]。在抽薹過程中內(nèi)源激素會(huì)發(fā)生改變以調(diào)節(jié)生長發(fā)育，如春蘿卜赤霉素含量在抽薹過程中存在明顯峰值[4]，百合小鱗莖抽薹也受到赤霉素的影響[5]。筆者對傘形科根莖類藥用植物早期抽薹過程中內(nèi)源激素生理生化機(jī)理機(jī)制進(jìn)行歸納整理，旨在為解決傘形科根莖類藥用植物早期抽薹提供理論參考。

1 抽薹現(xiàn)象

1.1 花芽分化過程

傘形科根莖類藥用植物抽薹在花芽分化[6]過程中開始。植物學(xué)家通過研究光周期誘導(dǎo)、春化作用以及內(nèi)源激素與外源調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物體中的作用機(jī)制，進(jìn)一步提出誘導(dǎo)植物抽薹開花的多因子模型。在光周期途徑中，植物抽薹開花受到DNA甲基化的調(diào)控[7]，而Constans(CO)基因能夠直接激活并促進(jìn)下游基因Flowering locus T(FT)的表達(dá)[8]，加速植物抽薹開花。高等植物體內(nèi)普遍存在Phy異構(gòu)體(PhyA～PhyE)[9]，PhyA在一定條件下能夠誘導(dǎo)植物開花基因表達(dá)[10]，可能引起植物提前抽薹開花。

溫度是植物開花的重要信號。與植物開花時(shí)間的相關(guān)基因中，F(xiàn)lowering locus C(FLC)的超表達(dá)或過表達(dá)會(huì)起到抑制植物開花的效果[11]，Supperssor of co overexpression 1(SOC1)與FT則作為成花促進(jìn)因子。經(jīng)過低溫誘導(dǎo)，基因附近的組蛋白被修飾，F(xiàn)LC停止表達(dá)，升溫后植物將發(fā)生抽薹[12]。研究表明，在春化作用中花期調(diào)節(jié)也受到DNA甲基化的影響[13]。Burn等[14]認(rèn)為春化能夠促進(jìn)DNA的去甲基化，使FLC基因沉默，啟動(dòng)促春化基因的表達(dá)，誘導(dǎo)植物提前抽薹開花。Finnegan等[15]通過對反義轉(zhuǎn)基因植物的研究證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

1.2 抽薹生理過程

傘形科根莖類藥用植物抽薹大致可分為未分化期、花序原基分化期、花序分化期、花器官原基分化期。未分化期時(shí)，植物體內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)均勻分布，細(xì)胞器的數(shù)量較少，分化程度低。完成分化后，開始進(jìn)入生殖生長階段，植物體內(nèi)的分生組織細(xì)胞分裂活動(dòng)加劇，細(xì)胞器數(shù)量明顯增多，體內(nèi)的糖代謝、氮代謝活躍，同時(shí)有較多蛋白體和脂肪小液滴生成[16]，此時(shí)游離氨基酸、可溶性糖等含量增加，生長代謝十分旺盛。植物進(jìn)入花序分化時(shí)期，生殖生長基本完成，復(fù)傘形花序初見雛形。到花器官原基分化時(shí)期，花序原基、總苞等最終將形成花瓣、花萼、雌蕊和雄蕊，完成抽薹開花過程。抽薹是傘形科根莖類藥用植物走向成熟的過程，此時(shí)植物體內(nèi)的細(xì)胞器發(fā)育成熟，外觀形態(tài)發(fā)生變化。

早期抽薹即在營養(yǎng)體未充分長成前就抽薹開花，提前從營養(yǎng)生長向生殖生長狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。發(fā)生早期抽薹后單株干質(zhì)量、體內(nèi)可溶性糖和蛋白質(zhì)含量減少，而游離氨基酸含量、過氧化物酶(POD)活性增加[17-19]，進(jìn)而導(dǎo)致積累的次生代謝產(chǎn)物被逐漸消耗，嚴(yán)重影響傘形科根莖類藥用植物的產(chǎn)量和品質(zhì)形成[20]。未熟早薹現(xiàn)象在防風(fēng)[21]、當(dāng)歸[22]、白花前胡[23]等多年生根莖類傘形科藥用植物中普遍存在。

