药用植物化感自毒作用研究对栽培技术创新的启示△

张重义，牛苗苗，陈婷，李娟，林瑞余，林文雄*

(1.河南农业大学中药材系，河南 郑州 450002;2.福建农林大学生命科学院，福建 福州 350002)

专稿

药用植物化感自毒作用研究对栽培技术创新的启示△

张重义1*，牛苗苗1，陈婷2，李娟1，林瑞余2，林文雄2*

(1.河南农业大学中药材系，河南 郑州 450002;2.福建农林大学生命科学院，福建 福州 350002)

阐述了药用植物化感自毒作用的概念、产生机理和作用特点，指出药用植物在 “亚最适”环境条件下生长，其药用活性成分与化感自毒物质的同源性是药用植物栽培中连作障碍与化感自毒作用更强烈的根本原因。指出多数道地药材的形成是在环境中 “亚最适”生态因子(群)胁迫下，基源植物(特征)遗传基因的表达而决定的。因此，彰显并确保中药材道地性特色的规范化栽培技术关键措施是 “亚最适”环境中生态因子(群)的调控。

药用植物;化感自毒;连作障碍;亚最适环境;生态调控

中药材生产实际上是在 “气候-土壤-药用植物(作物)-农艺措施(人)”的农业生态系统中，利用可控因子，采取应变栽培技术，使药用植物在“亚最适”环境条件下稳定生长，确保农田生态系统的稳定，实现中药材(农产品)质量的 “安全、有效、稳定、可控”。但是，由于耕地有限、经济利益的驱动和种植条件等因素限制，药用植物栽培中存在一个突出问题——随着药用植物年龄增加或栽培地连作，植株生育不良，中药材品质和产量大幅度下降，如地黄、人参、三七、太子参、黄连、当归等。由于近年来中药材需求不断增加，实行连作或复种连作的面积越来越大，连作障碍已成为制约我国中药生产发展的重大问题。而植物化感自毒作用正是药用植物发生连作障碍的重要因素之一[1]。本文就植物化感自毒作用的研究进行综述，对目前药用植物栽培技术理论提出了新的思考，为解决药用植物生产过程中存在的连作障碍、地力衰退等问题，逐步改变传统药用植物栽培生产技术，促进我国中药材GAP基地建设和中药农业的发展提供参考。

1 药用植物的化感与化感自毒作用

植物化感作用是指一种活体植物(供体，Donor)产生并以挥发(Volatilization)、淋溶(Leaching)、分泌(Excretion)和分解(Decomposition)等方式向环境释放次生代谢物而影响邻近伴生植物(杂草等受体，Receiver)的生长发育的化学生态学现象。当受体和供体为同种植物时产生抑制作用的现象，为植物的化感自毒作用(Allelopathic autotoxicity)，即植物自身的分泌物，其茎、叶的淋溶物及残体分解产物所产生的有毒物质累积较多抑制根系生长，降低根系活性，改变土壤微生物区系的作用，这种作用有助于病原菌的繁殖，并导致作物生长不良、发病、死亡[2]。化感作用在作物连作障碍中的表现尤其显著，水稻、玉米、小麦、高粱、向日葵、大豆、棉花、油菜等都具有化感作用。这些作物的化感作用不仅表现在种间，种内的自毒效应也非常强烈，自毒作用是导致植物连作障碍的主要因子之一[2]。药用植物栽培实际上是药用植物(作物)群体的管理，栽培的目的不是追求个体的无限生长，而是在单位面积的土地上，获得安全、有效、产量较高的药材(农产品)。田间药用植物个体间通过雨雾淋溶、自然挥发、根部分泌和植株分解等途径释放到环境之中，并对其他植物或自身的生长发育产生抑制作用的化感物质，统称为化感自毒物质(Selfallelochemicals)。

