樊 勇,李 旭,錄億隆,于春雷,楊正書,孫文松

(遼寧省經(jīng)濟作物研究所/遼寧省農(nóng)業(yè)科學院藥用植物研究所,遼寧 遼陽 111000)

遼藁本(Ligusticum jeholense Nakai et Kitag.),又叫北藁本、熱河藁本,屬于傘形科藁本屬多年生草本植物[1],主要分布在我國遼寧、吉林、河北、山西、內蒙古等地,喜歡生長在林下、山坡地和灌木叢中[2]。 遼藁本以干燥的根或者根莖入藥,在《神農(nóng)百草經(jīng)》中已有記載,在我國用于治療風寒頭痛和風濕性關節(jié)痛已有一千多年的歷史[3]。 在中國藥典(2020)中,只有遼藁本和藁本(Ligusticum sinense Oliv.)因其化學成分非常相似,用途和功效幾乎相同而被列為藁本藥材(LigusticiRhizoma et Radix),通常用于風寒感冒,巔頂疼痛,風濕痹痛的治療[4],此外藁本藥材還有抗菌和抗氧化的作用[5]。 目前在臨床中醫(yī)中,有超過100 種中成藥使用藁本作為主要原料[6]。 從地理上看,遼藁本主要分布在我國北方,而藁本分布則較廣泛,但與遼藁本的分布不重疊[7]。

前人關于人參、 枸杞、甘草等中藥材植物的研究報道較多,但是關于遼藁本相關方面的研究則較少[8～10]。 隨著分析測試技術的發(fā)展,前人對遼藁本已經(jīng)從栽培技術、資源育種等基礎研究開始,進一步深入到分子水平的探索。 本文章從遼藁本栽培技術、種質創(chuàng)新、種苗繁育、藥用成分、分子生物學等方面進行了綜述,總結了前人關于遼藁本的研究成果,為接下來的進一步深入研究提供新的思路和理論依據(jù)。

1 遼藁本生物學研究進展

藥用植物的根、莖、葉、花是營養(yǎng)物質吸收、儲備、運輸及光合作用、種苗繁殖的重要功能器官,已有前人對遼藁本組織器官的生物學性狀進行了研究,這為其野生資源的馴化利用和栽培技術的提高提供重要的參考價值。畢冬玲等通過石蠟切片等方法觀察了遼藁本幼苗初生維管束系統(tǒng)的發(fā)育,發(fā)現(xiàn)子葉下部初生維管束向下發(fā)育形成下胚軸和根的維管束系統(tǒng),上胚軸—苗的維管束系統(tǒng)向下發(fā)育與子葉跡相連后形成幼苗的初生維管系統(tǒng)[11]。肖智等通過電鏡掃描技術對遼藁本的營養(yǎng)器官進行觀察,發(fā)現(xiàn)實生苗根已經(jīng)進入次生生長階段,葉表皮細胞排列緊密,柵欄組織和海綿組織已經(jīng)明顯進行分化,深入分析了遼藁本營養(yǎng)器官在其生長、發(fā)育過程中的作用,為其資源的馴化和開發(fā)利用提供了理論依據(jù)[12]。

王萍莉等研究發(fā)現(xiàn)遼藁本與川芎、撫芎的花粉形態(tài)差異較大,但是仍然保留了藁本屬花粉矩形類型的特點,認為川芎、撫芎是遼藁本的變種[13]。 于英等對遼藁本的物候期和生物學特性進行了調查,發(fā)現(xiàn)其在長春市的生育期為220 d 左右,將物候期分為返青期、營養(yǎng)生長期、孕蕾期、開花期、果期、枯萎期,并對株高、葉面積、花序、根部等農(nóng)藝性狀進行了分析,為遼藁本的馴化和人工栽培提供了理論依據(jù)[14]。

