東北紅豆杉研究現(xiàn)狀及展望

王萬(wàn)峰, 張金剛

(1. 吉林省重點(diǎn)國(guó)有林技術(shù)服務(wù)中心, 吉林 長(zhǎng)春 130022; 2. 集安市臺(tái)上鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心, 吉林 通化 134200)

東北紅豆杉(Taxuscuspidata)為紅豆杉科紅豆杉屬喬木,在我國(guó)主要分布于吉林省老爺嶺、張廣才嶺及長(zhǎng)白山區(qū)的氣候冷濕、酸性土地帶,日本、朝鮮、俄羅斯也有分布[1]。從其枝葉和樹(shù)皮中提取的紫杉醇類成分對(duì)腫瘤細(xì)胞的增殖具有顯著的抑制作用,具有較高的臨床醫(yī)學(xué)價(jià)值[2]。受自身生存機(jī)制的影響和人為破壞,其野生資源現(xiàn)存量極少,目前已處于瀕危狀態(tài),為國(guó)家一級(jí)保護(hù)植物[3]。近年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)東北紅豆杉的研究多見(jiàn)于生態(tài)學(xué)特性、生理學(xué)特性、有效成分、藥理作用、繁殖技術(shù)和良種選育等。本文對(duì)東北紅豆杉現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),并提出了展望,旨在為其野生資源保護(hù)和優(yōu)質(zhì)人工林建設(shè)提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 生態(tài)學(xué)特性

天然東北紅豆杉現(xiàn)存量極少,掌握其種群動(dòng)態(tài)及所在群落特征對(duì)其資源保護(hù)具有重要作用。穆棱東北紅豆杉種群數(shù)量呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢(shì),幼齡期生長(zhǎng)非常不穩(wěn)定,中齡期、成熟期相對(duì)穩(wěn)定,并有衰退的趨勢(shì)[4]。長(zhǎng)白山保護(hù)區(qū)極小種群東北紅豆杉所在群落物種組成豐富,溫度、降水量、林分類型和土壤pH等環(huán)境因子顯著影響東北紅豆杉的分布及其群落特征[5]。董明珠等分析了野生東北紅豆杉群落特征并提出了保護(hù)策略,為其資源保護(hù)、繁育和利用提出合理建議[6]?；貧w是一種瀕危物種保護(hù)與種群恢復(fù)的重要方法,東北紅豆杉1～2年生幼苗適應(yīng)楊樺林、紅松云冷杉林和紅松紫椴林下這3種生境,回歸最適宜的林型是紅松紫椴林;林型、坡向、坡度、光照是影響東北紅豆杉回歸的主要環(huán)境因子[7]。東北紅豆杉現(xiàn)存的天然種群分布極少,天然種群的普查、種群動(dòng)態(tài)分析及其空間分布格局特征的研究對(duì)東北紅豆杉種質(zhì)資源的保存尤為重要。

1.2 生理學(xué)特性

了解東北紅豆杉的光適應(yīng)特性、內(nèi)源激素含量動(dòng)態(tài)變化等生物學(xué)特性,可為其高效培育提供參考。不同光照條件下,幼苗的凈光合速率(Pn)均呈現(xiàn)雙峰變化趨勢(shì),09:00時(shí)Pn的峰值顯著高于15:00時(shí)的峰值;幼苗增加光照強(qiáng)度后1 d內(nèi),從外觀上幼苗生長(zhǎng)狀態(tài)正常,但凈光合速率明顯下降[8]。隨著苗齡的增加,幼苗葉片的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì),而胞間CO2濃度表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)[9]。幼苗葉片在較低的光合速率下產(chǎn)生相對(duì)較多的能量,同時(shí)其葉片在高光強(qiáng)下的熱耗散能力較低,這是幼苗與幼樹(shù)相比不適應(yīng)自然強(qiáng)光和產(chǎn)生光抑制的主要原因[10]。此外,東北紅豆杉雌球花胚珠珠孔液滴出現(xiàn)盛期,ZR/IAA略有增加,有利于授粉;雌球花子房膨大期,較低的ZR/GA和低的ZR/ABA能促進(jìn)生殖生長(zhǎng)[11]。