植物的次生代谢是植物在长期进化中与环境(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。植物中所发现的化感物质主要来源于植物的次生代谢产物，分子量较小，结构简单。主要分为水溶性有机酸、直链醇、脂肪族醛和酮、简单不饱和内酯、长链脂肪酸和多炔、醌类、苯甲酸及其衍生物、肉桂酸及其衍生物、香豆素类、类黄酮类、单宁、内萜、氨基酸和多肤、生物碱和氰醇、硫化物和芥子油苷、嘌吟和核苷等14类[3]。这类小分子物质在药用植物栽培中很容易释放到环境中，从而改变根际土壤理化性质，并进而影响土壤环境的微生物群落结构。同时，这类小分子物质有不少是化感物质，会对其他植物甚至自身产生毒害作用，直接影响药用植物生长发育。其中酚类和类萜类化合物是高等植物的主要化感物质，它们分别是水溶性和挥发性物质的典型，这恰恰与雨雾淋溶和挥发是化感物质的主要释放方式相吻合。它们在植物体内有自己独特的代谢途径，在次生代谢中通过醋酸途径或莽草酸途径而产生。大量的研究表明这些次生代谢物大多具有OH基、C=O基和S→O基等，且分子内含有较多的氧原子以及容易激发的双键和叁键[4]。而药用植物有效成分又多是次生代谢产物，并分布在药用植物的各个器官(特别是药用部位)，如根、茎、叶、花、果实、种子等，这一特点与植物能产生化感作用是一致的。因为，植物次生代谢的一个基本特征就是次生代谢产物在植物体内不是普遍存在，而是限制于一些特定的器官或组织与细胞中，合成或储存这些次生代谢产物的细胞在内部结构上必须达到一定的分化程度[5-6]。次生代谢途径的表达也正是某些特化细胞的特征表达。如烟草(Nicotianatabacum)和莨菪(Atropabelladonna)的生物碱主要在根部合成，然后运输到叶肉细胞中储存;金鸡纳属(Cinchona)奎宁和奎宁丁只存在于树皮中;辣椒(Capsicum spp.)中的辣椒素只有在生殖生长后期才能在果皮中合成并积累;番红花(Crocussativus)的色素成分主要存在于花柱和柱头中;罂粟(Papauer somniferum)和长春花(Catharanthusroseus)的生物碱储存在乳汁管或特化的薄壁组织细胞中;薄荷属(Mentha)的腺毛、芹属(Apium)的油管和云香科植物体内的分泌囊含有精油化合物[3]。

提高次生代谢产物的含量是药用植物育种及栽培实践的目标。长期选择使栽培药用植物次生代谢产物的含量不断提高，这不但可能使该药用植物在逆境下更容易释放化感物质，也使适应于该药用植物根际环境条件的病虫害逐年增加。因此，相对于普通作物，药用植物栽培更易产生化感自毒作用[7]。自毒作用是植物种内相互影响的方式之一，是种内关系的一部分，是生存竞争的一种特殊形式。其作用方式的显著特征是选择性、浓度效应、共同作用效应[8]。植物化感物质的产生和释放是植物在环境胁迫的选择压力下形成的，植物化感作用是植物在进化过程中产生的一种对环境的适应性机制[9]。植物在胁迫条件下，化感物质产生量与释放量增加，化感作用明显增强，这种增强作用对产生化感物质的植物而言是有利的。以追求次生代谢产物(活性成分)为目的的药用植物栽培技术，必须注重环境应力与次生代谢产物之间关系，因为(道地)中药材是长期适应逆境的产物，道地性可能是经历了无数次环境胁迫获得的[7]。某些药用植物在胁迫条件下有效成分会增加，而化感物质产生量与释放量也增加，因此，药用植物化感自毒物质的产生和释放是药用植物在环境胁迫的选择压力下形成的。有时，药用植物的有效成分就是作用很强的化感物质，植物释放的酚类和其他一些化感物质，在环境胁迫时化感作用明显增强，这种增强作用加剧了药用植物化感自毒作用的形成。

2 药用植物的化感自毒作用与连作障碍

连作加重了化感自毒物质在植物根际区的积聚，改变了土壤微环境，尤其是植物残体与病原微生物的代谢产物对植物有致毒作用，并连同植物根系分泌物分泌的自毒物质一起影响植株代谢，对植物生长造成很大的影响，最后导致自毒作用的发生。Tang等[10]研究Bigaltalimpograss根系分泌物的化感作用时，用GC-MS分离检测出了苯甲酸、苯乙酸、肉桂酸等16种酚类化合物，指出根分泌物中的作物生长抑制剂主要是酚类化合物。表明根分泌物中的有机酸和酚酸在植物的根际营养和植物间的化感作用中起着重要作用。林文雄等[2]研究报道，化感植物分泌的一些多酚类化合物会破坏膜的功能，化感物质抑制受体植物的SOD和CAT酶活性，导致体内活性氧增多，启动膜质过氧化，破坏膜的结构。有研究证实，化感物质会降低受体中的赤霉素和生长素水平，从而抑制植物的生长;化感物质明显抑制受体ATP酶的活性，从而影响受体的光合与呼吸作用，产生抑制植物的生长发育现象;自毒物质还影响植物对矿质元素的吸收，如苹果酸、肉桂酸会抑制大麦根磷酸盐和钾离子的吸收，其原因可能是自毒物质抑制呼吸作用和氧化磷酸化过程，抑制质膜ATP酶的活性。