2 遼藁本栽培技術研究進展

隨著科研人員對遼藁本野生資源引種、馴化的推進,國內已經(jīng)陸續(xù)開始了遼藁的本人工栽培。 隨著種植面積的逐漸擴大,中藥材加工企業(yè)對遼藁本高效栽培技術標準提出了更高的要求。 前人研究了遼藁本不同栽培技術模式對產(chǎn)量和品質的影響,為建立科學的栽培管理模式提供了理論基礎,為實現(xiàn)長遠的社會經(jīng)濟效益提供保證。李俊等從整地、土壤處理、種子處理、種苗繁育、田間管理等方面闡述了遼藁本的關鍵栽培技術,為其高產(chǎn)高質種植提供技術支撐[15]。 于英等研究發(fā)現(xiàn)在仿野生栽培模式下光照強度更有利于遼藁本植株生長,能夠促進根部干重、揮發(fā)油含量提高,增加經(jīng)濟效益[16]。 國微等對不同栽培環(huán)境下遼藁本根部產(chǎn)量性狀進行了研究,發(fā)現(xiàn)密林栽培條件下遼藁本產(chǎn)量最低,大田栽培產(chǎn)量最大,而疏林中產(chǎn)量居于二者之間[17]。 劉芳等對不同栽培密度下遼藁本的根重、根長、株高等性狀進行分析,發(fā)現(xiàn)種植密度在(25～30 cm)×60 cm 時植株的綜合性狀最好[18];于英等研究發(fā)現(xiàn)種植密度為(25～30 cm)×60 cm 時,根部性狀、藥性較好,與劉芳等的研究結果相一致[19]。

武曉林等對遼藁本營養(yǎng)元素吸收和分配規(guī)律研究發(fā)現(xiàn),營養(yǎng)生長期植株對氮、磷、鉀的吸收量增加,特別是對磷、鉀的吸收,種子成熟后氮肥吸收較多[20]。 李雪研究發(fā)現(xiàn)氮磷鉀不同配方施肥對根的鮮重、干物質量、阿魏酸含量、藁本內酯含量影響顯著,結合產(chǎn)量和品質考慮認為氮磷鉀低水平施肥效果較好[21]。 由于病蟲害發(fā)生的輕重影響植株的生長狀態(tài),所以病蟲害的防治效果對藥用植物的生長勢和藥用部位產(chǎn)量的提高具有重要意義。 劉瑩等系統(tǒng)闡述了遼藁本白粉病、根腐病、紅蜘蛛、蚜蟲等病蟲害的發(fā)生規(guī)律和綜合防控措施,將病蟲害的發(fā)生降低到最小[22]。 趙桂敏等較為全面的從種苗繁育、田間管理、病蟲害防治、收貨與加工方面闡述了遼藁本高效栽培技術,對積極推動當?shù)刂兴幉暮吞厣卟水a(chǎn)業(yè)發(fā)展起到重要作用[23]。 從長遠發(fā)展來看,建立穩(wěn)定、生態(tài)、高產(chǎn)的遼藁本種植基地,是滿足市場需求、解決資源緊缺、提高藥材質量的重要途徑[24]。

3 遼藁本種質資源創(chuàng)新研究進展

隨著遼藁本藥材需求的逐年增加,人工開采使其野生資源遭到嚴重破壞,迫切需要加快遼藁本種質資源創(chuàng)新和新品種選育,以滿足生產(chǎn)的需要。 遼藁本野生資源在東北和內蒙古地區(qū)較為豐富,但是隨著藥農(nóng)的采挖野生資源日益減少,培育適合人工栽培的家種品系,配合相關的高效栽培技術可以促進遼藁本產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展[3]。野生資源作為重要的育種材料,植株性狀、生育期、抗逆性等特征差異較大,通過收集、馴化、評價鑒定和種質創(chuàng)制研究,選育出性狀相對穩(wěn)定的適用于規(guī)?；N植的栽培品種。 張博等對吉林市通化地區(qū)遼藁本野生資源分布、生長情況、群落特征等進行統(tǒng)計調查,為野生資源的開發(fā)利用、人工馴化奠定基礎[25]。 楊旭等對引種的遼藁本資源進行初選,對篩選出的兩個優(yōu)良株系的綜合性狀進行評價,掌握其生長發(fā)育特性,為新品種的進一步選育提供依據(jù)[26]。 趙桂敏等將遼藁本野生種經(jīng)過單株選擇,選育出藥食同源的新品種“撫香葉芹1 號”,嫩莖葉可以作為野菜使用,根部可以入藥,具有較高的經(jīng)濟價值[27]。遼藁本野生資源的開發(fā)利用和種質創(chuàng)新為其規(guī)模化生產(chǎn)提供優(yōu)良的栽培品種,進而推動了產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展。