1.3 抽薹條件

在傘形科根莖類藥用植物個(gè)體發(fā)育階段改變溫度或光照任一條件，都會(huì)對傘形科根莖類藥用植物抽薹產(chǎn)生影響。溫度主要通過春化作用來調(diào)節(jié)花期。低溫處理能加速菜薹提前抽薹開花，延長低溫處理時(shí)間對促進(jìn)抽薹開花影響將更顯著[24]。這與低溫春化提高植物體內(nèi)可溶性糖、游離氨基酸以及相關(guān)酶的活性及基因表達(dá)相關(guān)[25]。多年生傘形科根莖類藥用植物個(gè)體達(dá)到一定生育階段，才具備感受低溫春化作用的能力，而低溫能夠促進(jìn)合成赤霉素(GA3)，因此GA3可作為一些植物對春化需求的替代品[26]。生長素(IAA)能夠通過信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)GA3合成基因的表達(dá)，促進(jìn)GA3的合成[27]。因GA3和脫落酸(ABA)同源于甲羥戊酸(MVA)，有共同的合成前體，主要在根莖等部位合成，所以3種激素在低溫下能夠相互作用共同調(diào)控傘形科根莖類藥用植物生長發(fā)育。

光是植物進(jìn)行生命活動(dòng)不可或缺的環(huán)境因子，植物通過信號傳導(dǎo)將自身所產(chǎn)生的信號物質(zhì)運(yùn)輸?shù)角o尖分生組織，啟動(dòng)決定成花的控制基因。植物抽薹受到光周期的調(diào)控，增加光照時(shí)間會(huì)使晚抽薹白菜抽薹開花時(shí)間提前[28]，這極大地提高了晚抽薹白菜的育種效率。沒有一定的日照長度，植物將始終保持營養(yǎng)生長狀態(tài)[29]。光敏素是光周期現(xiàn)象的主導(dǎo)因子，一定程度上植物體內(nèi)的Phy異構(gòu)體中的PhyA在植物開花過程中受到溫光影響[30-31]。

高溫或延長光周期都將會(huì)對植物生長發(fā)育產(chǎn)生脅迫，使早期抽薹率急劇升高，難以控制。應(yīng)采取有效措施如調(diào)節(jié)光周期或施加外源性激素等方法來抑制傘形科根莖類藥用植物早期抽薹，以免影響傘形科根莖類藥用植物的產(chǎn)量及品質(zhì)，使經(jīng)濟(jì)效益低下。

2 植物內(nèi)源激素的生理作用

植物內(nèi)源激素是指植物體自身合成用于調(diào)節(jié)植物生理狀態(tài)的微量有機(jī)化合物。以赤霉素(GA)、生長素(IAA)、脫落酸(ABA)、細(xì)胞分裂素類(CTK)、乙烯(ETH)、油菜素甾醇類(BR)為代表的內(nèi)源激素在植物生長發(fā)育過程中互相調(diào)節(jié)，共同參與調(diào)控物質(zhì)合成、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等，是植物抽薹開花過程中重要的內(nèi)源調(diào)節(jié)因子[32]。

2.1 植物內(nèi)源激素在植物生長發(fā)育過程中的作用

內(nèi)源赤霉素GA3能夠誘導(dǎo)植物抽薹開花、打破植物休眠，該功能與誘導(dǎo)α-淀粉酶、蛋白酶等水解酶的生成，加速消耗貯藏的營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)[33]。GA3抑制植物由花芽生理分化轉(zhuǎn)化為形態(tài)分化，這在果樹花芽分化研究中得到證實(shí)[34]。IAA是唯一具有極性運(yùn)輸特性的激素，對植物主側(cè)根的生長及花器官的形成影響重大[35]。一般認(rèn)為IAA抑制花芽分化，進(jìn)入花芽分化期包括葉片、根系各部位的IAA含量持續(xù)降低[36]，同時(shí)IAA對形成層分生組織活性具有調(diào)控作用[37]。細(xì)胞分裂素類(CTK)與IAA共同誘導(dǎo)植物細(xì)胞分裂，影響植物花器官的形成，其中CTK在木質(zhì)部中運(yùn)輸?shù)闹饕问绞怯衩姿睾塑語R[38]。BR表現(xiàn)出IAA、GA3的某些特性，參與植物花芽分化和抽薹[39]。ABA又稱應(yīng)激激素，主要具有抗脅迫功能。ABA通過響應(yīng)外界環(huán)境脅迫提高過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性來分解體內(nèi)有害物質(zhì)，增加可溶性糖、蛋白質(zhì)的含量[40]，尤其在低溫脅迫下，ABA與結(jié)合蛋白進(jìn)行信號傳導(dǎo)的能力增強(qiáng)。ABA促進(jìn)植物花芽分化和抽薹，或存在雙重作用[41]，即ABA與GA3拮抗，積累營養(yǎng)物質(zhì)，有利于成花；另一方面ABA又能夠誘導(dǎo)植物休眠使之不能成花。植物體內(nèi)的內(nèi)源激素在生長發(fā)育時(shí)期發(fā)揮至關(guān)重要的作用，形成“信息網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行信號傳導(dǎo)。