生态系统的调控过程是相互促进(相生)或相互抑制(相克)的协调过程，生态系统的化学调控是指生物体产生的生物活性物质能在生物体之间传递信息并导致生物体相互作用。药用植物化感自毒作用是药用植物群体中个体间传递信息的一种方式。萜类物质是一类研究较多且活性较强的化感物质，其在环境胁迫下含量的变化是近年来研究的热点。郭兰萍等[11]研究证实根茎及根际土中含量较大的β-按叶醇对苍术胚芽的伸长有显著自毒作用。β-按叶醇是不少药用植物中都含有的倍半萜类物质，在苍术根茎挥发油中含量较大，常与其他组分一起用来做苍术定性和定量的指标性成分。有研究认为化感物质萜类化合物的毒性和抑制作用机理主要表现为:抑制ATP形成，发生亲核烷基化反应，扰乱蜕皮激素的活性;与蛋白质络合或与食草类动物消化系统中的自由甾醇络合，扰乱神经系统;束缚GA活性，抑制植物生长;干扰线粒体发挥正常功能，妨碍代谢作用进行;影响细胞膜的功能，干扰植物对矿物质的吸收;破坏营养吸收过程中的络合作用，使养分无法透过膜系统[12]。可见，化感自毒作用对植物的影响是多方面、深层次的。

自毒作用能够协同土传病虫害发生，导致连作障碍的严重发生[13]。根系分泌物通过抵消土壤的抑菌作用，诱变病原体繁殖体萌发，直接或间接地影响植物病原菌，即通过选择性地吸引植物病原微生物在根面和根际定殖和扩繁，造成植物发病，最终导致作物减产和品质下降等连作障碍现象。药用植物集约化、规模化种植的最大特点就在于单一物种的大面积连片种植，这给病原菌在根表面的生长和繁殖提供了丰富适宜的营养物质，并在寄主衰亡之后，在植物残体上继续繁殖，故连作加重了这一趋势，使病害更加严重。连作导致线虫群体数量急剧增加，加剧对植物的危害，是造成药用植物减产或绝收的主要因素。连作条件下土壤生态环境对药用植物生长有很大的影响，尤其是植株的残体与病原微生物的代谢产物对药用植物有致毒作用，并连同植物根系分泌的自毒物质一起，影响植株代谢，最后导致自毒作用的发生。另外，在缺氧环境条件下利于微生物分解残留在土壤中的作物残体，并转化为毒性物质，影响后作生长发育。枯死的植物残体或者死亡的根系，包括脱落在土壤中的根毛和须根很快腐败，分解产生酚类化合物，如羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和羟基肉桂酸等;枯死枝叶分解产生的阿魏酸和咖啡酸等也将随落雨进入土壤。酚类化合物在土壤中积累达到一定程度会抑制植物根系的发育。土壤中聚居着细菌、放线菌、真菌、藻、原生动物和病毒，它们对土壤肥力的形成、植物营养的转化起着极其重要的作用。土壤中微生物总量、活性和有益微生物数量是判断土壤活性的重要指标，自毒物质的积累抑制了土壤微生物生长，使得连作土壤中微生物总量减少。同时，随连作次数增多，土壤微生物区系由低肥的 “细菌型”向高肥的 “真菌型”发展，病原菌增加，寄生型长蠕孢菌大量滋生，致使药用植物病害严重。本课题组研究地黄连作障碍的土壤微生物区系及肥力变化状况[14]的结果表明，地黄连作对其根际微生物区系及土壤酶活性产生了较大的影响，随种植年限增加，根际细菌和真菌减少，但差异均不显著;放线菌增多，连作2年的土壤约为1年的4倍;土壤中氨化细菌、好气性固氮菌和硫化细菌分别增加了25.99倍、45.39倍和11.43倍;反硝化细菌和嫌气性纤维素分解菌也增加了136.26%和142.99%;而好气性纤维素分解菌减少了86.74%。说明地黄连作会破坏根际微生物种群平衡。地黄连作2年土壤的有机质、全磷、有效磷含量和pH分别比种植1年的土壤增加7.92%、25.00%、45.04%和1.41%。全氮、水解性氮和速效钾的含量也明显增加，分别是1年的1.89倍、1.32倍和1.06倍。全钾含量的变化正好相反。连作2年土壤的阳离子交换量与种植1年相比变化不大。研究结果表明连作后土壤肥力良好，这可能是由于根系分泌物对其根际土壤中的微生物产生了重大影响，从而抑制植物对营养物质的吸收和利用，造成土壤营养物质增多，但地黄却无法正常生长发育。

