雷锋杰投稿我国药用植物化感作用研究进展

我国药用植物化感作用研究进展雷锋杰，张爱华，张连学*吉林农业大学中药材学院，吉林长春，130118摘要：本文介绍了化感作用在药用植物栽培研究中的重要性及意义，分析了药用植物产生化感作用的原因，报道了药用植物中存在的化感物质种类及其化感作用研究方法，同时阐述了其化感作用产生的机理，并对药用植物化感作用研究中存在的主要问题进行了深入剖析，在此基础上指出药用植物化感作用需要加强的研究方向。关键词：药用植物、连作障碍、化感作用AllelopathyinmedicinalplantinChinaLEIFeng-jie,ZHANGAi-hua,ZHANGLian-xue*CollegeofChineseMedicinalMaterials,JilinAgriculturalUniversity,Changchun130118,ChinaAbstract:AllelopathicsoilsicknessisamajorfactorforpoorgrowthandyielddeclineinmostofthemedicinalplantsinChina.Thisreviewdescribedtheimportanceandsignificanceofallelopathyinmedicinalplant,reasonsforallelopathyinmedicinalplant,typesofallelochemicalsandresearchmethods,mechanismofallelopathy,andanalysiedthemainproblemsaboutallelopathicreaearchesonmedicinalplants.Basedonthat,thepaperpointsoutproblemsincurrentreseachesontheallelopathyeffectmedicinalplant.Keywords:medicinalplants,replantfailure,allelopathy我国幅员辽阔，气候，土壤、生产方式多种多样，药用植物资源极其丰富。近年，随着种植结构的调整，药用植物栽培逐渐成为新兴产业。目前，我国40%的药材供应主要依靠栽培品种，在栽培的药用植物中，根类药材占70%左右。在生产中绝大多数根类药材忌“连作”[1]，连作致使这些药材产量降低，品质变劣，这是药用植物栽培中最突出的问题之一。例如人参、西洋参、三七、地黄、丹参、贝母等均存在连作障碍。随着中药材市场需求的不断扩大，药用植物栽培种类和规模也在不断增加，据2002年统计数字显示，全国药材种植面积已超过40万hm2，大规模的药材生产基地达到600多个[2]。伴随连作或复种连作面积的不断增长，连作障碍已成为制约我国中药材可持续发展的重大问题。我国著名的“四大怀药”之一的地黄连作时，容易引起病毒病的大规模爆发[3]。丹参连作时，枯苗率增高，生长量下降，产量降低；同时，有效成分含量降低，根系外观畸形[4]。五加科中的人参是典型的忌连作药用植物，重茬地继续栽种人参一般2年后存苗率降至30％以下，约70％土地上的人参须根脱落、烧须，根周皮烂红色、长满病疤，致使人参地上部分死亡，有的地块几乎绝收[5]。连作地生长的三七，根腐病平均发病率为23.9%，相当于新栽地的3.5倍[6]。玄参（ScrophularianingpoensisHemsl.）连作一年减产10%～20%，连作两年减产30%～40%，隔3～4年才能再种[7]。目前，大多数学者认为药用植物产生连作障碍的的主要原因是：病原微生物数量增加和病虫害加剧、作物对营养元素的片面吸收和土壤理化性状恶化、化感作用。而植物连作障碍与植物产生的化感物质密切相关[8]，目前，很多学者从化学生态学角度研究药用植物连作障碍。本文就近年来药用植物化感研究进行综述，以期为今后相关研究提供参考。