4 遼藁本種苗繁育技術研究進展

隨著遼藁本人工栽培面積的逐年擴大,需要大量優(yōu)質種苗滿足生產(chǎn)需要,所以提高遼藁本的種苗生產(chǎn)繁育技術關乎產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 前人研究了遼藁本種苗繁育的不同方法,為更好地實現(xiàn)規(guī)?；耘嗵峁┘夹g支撐。

4.1 種子繁育與扦插繁育技術

遼藁本種苗以種子繁育居多,將種子與一定量的細沙混勻撒播在床面上,用耙子摟平后稍加鎮(zhèn)壓,再鋪1 ～1.5 cm 的松針,一般7 ～10 d 左右出苗[23]。 種苗移栽一般在早春或者晚秋進行,選擇一年或者多年生種苗以20 cm×20 cm 栽植在床面上,定植深度一般為10～15 cm,栽植時不要窩根[15]。 尹航等對遼藁本地上莖進行了扦插研究,發(fā)現(xiàn)莖節(jié)中下部帶有成熟葉片的節(jié)間扦插后生根能力較強[28]。

4.2 組織培養(yǎng)繁育技術

組織培養(yǎng)作為一種無性繁殖技術,不僅可以對種質資源進行很好的保存,還可以對優(yōu)良品系進行快速大規(guī)模擴繁,通過組織培養(yǎng)可以對種苗繁育進行嚴格管控,實現(xiàn)種苗標準化生產(chǎn)。 賈凌云等以遼藁本嫩葉為外植體,在MS 培養(yǎng)基的基礎上添加2,4-二氯苯氧乙酸、6-糖基氨基嘌呤、肌醇等物質誘導愈傷組織,愈傷組織長得快且長勢好[29]。 李雪等將遼藁本未成熟種胚作為外植體進行誘導培養(yǎng)、不定芽增值、不定根培養(yǎng)及煉苗等試驗,建立起組織快繁體系,為種苗標準化繁育奠定理論基礎[30]。

5 遼藁本種子質量研究進展

目前,隨著各種中藥材產(chǎn)品的開發(fā)利用,中藥材種植面積逐年擴大,對種子質量的檢驗和規(guī)范提出更高的要求。 種子質量的有效管控,為遼藁本的規(guī)?；N植提供可靠的種源保證。 李雪等對遼藁本種子的生物學特性進行研究,制定了種子檢驗的方法,并發(fā)現(xiàn)光照、黑暗條件對遼藁本種子萌發(fā)沒有顯著影響[31]。 張?zhí)祆o等對遼藁本種子進行了分級標準研究,規(guī)定了一級、二級、三級種子的農(nóng)藝性狀標準,從源頭保障了遼藁本種子質量[32]。 孫永嬌等年分析了遼藁本種子對其它作物種子萌發(fā)的感化作用,發(fā)現(xiàn)遼藁本種子的水浸液、乙醇提取物、揮發(fā)油及提取揮發(fā)油后溶液,對遼藁本、沙蒿、芹菜、白菜種子的萌發(fā)均存在不同程度的抑制作用,為遼藁本種子種苗繁育過程中種子萌發(fā)處理提供理論依據(jù)[33]。