2.2 植物內(nèi)源激素調(diào)節(jié)抽薹的生理機(jī)制

植物抽薹開花由各種內(nèi)源激素共同參與調(diào)控，當(dāng)歸、防風(fēng)、白芷等傘形科根莖類藥用植物已展開相關(guān)的研究[42]。內(nèi)源激素作用于開花基因。赤霉素是開花關(guān)鍵信號傳導(dǎo)因子，目前已基本明確赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是GA-GID1-DELLA信號通路[43]，其中DELLA蛋白的降解需要依賴泛素-蛋白酶體降解途徑[44]。在葉片和莖尖分生組織中，DELLA蛋白分別與不同轉(zhuǎn)錄因子互作來調(diào)節(jié)下游開花基因的表達(dá)水平。SPL(squamosa promoter-binding protein-like)與LEAFY(LFY)基因都是編碼植物抽薹開花、參與赤霉素途徑特有的一類轉(zhuǎn)錄因子。赤霉素途徑與miR156-SPL途徑共同參與調(diào)控植物開花[45]，其中LEAFY基因可能通過調(diào)控miR156與SPL3的表達(dá)量來參與植物成花轉(zhuǎn)變。

生長素的分布及信號傳導(dǎo)對藥用植物的品質(zhì)形成至關(guān)重要。IAA在細(xì)胞間動(dòng)態(tài)變化方向與PINFORMED(PIN)蛋白的極性定位相關(guān)[46]。抽薹不僅需要IAA，同時(shí)也需要IAA響應(yīng)因子。特定基因的表達(dá)調(diào)控在生長素的響應(yīng)過程中具有決定性作用。ARF轉(zhuǎn)錄因子可能作為調(diào)控樞紐，聯(lián)絡(luò)不同激素的信號通路。生長素響應(yīng)因子ARFs結(jié)合應(yīng)答元件AuxREs，間接影響開花基因的表達(dá)[47]。生長素響應(yīng)抑制因子Aux/IAAs則是與ARFs直接作用，起到抑制生長素響應(yīng)的作用[48]。ARF5/MONOPTEROS(MP)參與調(diào)控植物抽薹開花[49]，是啟動(dòng)花生長的重要調(diào)節(jié)因子。在高水平的IAA中，MP通過染色質(zhì)重塑參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控，促進(jìn)花原基的啟動(dòng)。PIN1的極化也受到MP的調(diào)控，莖中MP的表達(dá)影響IAA的分布[50]，猜測MP的表達(dá)是植物抽薹過程中的關(guān)鍵因子。

ABA的積累或DELLA蛋白活性的改變是植物早期抽薹開花影響因素之一。在ABA誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄中，ABA信號的負(fù)調(diào)控蛋白因子HAB1和SWI/SNF染色質(zhì)重構(gòu)復(fù)合體的核互作，成為ABA應(yīng)答基因調(diào)控的必要條件。PYR/PYL作為ABA的受體，在揭示ABA的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及其調(diào)控機(jī)制中發(fā)揮著重要作用[51]。調(diào)節(jié)信號通路中的蛋白磷酸酶2Cs(PP2Cs)是ABA信號網(wǎng)絡(luò)中心的“開關(guān)”，PYR/PYL/RCAR的ABA受體[52]通過ABA依賴性方式調(diào)節(jié)PP2C家族中A亞家族成員。組成型光形態(tài)建成1(constitutively photomorphogenic 1，COP1)蛋白也能夠通過調(diào)節(jié)PP2Cs分支影響ABA的信號通路[53]。ABA響應(yīng)基因的脅迫誘導(dǎo)染色質(zhì)重塑狀態(tài)可遺傳至后代，利用各種逆境條件，增加植物體內(nèi)ABA含量，從而抑制IAA、GA3含量可達(dá)到控制植物生長進(jìn)程，抑制花芽的分化、抽薹的目的。

3 抽薹對根系生長的影響

3.1 根系生長結(jié)構(gòu)變化

根系生長因早期抽薹受到一定的限制且對根系形態(tài)結(jié)構(gòu)有較大影響[54]。傘形科植物根系屬直根系，主根表面具有由許多散生皮孔分泌的揮發(fā)油類等成分，具有降血壓、鎮(zhèn)靜、解痙的效果[55]。因抽薹后期生長中心由地下轉(zhuǎn)移到地上，根系中的有效營養(yǎng)成分被逐漸消耗，藥用活性成分明顯減少，木質(zhì)部主要表現(xiàn)出嚴(yán)重的纖維化，次生木質(zhì)部和韌皮部面積比例減小[56]，薄壁細(xì)胞木質(zhì)化的同時(shí)數(shù)目減少。