一、药用植物产生化感作用成因分析植物有别于动物难以逃避或改变环境，因此，适应多变的环境是其维持生存的主要出路。基金项目：国家“十一五”科技支撑计划子课题（No.2006BAI09B04-02，2007BAI38B01）。作者简介:雷锋杰(1979～),男,吉林省长春市人,主要从事药用植物资源学研究.E-mail:[e-mail]*通讯作者Correspondingauthor.E-mail:[e-mail]然而，由于生境的异质性，致使植物不得不时常面对各种逆境，同时还要不时应付其它生物的侵扰。在这些胁迫条件下，植物通过物理手段与其它生物竞争有限资源的能力大为下降，化学方法是其增强竞争能力的主要手段[9]。其中最重要的途径是植物产生和释放化感物质，在特定的土壤环境下不仅能影响同种或异种植物的种子萌发、植株生长等，而且在微生物的分布、营养元素的活化以及增强植物对金属毒性的抗性等方面具有重要作用。药用植物发生化感作用除了环境胁迫外，还有自身独特的原因。1药用植物化感物质与有效成分的“同源性”。药用植物含有特定的生理活性物质，如黄酮、蒽醌、生物碱、酚酸类等，而这些化学物质往往又作为次生代谢物质分布在药用植物的各个器官。同时，植物中的化感物质也主要来源于植物的次生代谢产物，分子量较小，结构简单。这类小分子物质在药用植物栽培中很容易释放到环境中，使药用植物易于发生化感作用，加剧了药用植物连作障碍的发生。2大多数药用植物是多年生，生长周期多为几年甚至几十年。这与生长周期短的农作物不同，这使得许多药用植物在同一地块多年生长，随着栽培年限的增加，其不断向环境释放化感物质，并在植物根际区逐渐积聚，使土壤微环境发生了改变，尤其是植物残体和植物根系分泌的化感物质一起影响植株代谢，对邻近植物的生长产生很大影响，与农作物以及其他经济作物相比，药用植物更容易产生化感作用。3药用植物长期栽培及品种选育追求的目标是提高药用植物次生代谢产物的含量，其中有些既是药效成分，又是植物的化感物质。药用植物化感物质这一次生代谢产物是药用植物在长期进化过程中与环境（生物的和非生物的）相互作用的结果，次生代谢产物在植物提高自身保护和生存竞争能力、协调与环境关系上充当着重要的角色，其产生和变化比初生代谢产物与环境有着更强的相关性和对应性。随着药用植物集约化和规模化种植的扩大，使得同一地块长期种植同种药用植物，品种单一和高密度种植造成生态系统恶化。面对来自种群内外的激烈竞争，药用植物产生和释放化感物质的水平提高，影响同种或异种植物，以此调节种群密度和群落组成，减轻种内或种间的竞争压力。因此，从某种意义上说，提高栽培药材质量的同时也客观加剧了药用植物的化感作用。二、药用植物化感物质化感物质的研究是植物化感作用研究的核心，植物化感物质是植物次生代谢的产物，种类繁多，结构多样，主要是通过莽草酸和异戊二烯代谢途径产生的。现已知的化感物质主要包括酚类、醌类、香豆素类、黄酮类、萜类、糖和糖苷类、生物碱和非蛋白氨基酸等[10]。目前报道的药用植物化感物质已经涉及了七个大类。RobertWNicol[11]等采用Tang&Young设计的收集系统从西洋参根际土壤中收集根系分泌物，经过HPLC-ESI-MS分析确定这些根系分泌物中含有皂苷成分。牡丹根际土壤中存在5种以上的酚酸类物质，除了常见的阿魏酸、肉桂酸、香草醛、香豆素外，还有牡丹特异的化感物质丹皮酚[12]。木麻黄（CouarinaequisefifoliaForst）小枝提取物具有化感作用，其化感物质是结构不同的黄酮类化合物：山奈黄素-3-α-鼠李糖苷、懈皮黄素-3-α-阿拉伯糖苷、樨草素-3′,4′2二甲氧基7-β-鼠李糖苷、山奈黄素-3-β-双鼠李糖苷、懈皮黄素-3-β-葡萄糖苷[13]。伊贝母（FritillariapallidifloraSchvek）根系分泌物主要是烷烃类、酯类、醚类、烯烃类、苯酚类等有机物质，其中醛酮类化合物含量最多，脲类、苯酚类、醇类含量较小。