1.3 有效成分

東北紅豆杉的樹(shù)皮、枝葉以及根部富含多種有效成分,主要有紫杉烷類、多糖類及黃酮類等化合物,目前其有效成分的提取主要通過(guò)硅膠柱色譜、制備型高效液相色譜、超臨界CO2萃取法。相關(guān)研究表明,從東北紅豆杉愈傷組織中,可分離得到11個(gè)紫杉烷類化合物[12]。提取紫杉醇的最佳條件為萃取壓力35 MPa、萃取時(shí)間120 min、萃取溫度35 ℃,紫杉醇的提取率最高,平均提取率為96.2 %[13]。多糖TP的提取常采用水提醇沉手段,經(jīng)超濾得到超濾外液TP-1和內(nèi)液TP-2,其分子量分布在7.0 kDa左右,糖組成由Rha、Man、Gal、Glu、GalA和GlcA構(gòu)成,摩爾比為16.9∶1.0∶15.5∶1.3∶9.9∶2.5[14]。利用活性炭對(duì)東北紅豆杉多糖脫色的最佳工藝條件為活性炭加入量4.7 %、脫色溫度41 ℃、振蕩頻率152 r·min-1、脫色時(shí)間50 min,多糖脫色率和保留率分別為86.92 %和89.58 %[15]。近年來(lái)還在東北紅豆杉中發(fā)現(xiàn)了7種黃酮的含量,銀杏雙黃酮、金松雙黃酮、槲皮素、山柰酚、二氫槲皮素、二氫山柰酚和蘆丁質(zhì)量濃度分別為0.140～14.0 μg·mL-1、0.208～20.8 μg·mL-1、0.001 3～0.130 μg·mL-1、0.005 0～0.500 μg·mL-1、0.002 5～0.250 μg·mL-1、0.022 0～2.20 μg·mL-1和0.320～32.0 μg·mL-1[16]。東北紅豆杉豐富的有效成分是其具有藥用價(jià)值的基礎(chǔ),科學(xué)有效地對(duì)其進(jìn)行提取,對(duì)實(shí)現(xiàn)紅豆杉植物資源的高效利用具有重要意義。

1.4 藥理作用

東北紅豆杉提取物具有豐富的臨床藥理作用,其中富含的紫杉烷類化合物對(duì)人體癌細(xì)胞的增殖具有顯著的抑制作用。提取的紫杉烷類化合物Taxinine和2α,10β-diacetyl-5-cinnamoyl-phototaxicinⅡ?qū)?種試驗(yàn)用人肺癌細(xì)胞的增殖均有明顯的抑制作用[17];紫杉烷類化合物9,10-去乙酰紫杉寧對(duì)人子宮頸癌細(xì)胞、人子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞和人卵巢囊腺癌細(xì)胞的增殖均有明顯的抑制作用[18]。東北紅豆杉枝葉不同提取部位對(duì)腫瘤細(xì)胞具有抑制作用,醇提液、乙酸乙酯部位和正丁醇部位均能促進(jìn)胰島素抵抗Hep G2細(xì)胞的葡萄糖消耗量[19]。此外,東北紅豆杉提取物給藥組可增加心肌組織中Bcl-2的表達(dá),抑制心肌細(xì)胞凋亡,從而對(duì)梗死心肌起保護(hù)作用[20]。因其具有豐富的藥用價(jià)值,致使天然林木資源遭到嚴(yán)重的破壞,天然更新率低也是使其成為瀕危物種的重要因素,因此,探討其種群生存機(jī)制對(duì)東北紅豆杉的保護(hù)與利用具有重要意義。

1.5 繁殖技術(shù)

東北紅豆杉種子種皮堅(jiān)硬,播種前需進(jìn)行層積催芽處理,常見(jiàn)的繁殖技術(shù)主要有扦插和組織培養(yǎng)等無(wú)性繁殖。插穗年齡和浸泡時(shí)間顯著影響生根率,較低濃度ABT1浸泡時(shí)間稍長(zhǎng)、較高濃度ABT1浸泡時(shí)間稍短,有利于插穗生根[21]。此外,插穗類型和扦插基質(zhì)對(duì)東北紅豆杉扦插繁殖成活率具有較大影響,2年生樹(shù)梢枝條作插穗、河沙與森林土混合(質(zhì)量比2∶1)為扦插基質(zhì),扦插成活率最高且成苗后樹(shù)形優(yōu)美[22]。樹(shù)尖作插穗時(shí)的生根率明顯高于側(cè)枝扦插,森林土與粗河沙混合基質(zhì)較其他3種基質(zhì)更有利于插穗主干生長(zhǎng)[23]。光照、溫度等環(huán)境條件對(duì)東北紅豆杉組織培養(yǎng)具有重要影響,合理的環(huán)境條件可有效提高成功率。通過(guò)正交試驗(yàn)得到適合外植體生長(zhǎng)的最佳光培養(yǎng)條件組合為CO2質(zhì)量濃度3 000 mg·L-1+光照強(qiáng)度37.5 μmol·m-2·s-1+光周期14 h·d-1[24]。溫度25 ℃左右、光照時(shí)間12 h、光照強(qiáng)度3 000～5 000 lx時(shí),適合芽分化、生長(zhǎng);pH 5.2、蔗糖質(zhì)量濃度20～40 g·L-1時(shí)有利于芽分化及生長(zhǎng)[25]。對(duì)東北紅豆杉繁殖技術(shù)的研究,尤其是無(wú)性繁殖技術(shù),可有效提高優(yōu)良無(wú)性系的擴(kuò)繁,為該物種種質(zhì)資源保存及生物多樣性保護(hù)提供重要技術(shù)支撐。