6 遼藁本藥用化學成分研究進展

遼藁本的主要藥用活性成分為阿魏酸和藁本內酯,由于其植物基源復雜,在不同地區(qū)種植的藥用成分含量也有所差異[34]。 文章闡述了遼藁本發(fā)揮藥效的物質成分,為更好地開發(fā)利用遼藁本藥用資源提供科學的理論依據(jù)。 李雪等報道遼藁本3 年生植株不同生育期根部干重、阿魏酸和藁本內酯的含量均高于2 年生植株,阿魏酸和藁本內酯含量在3 年生植株盛花期達到最大[35]。 劉瑩等研究了根際土壤因子對遼藁本藥用成分的影響,發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性、速效磷、有機質含量對遼藁本阿魏酸和藁本內酯的含量有極顯著影響[36]。 盧星原等采用大孔樹膠、硅膠柱色譜和葡萄糖凝膠柱色譜,從遼藁本干燥根莖及根部分離鑒定到阿魏酸、異阿魏酸、川陳皮素、3’,4’3,5,7-五甲氧基黃酮、香草酸、柑橘黃酮、胡蘿卜苷,其中3’,4’3,5,7-五甲氧基黃酮、香草酸、胡蘿卜苷首次從遼藁本中鑒定到[37]。 孫佳明等從遼藁本地上部分分離鑒定到β-谷甾醇、補骨脂素、蔗糖、槲皮素-3-O-β-D-吡喃半乳糖苷、胡蘿卜苷、山柰酚-3-O-β-D-吡喃半乳糖苷、山柰酚-3-O-( 2″,4″-二-反式-對-羥基桂皮?；? -α-L-鼠李糖苷,其中補骨脂素、槲皮素-3-O-β-D-吡喃半乳糖苷、山柰酚-3-O-β-D-吡喃半乳糖苷、山柰酚-3-O-( 2″,4″-二-反式-對-羥基桂皮?；? -α-L-鼠李糖苷首次分離鑒定到[38]。 為了進一步分析遼藁本發(fā)揮藥效的主要化學物質,張博利用色譜手段分離鑒定了遼藁本地下部位和地上部分單體,其中,Z,Z’-6,6’,7,3’α-二聚藁本內酯、川芎三萜、蔗糖、胡蘿卜苷在地下部位首次獲得,蔗糖、胡蘿卜苷、β-谷甾醇在地上部分首次獲得,鑒定了這些物質的化學結構,并且發(fā)現(xiàn)地上部分提取物的抗氧化活性強于地下部分[39]。 韓秋菊等改進了藁本藥材中黃酮分離純化工藝,使黃酮的回收率達到81. 88%,純化率達到71.09%,經(jīng)驗證純化后藁本黃酮的抗氧化性顯著高于未純化前[40]。

前人對遼藁本與其它藁本屬植物有效藥用成分進行了分析,為藁本類藥材的鑒定和質量評價提供理論依據(jù)。戴斌等對遼藁本與新疆藁本進行了研究,發(fā)現(xiàn)二者藥材性狀、顯微組織、化學成分薄層色譜均有各自的鑒定特征,共藥理實驗表明新疆藁本抗真菌作用強于遼藁本[41]。鄭虎占研究發(fā)現(xiàn)新疆藁本的阿魏酸和肉豆蔻醚含量高于遼藁本,兩種藁本屬植物含有16 種相同的化合物,并且解痙鎮(zhèn)痛作用幾乎相近[42]。 張迎春等對遼藁本、藁本、新疆藁本等七種藁本樣品中揮發(fā)油成分進行分析,鑒定出82 種成分,其中共有成分為14 種,各樣品鑒定出的成分占總揮發(fā)油的平均值為94%,且不同樣品揮發(fā)油對大鼠離體血管的舒張活性明顯不同[43]。 Li 等結合氣相色譜—質譜和化學模式識別分析對遼藁本和藁本的揮發(fā)油成分進行了分析,發(fā)現(xiàn)肉豆蔻醚、新蛇床內酯含量的差異變化對鑒定遼藁本和藁本具有較高的價值[44]。