1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)三酮为伊贝母根系分泌物的最主要成分[14]。地黄（Rehmanniaglutinosa）叶中月桂酸和2，6-二叔丁基苯酚是地黄抑制芝麻（Sesamumindicum）生长的化感物质，这与地黄发生自毒作用的化感物质（阿魏酸、香草酸、香草醛、邻苯二甲酸、丙二酸）不同[15,16]。周家明[17]从三七根系分泌物中分离鉴定出6个化合物，原人参三醇、人参皂苷Rh1、韩国人参皂苷R1、羽扇豆-20-烯-3β,16β-二醇-3-阿魏酸酯、β-谷甾醇和胡萝卜苷。郭兰萍[18]报道从苍术根际土及根茎中分离到主要化合物是氨基甲酸乙酰乙酯和N-甲基2-甲胺基-2-硫-乙酰胺，苍术根茎及根际土中检测到的挥发油成分β-桉叶醇对苍术胚芽的伸长有显著化感作用。三、化感作用研究方法生物测定技术常常被用于鉴定分离出的物质是否具有化感作用。对于化感物质的生物测定多采用通过观察受体（土壤生物或其他植物体）对化感物质不同程度的反应，从而判断化感物质生物活性的大小。3.1种子种苗化感作用伊贝母根系分泌物主成分1，3，5-三烯丙基-1，3，5-三嗪-2，4，6(1H，3H，5H)三酮、酚酸和二者的混合液对其种子萌发及胚根胚轴的生长有明显的化感作用，且随着浓度升高而增强，在较低浓度时对胚轴有一定促进作用[19]。不同组织浸提液对伊贝母种子萌发及幼苗生长有抑制作用，且随浓度升高而增强，同浓度抑制程度是叶片浸提液地上茎浸提液鳞茎浸提液[20]。地黄根际土壤中的阿魏酸、香草酸、香草醛含量变化与块根膨大速率变化动态相似，对羟基苯甲酸表现为先上升后下降，阿魏酸与地黄块根的膨大正相关。这说明在地黄生长过程中分泌到土壤中的化感物质随着时间而积累[21]。苍术根茎提取液显著抑制苍术种子发芽率及胚根和胚芽的伸长，其中茅山苍术根茎提取液对茅山苍术种子发芽率的抑制作用显著强于英山苍术根茎提取液，由此可见，苍术的化感作用在种内不同品种间存在差异[18]。当归根系分泌物抑制当归幼苗的根长但对苗高和干重表现出显著的促进作用。当归根际土、非根际土水浸液对种子萌发、幼苗生长及4种酶活性均有显著的抑制作用；在相同质量浓度条件下，根际土水浸液的综合化感效应较非根际土和对照土明显。当归不同发育期化感作用强弱程度为：营养期幼苗期繁殖期成熟期；地上部自毒效应强于根部[22,23]。唐秀梅[24]报道铁锰的缺乏或过量都会引起商陆根系分泌物含量的变化。王惠珍[25]报道党参根系分泌物水溶液对党参种子有自毒化感作用。游佩进[26]报道三七连作土壤对萝卜、莴苣根长有明显抑制作用。黄连根系分泌物、根茎浸提液、植株残体分解产物、根际土浸提液对黄连生长有较强的抑制作用[27]。补骨脂（Psoraleasubacalis）种子的淋洗液的补骨脂素能使番茄种子发芽率下降近70％[28]。3.2对组织培养物的化感作用覃逸明报道牡丹组培苗根系分泌物对二茬组培苗具有一定的自毒作用，添加活性碳可降低其自毒作用，提高根系活力和叶绿素含量。邵财[29]利用收集的人参根系分泌物对其根源愈伤组织丙二醛含量和DNA含量的化感效应研究后发现，根源愈伤组织丙二醛含量迅速增加，与对照差异极显著，而后又逐渐降低。DNA含量随培养时间的增加而逐渐降低。陈长宝[30]报道人参根际土壤提取物对人参根源愈伤组织效应大于茎源和叶源愈伤组织效应，提取物对人参愈伤组织生长有明显的抑制作用，并引起愈伤组织褐化，抑制作用在培养初期较明显，后期逐渐减弱，但最终根愈伤组织的重量明显低于对照。Lei等[31]报道不同浓度外源人参皂苷均明显抑制愈伤组织净鲜重的增加。3.3对病原菌的化感作用化感物质对土壤微生物群落具有趋化作用，易造成有害病原菌增加和有益菌减少，导致病虫害频繁发生。化感作用能够协同土传病虫害发生加重连作障碍的发生[32]。丹参根系分泌的酸性物质能影响土壤微生物群落，特别是真菌数量[4]。李勇[33]研究了不同浓度人参根系分泌物成分苯甲酸、邻苯二甲酸二异丁酯、十六酸和2，2-二(4