未抽薹當(dāng)歸根系中的次生韌皮部和次生木質(zhì)部的比例為2:1，抽薹后比例則變?yōu)?:10[16]。此外，雖然當(dāng)歸在抽薹過程中根部干物質(zhì)的積累隨當(dāng)歸生長生殖在后期保持增加趨勢，但當(dāng)歸過早抽薹，根部干物質(zhì)被逐漸消耗，則呈現(xiàn)干枯柴性大、斷面綠褐色的現(xiàn)象，不可入藥。白芷在抽薹前韌皮部外側(cè)有裂縫，導(dǎo)管呈放射狀分布[57]，抽薹后根部多呈海綿狀或空心，主要存在于根部分泌結(jié)構(gòu)中的揮發(fā)油成分明顯減少。白花前胡有無抽薹在根系結(jié)構(gòu)與藥用活性成分上也存在顯著差異[58]。在生產(chǎn)過程中，早期抽薹一旦發(fā)生便會(huì)造成大幅度減產(chǎn)，及時(shí)解決早期抽薹問題，對根莖類藥用植物的產(chǎn)量及品質(zhì)形成十分關(guān)鍵。

3.2 根系物質(zhì)代謝變化

植物體內(nèi)糖類物質(zhì)含量與早期抽薹關(guān)系密切，高糖水平加速花芽分化，根系物質(zhì)代謝變化，誘導(dǎo)植物抽薹開花[17]。吲哚乙酸氧化酶和淀粉磷酸化酶主要參與調(diào)控植物糖代謝，為植物花芽分化和抽薹開花提供能量，抽薹后的淀粉磷酸化酶活躍，吲哚乙酸氧化酶活性則明顯降低。

植物體內(nèi)游離氨基酸的含量在一定程度上能夠反映氮代謝變化。可溶性蛋白質(zhì)與游離氨基酸的含量在當(dāng)歸由營養(yǎng)生長狀態(tài)向生殖生長狀態(tài)轉(zhuǎn)化過程中呈上升趨勢[59]，可能與花芽分化過程中蛋白質(zhì)合成代謝加強(qiáng)有關(guān)。當(dāng)歸抽薹開花結(jié)束后蛋白質(zhì)有所消耗，因此在抽薹開花過程中可溶性蛋白質(zhì)與游離氨基酸的含量略有下降。抽薹植株各部位可溶性蛋白磷比值較高，說明蛋白質(zhì)多以磷酸化形式在抽薹過程中出現(xiàn)[34]。

提高過氧化氫酶(CAT)與過氧化物酶(POD)活性能夠增強(qiáng)植物提供抗氧化能力。CAT作為保護(hù)性酶，能加速植物體內(nèi)有害物質(zhì)H2O2分解，保證植物體正常生命代謝。POD是過氧化物酶體的標(biāo)志酶，IAA的氧化與POD的活性有關(guān)[60]，能夠介導(dǎo)乙烯(ETH)的合成，抑制植物開花。在抽薹過程中POD與CAT活性始終保持較高水平，參與催化體內(nèi)多種反應(yīng)的發(fā)生。

3.3 根系激素變化

比較不同傘形科根莖類藥用植物不同器官中的激素含量，發(fā)現(xiàn)PIN-FORMED(PIN)家族成員在抽薹開花過程中調(diào)節(jié)IAA，對根系中生理生化物質(zhì)的影響顯著[61]。將防風(fēng)在抽薹過程中不同部位內(nèi)源激素含量的動(dòng)態(tài)變化[62]對比分析發(fā)現(xiàn)，根系中的GA3與ABA含量最低，IAA含量為中等水平。這是由于幼嫩葉片和頂端分生組織代謝產(chǎn)生的大部分營養(yǎng)物質(zhì)被運(yùn)輸至基部如發(fā)育中的根等貯藏器官[63]，所以根系中IAA含量較葉片中IAA含量高。通過KEGG通路富集[33]分析發(fā)現(xiàn)，GA3響應(yīng)的差異表達(dá)基因富集于GA3與IAA通路，長鏈非編碼RNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控可能連接GA3與IAA通路。相同生長時(shí)期，當(dāng)歸中根的GA3含量較高[64]，其他研究中同樣發(fā)現(xiàn)未抽薹當(dāng)歸根系中赤霉素GA3含量較高[65]。由于根系中的GA3分布不均，根系作為儲藏營養(yǎng)物質(zhì)的主要部位，在發(fā)生抽薹生長后便通過葉柄轉(zhuǎn)運(yùn)至葉片中，進(jìn)一步得出GA3含量的增加有利于當(dāng)歸的抽薹的結(jié)論[66]。在水稻研究中，“APC/CTE系統(tǒng)塑造水稻株型”概念被提出[67]，發(fā)現(xiàn)根生長關(guān)鍵促進(jìn)因子OsSHR1發(fā)揮作用是以ABA為主要內(nèi)源激素來參與信號傳導(dǎo)、基因調(diào)控過程的。根系中內(nèi)源激素的變化涉及基因表達(dá)、表觀遺傳等，利用不同測定方法能夠較直觀地比較出內(nèi)源激素含量上的差別，但對于根系內(nèi)激素變化機(jī)理則需進(jìn)一步挖掘。