1.6 良種選育

掌握東北紅豆杉不同性狀種源及無(wú)性系變異規(guī)律,選擇優(yōu)良種源,可為其定向選育及優(yōu)質(zhì)高效人工林建設(shè)提供參考。不同種源間紫杉醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異極顯著,大興溝種源紫杉醇含量最高(22.767 μg·g-1),是和龍種源的1.69倍[26]。優(yōu)良種源紫杉醇含量高(60.5 μg·g-1),比其他種源的紫杉醇含量高出1.5～3倍,生長(zhǎng)量與其他種源相同;東北紅豆杉優(yōu)良種源適宜在東北地區(qū)空氣濕潤(rùn)、pH <7.0的沙壤土種植[27]。不同種源苗木生長(zhǎng)存在較大差異,綏陽(yáng)種源的苗高、地徑、冠幅均表現(xiàn)為最好,而本溪的生長(zhǎng)表現(xiàn)較差;不同種源間苗高與地徑生長(zhǎng)均達(dá)到差異極顯著水平[28]。相同種源不同無(wú)性系東北紅豆杉樹(shù)高和冠幅生長(zhǎng)存在較明顯的差異,相同種源個(gè)體表現(xiàn)出不同的變異程度,且不同生長(zhǎng)指標(biāo)變異的規(guī)律性不明顯[29]。周旭昌等對(duì)東北紅豆杉經(jīng)濟(jì)林良種選育技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,選擇出地徑、樹(shù)高、冠幅均具有顯著優(yōu)勢(shì)的5株?yáng)|北紅豆杉優(yōu)樹(shù),即羅子溝27號(hào)、東光22號(hào)、大興溝1號(hào)、大興溝9號(hào)、大興溝30號(hào)[30]。此外,不同種紅豆杉中紫杉烷含量具有顯著差異,種類是影響紅豆杉紫杉醇等含量的重要因素,紫杉醇含量隨著10-DAT和三尖杉寧堿含量增加而增加[31]。

2 展望

2.1 加強(qiáng)種質(zhì)資源保護(hù)

林木種質(zhì)資源,是林木遺傳多樣性資源和選育新品種的基礎(chǔ)材料,對(duì)維護(hù)生物多樣性、保障林業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前天然東北紅豆杉種質(zhì)資源嚴(yán)重匱乏,已被列為瀕危樹(shù)種,保護(hù)其種質(zhì)資源,可為系統(tǒng)研究該物種變異規(guī)律、良種選育以及遺傳多樣性提供基礎(chǔ)。2021年長(zhǎng)白山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)開(kāi)展了東北紅豆杉種質(zhì)資源調(diào)查,在4個(gè)保護(hù)站內(nèi)共調(diào)查天然東北紅豆杉11 335株,并進(jìn)行詳細(xì)定位及編號(hào),為其種質(zhì)資源保護(hù)提供重要依據(jù)。

2.2 擴(kuò)寬雜交范圍

東北紅豆杉為雌雄異株,且種群數(shù)量較少,雌雄株花期同步較差,這也是東北紅豆杉天然結(jié)實(shí)及更新能力差的重要原因。采用人工控制授粉的方式,進(jìn)一步豐富雜交方式、擴(kuò)寬雜交范圍,在已掌握的研究基礎(chǔ)上,明確父本來(lái)源,突出雜種優(yōu)勢(shì),選擇天然林優(yōu)良單株作為雜交親本,縮短育種周期。

2.3 目的性狀選育

東北紅豆杉主要目的性狀為生長(zhǎng)性狀、有效成分以及結(jié)實(shí)性狀,研究目的性狀遺傳變異規(guī)律,對(duì)目的性狀的優(yōu)良種源、優(yōu)良無(wú)性系、優(yōu)良家系進(jìn)行選擇,并進(jìn)一步對(duì)其子代的遺傳增益進(jìn)行測(cè)算,可極大地節(jié)省選育成本,提高東北紅豆杉良種選育效率。