最近我们还采用了T-RFLP方法进一步验证地黄连作对土壤微生物多样性的影响[15]，结果反映出对照(未种)、种植1年(头茬)和连作2年(重茬)的3种土壤根际细菌群落及其结构的明显差异。对照、头茬和重茬的土壤中分别获得145、123和81个片段。头茬和重茬的差异片段分别有73和31个。头茬土壤的差异片段包括2个界、8个门、13个纲，重茬土壤的差异片段包括1个界、5个门、10个纲。头茬土壤细菌种群多样性显著大于重茬土壤。头茬土壤中厚壁菌门的芽孢杆菌纲是优势群落，比例为62.71%，但到了重茬土壤，其优势群落变成变形菌门ε-变形菌纲，所占的比例为25.93%，其次才是芽孢杆菌纲。由于芽孢杆菌纲中很多细菌能降解土壤中酚酸类、苯酚类等有毒化合物，所以重茬土壤中改善植物根际生态环境的益生菌种类大量减少，出现了许多属于ε-变形菌纲的幽门螺杆菌、帕美特螺杆菌等致病菌，破坏了地黄原有的细菌群落结构，群落的多样性下降，进而影响了群落的生态功能。就土壤外生菌根真菌群落多样性而言，头茬和重茬的土壤分别获得15和12个片段，绝大部分是外生菌根真菌，这12种菌根真菌都属于担子菌亚门，除了猪苓、脐形鸡油菌和橙黄硬皮马勃分属于非褶菌目和硬皮马勃目外，其他都属于伞菌目。重茬土壤中橙黄硬皮马勃、乳菇属真菌、猪苓这些有益真菌分别降低了52.91%、55.05%和15.99%，可能导致植物中病虫害的增加和传播，加剧了连作障碍的效应。此外还存在能产生毒素的灰鹅膏菌。显然，这样的土壤微生物环境不利于连作药用植物的健康生长。土壤植物根际是一个复杂的生态环境，由于植物根系的分泌、地上部分的淋洗、凋落物及有机物的腐解、微生物的活动等多种途径，使植物根际周围存在着各种各样的化合物，这些物质往往会通过影响土壤中营养物质的有效形态及微生物种群的分布等影响其他植物或自身植物的生长与发育。许多化感物质不仅影响邻近植物的生长发育，也影响到土壤的理化性质，改变其养分状况，进而影响植物自身的生长。

3 对 “亚最适”环境生态因子的调控是药用植物栽培的技术关键

不难知道，药用植物中含有防病治病的活性成分，多数是植物在逆境胁迫下的产物，因此，药用植物规范化栽培的技术关键，不仅要提供 “良好”的生长条件，更要注意 “亚最适环境”条件下生长生态因子的调控。某种意义上是研究如何运用 “农艺措施”提供给药用植物 “信号”(环境刺激)，产生更多的 “活性物质”(次生物质)。而这些活性物质(信号物质)又是药用植物的化感自毒物质，所以药用植物化感物质与有效成分的 “同源性”，使得药用植物的化感自毒作用更强烈，造成的连作障碍更普遍。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。在资源匮乏条件下，植物对有限资源的竞争能力决定着其生存能力，而资源有限的条件下植物通过物理手段获得资源的能力大大降低，就会采用化学方法来增强其竞争能力，因此，化感作用的增强无疑具有重大的意义[9]。虽然从其现象上看，化感作用非常简单，或抑制或促进，但其产生机理十分复杂，涉及从供体到受体的一系列的信号传递、转导，以及诱导的生理生态响应，代谢物在介质中的迁移、转变、修饰，化感性状的定位与遗传等等。若要调节生物促进或抑制某种特定化感物质的产生，必须从代谢水平上对其进行调控。

中药材品质形成的环境协迫(Environmental stress)效应是药用植物栽培区别于普通作物栽培的重要特点。因此，药用植物规范化栽培的目的，不应该追求中药材具有较高的 “有效成分含量”，应在产品(药材)具有适当的活性成分含量(符合《中国药典》标准)的基础上，以获得最大生物产量为目标，提高有效成分的产量。笔者认为，药用植物化感自毒物质的产生和释放，是植物在环境胁迫的压力下形成的，也是药用植物在进化过程中产生的一种对环境的适应性机制。所以，彻底消除药用植物的化感自毒作用是不现实的。减缓药用植物连作障碍的影响，应该以生态控制为主，建立合理的轮作制度，构建高效的复合群体(间作、混作、套作等为主)，既能有效利用不同的土壤养分，又可以调节微生物群落，使土壤病害受到控制。根据药用植物自毒作用理论，亲缘关系越远，轮作的效果越好。同时，应注重深耕改土、平衡(配方)施肥;栽培管理中，科学运用微生物肥料和生物农药，运用嫁接技术选用抗性砧木等综合农艺措施缓减连作障碍，实现药用植物生态栽培，确保中药材质量 “安全、有效、稳定、可控”。

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国家自然科学基金项目(30973875，30772729)，国家 “十一五”科技支撑计划项目(2006BAI09B03)

*张重义，Tel:(0371)63555721，E-mail:hauzzy@163.com;*林文雄，E-mail:wenxiong181@163.com

2010-08-20)