7 遼藁本分子生物學及根內微生物研究進展

7.1 分子生物學研究進展

核糖體DNA 內部轉錄間隔區(qū)(ITS)片段較短,易于PCR 擴增,技術操作簡便,在中藥材親緣關系分析、藥材真?zhèn)味辱b定等方面被廣泛應用。 王麗芝等通過 ITS2 序列構建系統(tǒng)進化樹分析了遼藁本、藁本、川芎的親緣關系,發(fā)現(xiàn)三者之間親緣關系極為親密,首次提出了遼藁本可能是川芎種質野生資源的觀點[45]。 Liu 等利用ITS2 序列和二級結構信息鑒定43 種藁本藥材的真?zhèn)?將藁本藥材從摻假或者替代藥材中鑒定出來,為藁本藥材的市場監(jiān)管提供依據(jù)[46]。 李雪等利用不同的DNA 條形碼序列對遼藁本、新疆藁本及藁本混偽品進行鑒定,發(fā)現(xiàn)NrITS 和ITS2 的DNA 序列用于鑒別兩種藁本與混偽品效果較好,為遼藁本栽培過程中種源選擇和藥材質量鑒定提供理論基礎和保證[47]。

指紋圖譜的構建常用來鑒定不同的物種,目前中藥材中三七、人參等已經(jīng)構建了DNA 指紋圖譜[48,49],但是遼藁本還是利用化學成分來構建指紋圖譜,如瞿昊宇等通過對15 個遼藁本藥材和飲片的HPLC 指紋圖譜進行評價,發(fā)現(xiàn)二者的指紋圖譜基本一致,說明遼藁本藥材炮制后保留了原有的質量屬性[50],喬萍等測定了遼藁本的HPLC 指紋圖譜和有效成分含量,通過PLS-DA 法標記出了5 個差異的有效成分,為遼藁本質量優(yōu)劣的評價提供了高效的分析方法[51]。

7.2 根部微生物研究進展

宏基因組測序技術是指對要研究的微生物基因組總和進行分析,可以準確且詳盡的得到想要研究的植物根際或根內微生物的群落結構、多樣性信息、不同微生物之間的演化關系,同時宏基因組測序還能讓我們了解到微生物的功能等信息[52,53]。

植物內生菌與健康植株長期共存生長,不會侵染植物表現(xiàn)出病害癥狀,研究分離植物內生菌,發(fā)掘廣譜性內生菌生物制劑對植物病害防治有重要意義。 張芳芳等對遼藁本內生菌進行了分離、純化和鑒定,發(fā)現(xiàn)篩選出ZHAB63 菌株為解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens),對11 種常見病菌拮抗率達到50%以上,通過對該菌株的16SsrDNA 基因序列進行測序,揭示其對病菌的拮抗機理,并對其生長的培養(yǎng)基和發(fā)酵條件進行了優(yōu)化[54]。根腐病作為遼藁本根部和根莖部病害,嚴重發(fā)生時會造成植株大面積死亡,張?zhí)祆o等從遼藁本根腐病植株中分離純化得到茄鐮孢菌(Fusarium solani)菌株,利用10 種藥劑對其菌絲抑制效果進行篩選,發(fā)現(xiàn)1. 8%辛菌胺醋酸鹽、10%苯醚甲環(huán)唑、80%乙蒜素、3%噻霉酮的防治效果較好[55]。

8 遼藁本研究展望

8.1 品種選育方面

隨著遼藁本藥材需求的逐年增加,種植戶對其新品種的選育提出迫切要求,由于遼藁本種質資源分類比較混亂,沒有標準的資源評價體系,性狀穩(wěn)定的品種較少,育種工作進度緩慢,制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 遼藁本品種選育和資源保護是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術核心,要通過多種技術手段開展資源鑒定與評價工作,加快資源馴化和品種選育,建立遼藁本新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性(UDS)測試指南,為遼藁本品種權的制定、維護提供技術支持,促進育種者對新品種選育的積極性,推動中藥材種質創(chuàng)新和新品種選育的新發(fā)展。