3.4 根系藥用成分變化

傘形科根莖類藥用植物根系中藥用成分為香豆素、色原酮、多糖類、揮發(fā)油等[68]，主要分布于皮部及次生韌皮部的油室中，可用于藥用植物的綜合品質(zhì)評價(jià)。發(fā)生早期抽薹后，植物根系次生生長異常會(huì)產(chǎn)生大量的揮發(fā)油，但無油室可供貯藏，以致根系的柴性增強(qiáng)，品質(zhì)大大降低。調(diào)查不同產(chǎn)地的正品防風(fēng)發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)油主要成分均為人參醇，且含量相似，占揮發(fā)油總量的50%左右。根系側(cè)枝中的色原酮類成分含量較高，但抽薹后防風(fēng)色原酮類成分含量急劇下降，4種色原酮類成分含量僅為抽薹前含量的10%[69]，抽薹防風(fēng)的解熱作用只有未抽薹防風(fēng)的50%左右，鎮(zhèn)痛作用同比下降70%～80%。多糖類藥用成分因早期抽薹植物體內(nèi)不同部位含量也發(fā)生了改變[70]。未早薹當(dāng)歸根系中的多糖含量隨生長發(fā)育不斷增加，葉片為供應(yīng)根系營養(yǎng)物質(zhì)，多糖含量呈遞減趨勢。早薹當(dāng)歸根系中多糖含量基本保持穩(wěn)定，葉片中多糖含量則呈現(xiàn)先減后增的趨勢。

不同生長發(fā)育時(shí)期，藥用植物的藥用活性成分存在高度動(dòng)態(tài)性，其藥效也會(huì)受到藥用成分動(dòng)態(tài)變化的影響。白花前胡維管形成層以外部分的香豆素類成分總含量最高，主根部分次之，維管形成層以內(nèi)部分以及葉片中的香豆素含量較低[23]。由于白花前胡內(nèi)在基因表達(dá)發(fā)生改變，香豆素生物合成的關(guān)鍵酶受到影響，從而導(dǎo)致白花前胡抽薹后有效成分含量發(fā)生差異，降低了白花前胡的藥效[71]。

4 展望

當(dāng)前對傘形科根莖類藥用植物早期抽薹現(xiàn)象的研究尚停留在表觀層面，在分子基因?qū)用娌⑷杂写剿?。如能與激素生物學(xué)與信息科學(xué)、物理化學(xué)等交叉領(lǐng)域結(jié)合，研究傘形科根莖類藥用植物抽薹過程中激素發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)的分子基礎(chǔ)，闡明激素調(diào)控植物器官形成和早期抽薹基因的分子機(jī)制，全面深入認(rèn)識傘形科藥用植物早期抽薹的基本規(guī)律，有效解決早期抽薹造成的傘形科根莖類藥用植物產(chǎn)量、品質(zhì)下降問題，運(yùn)用數(shù)學(xué)模擬等方法建立根系植物激素生長的動(dòng)力學(xué)模型研究，這將為研究傘形科根莖類藥用植物內(nèi)源激素調(diào)控提供新的思路。

對于解決早期抽薹的研究大多從栽培條件，如合理種植或改變環(huán)境因素等方面展開，但效果不佳。已有研究表明，外源性激素在一定程度上能夠抑制藥用植物早期抽薹現(xiàn)象的發(fā)生，可以將外源性激素應(yīng)用于傘形科根莖類藥用植物中，篩選適合傘形科根莖類藥用植物生長的最佳濃度，以期達(dá)到既能夠保證傘形科根莖類藥用植物的安全性又能夠達(dá)到抑制早期抽薹的效果。