8.2 優(yōu)質種苗繁育方面

種苗做為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前端產(chǎn)業(yè),是遼藁本產(chǎn)業(yè)的“芯片”,并關乎其相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展質量。 近年來隨著遼藁本栽培面積的逐年擴大,市場對優(yōu)良種苗的需求增加,但是大多數(shù)種植戶還處于自繁自用的模式,機械化程度低、育苗規(guī)模小,種苗的質量參差不齊,專業(yè)化育苗市場發(fā)育尚不完善,導致中藥材市場出現(xiàn)質量混亂、藥效下降等現(xiàn)象。 要加快遼藁本產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,就需要建立大型育苗工廠,引進標準化、規(guī)范化、規(guī)模化的現(xiàn)代育苗技術,制定種苗繁育技術標準和質量追溯體系,才能實現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。 政府要進行引導和規(guī)范,培養(yǎng)遼藁本等中藥材育苗方面的專業(yè)人才,建立中藥材種苗繁育體系,推廣應用相關技術標準,推動相關企業(yè)帶動產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

8.3 分子生物學方面

隨著分子生物學的發(fā)展,遼藁本在物種分子鑒定、遺傳多樣性分析等方面的研究逐步展開,但是仍有許多分子方面研究的空白需要解決。 例如其它中藥材已經(jīng)陸續(xù)開展DNA 指紋圖譜的構建,遼藁本還是以藥用成分構建指紋圖譜,應加強開展遼藁本DNA 指紋圖譜的構建,提高對遼藁本不同產(chǎn)地、不同品種、藥材真?zhèn)蔚蔫b定標準。 利用基因組和轉錄組測序技術對藥用成分形成相關基因進行挖掘,并對其功能進行驗證,揭示藥用物質合成的作用機理,為種質創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

8.4 組學研究方面

隨著組學研究技術的發(fā)展,組學分析在中藥材研究中發(fā)揮重要作用,要開展轉錄組和蛋白質組等組學在遼藁本研究中的應用,以揭示遼藁本在不同生長條件下藥用成分形成的分子機制,為藥用品質的提高奠定基礎。轉錄組學從分子水平分析差異表達基因對中藥材抗病、抗逆、育種、藥用成分合成的調控作用,李銘銘通過地黃轉錄組測序挖掘了干旱脅迫條件下關鍵基因,并對其功能進行了分析,初步闡述地黃響應干旱的分子機制[56]。蛋白組學是研究某一特定條件下植物組織中所有蛋白質的表達量和功能,以揭示蛋白質在代謝合成調控網(wǎng)絡中的作用。 劉子修對鹽脅迫誘導下夏枯草的差異蛋白進行了篩選和表達分析,并結合差異基因表達模式研究,探討了逆境條件夏枯草下藥用成分積累和品質形成的內在機制[57]。 應采用不同組學技術對遼藁本進行資源選育、栽培技術研究、加工炮制、藥用成分分析等方面研究,提高遼藁本的藥用品質,完善其質量控制體系。

8.5 根基微生物研究方面

目前,隨著對根際微生物研究的不斷深入,根際微生物對植物生長、發(fā)育的影響機理也被進一步發(fā)掘和證明。探討根際微生物菌群結構的多樣性對于研究微生物與植物生態(tài)環(huán)境關系、微生物資源的開發(fā)利用有著重要的理論和現(xiàn)實意義。 探究遼藁本不同種植年限根際微生物的變化規(guī)律,有助于闡明遼藁本逐年種植過程中微生物的分布、組成、代謝等變化規(guī)律,揭示微生物種群的變化失衡趨勢及微生物與根際環(huán)境的互作關系,為進一步進行土壤改良、緩解遼藁本連作障礙提供理論依據(jù)。