植物黄酮类化合物的化学生态学功能及中药材定向栽培的构想△

曾燕，郭兰萍，王继永*，黄璐琦*

(1.中国中药公司，北京 102600；2.中国中医科学院 中药资源中心，北京 100700)

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植物黄酮类化合物的化学生态学功能及中药材定向栽培的构想△

曾燕1，郭兰萍2，王继永1*，黄璐琦2*

(1.中国中药公司，北京 102600；2.中国中医科学院 中药资源中心，北京 100700)

植物黄酮类化合物是一类具有多种生物活性的次生代谢产物，也是很多中药材的有效成分，其合成受到植物体内一系列系列酶的调控，而相关酶的合成和活性又受到植物生长过程中一系列环境因子的影响。在中药材栽培过程中，可通过一定的调控措施，创造利于目标药效成分积累的环境条件，如通过增强紫外照射，适度的温度、干旱和营养胁迫等进行诱导，或采用特定的栽培措施提高中药材黄酮药效成分。在生产实践中，可通过多因素、多水平的正交试验，对这些影响药效成分的关键因子进行筛选组合，并以特定药效成分为目标进行栽培技术的优选，从而进行中药材的定向栽培。

黄酮化合物；定向栽培；化学生态；环境因子

黄酮类化合物(flavonoids)是植物体内产生的一类次生代谢产物，其生物合成起始于苯丙烷代谢途径[1]，先以丙二酰辅酶A和4-香豆酰-辅酶A为底物经查尔酮合成酶催化形成查尔酮，然后再通过查尔酮异构酶、查尔酮还原酶、异黄酮合成酶、黄烷酮醇还原酶等多个催化的酶促反应合成黄酮、黄烷酮、黄酮醇、异黄酮、二氢异黄酮、花青素等不同类型的黄酮成分。

植物黄酮成分是植物与环境协同进化过程中产生的一类防御物质，具有抵抗病虫害，防止紫外线灼伤，吸引昆虫授粉等功能。对人类而言，这类化合物也是很多药用植物中起到治疗作用的活性成分，具有抗菌、消炎、保肝、抗病毒、保护心血管等诸多生理功效，是治疗心血管疾病、抗衰老、美容药物和天然抗氧化剂的重要成分[2]。遗传和生长环境是影响药用植物黄酮类药用成分的主要因素。在药用植物栽培过程中，栽培环境的选择和栽培管理措施都会影响药用植物黄酮药效成分含量和组成，通过人为调控相应的环境因素或栽培措施，可对特定的黄酮类药效成分进行调控，对中药材进行定向栽培。

1 植物黄酮化合物的化学生态学意义

黄酮类化合物是很多植物体内的重要的次生代谢产物，是植物组织中红色、蓝色、及紫色花青素等色素成分，在植物繁殖和植物胁迫保护过程中起着重要的作用[3]。

某些黄酮类物质可以对植物体内某些酶活性以及膜的透性产生影响，从而影响植物的新陈代谢。黄酮类化合物还与植物生长调节剂生长素的极性运输有关，影响吲哚乙酸或其它激素(如细胞分裂素、乙烯等)的水平，在调节根生长和养分吸收中起着重要作用[4-5]。豆科植物根系分泌黄酮类物质到根际土壤中，在根瘤菌与植物的共生结瘤过程中起重要作用，如作为结瘤信号诱导根瘤菌结瘤基因的表达，同时对根瘤菌趋化、生长繁殖、根瘤的发育和固氮有显著作用[6-7]。黄酮类化合物可作为植物化学防御物质，诱导和参与组织和病源微生物的防御反应，具有抗病毒、抗细菌活性，可作为植保素在植物体内积累，抑制植株病原微生物生长[8-9]。

2 影响植物黄酮化合物合成的环境因素

相对初生代谢产物，植物次生代谢产物的产生和变化与环境有更强的相关性和对应性[10-11]。不同环境生长的同种植物其所含的次生代谢产物有差异，环境因素中的光照、温度、降雨量、土壤质地、土壤肥力等均会影响植物次生代谢过程，从而导致次生代谢的绝对含量和相对含量发生变化[12]。

2.1 光照

一般来说，增加太阳辐照能提高植物黄酮类化学成分的含量，但是否增加照射的强度和辐照时间和特定的黄酮类化学成分增加量成正比呢？Tattini等[13]用遮阴、半遮阴和不遮阴的方法考察太阳辐射对欧洲女贞Ligustrumvulgare叶片黄酮成分的影响，结果发现太阳辐照越强，槲皮苷等黄酮成分含量也越高。Agati Giovanni等[14]采用耦合微量荧光标记法和多谱荧光缩微图像技术对阔叶欧女贞PhillyrealatifoliaL.的叶片进行了研究，发现给予部分遮荫条件的叶片仅在近轴的表皮层有芹菜素、槲皮素和木犀草素等黄酮类成分的积累，而完全曝露在光下的叶片，叶片的近轴到远轴的表皮层和内层海绵组织中的黄酮类成分都显著增加。由此可见，光辐射较少时，黄酮成分只在植物组织的表层有一定的积累，随着光辐照的增加，植物组织中黄酮不仅在单位浓度上有增加，而且出现的组织区域也增加了。林忠宁等[15]对福建8个不同产地胜红蓟总黄酮含量进行了测定，结果发现胜红蓟总黄酮含量与年日照时数出现显著的正相关，总黄酮含量波动范围7.95%～18.81%，波动达2.36倍。汪海峰等[16]研究认为，高海拔地区日照时间多于低海拔地区是影响银杏叶黄酮苷含量的一个重要因素，海拔越高日照越长，较长的日照时间更有利于银杏叶中黄酮苷的积累。毛立彦[17]研究了光照强度对曼陀罗的影响，研究来用了5个不同强度的光照，发现随着光照强度的增强，曼陀罗茎中的花色素苷、类黄酮及总酚含量随着光照强度的增强而升高。L.Rhonda Feinbaum等[18]发现在转基因的拟南芥中，拟南芥查尔酮合成酶(CHS)的一些基因片段表达水平与光照呈正相关，预示着某些黄酮类物质的积累和光照强度呈正相关。由此可见，随着太阳辐照的增强，被诱导的黄酮类物质成正比增长。

但也有研究显示，随着光照强度的增加，植物所含黄酮类成分会出现先增加后下降的趋势。如王华田等[19]采用不同的透光光强(18%～100%)观察光照强度对银杏叶片黄酮含量的影响，发现随着光照强度的增加，银杏叶片中黄酮含量变化呈现倒U型，在42%自然光强时黄酮含量最高。谢宝东[20]研究也认为，光照强度过弱或过强，银杏所含黄酮都呈下降趋势，在一定全光照的45%～60%出现最大值。

由于紫外中的UV-B(波长280～315 nm的光)能被很多生物大分子如蛋白质和核酸吸收并引起分子构象的变化，其辐射增强将导致植物叶片中紫外吸收物含量的增加，紫外吸收物与植物的UV-B敏感性之间有密切联系[21-24]，将改变植物体内的激素代谢，影响植物整个生理过程[24-28]。紫外吸收物主要是植物中的酚类物质，如黄酮、黄酮醇、花色素苷，以及烯萜类化合物如类胡萝卜素、树脂等，其中黄酮类物质是最主要的[29]，这些物质可以对UV-B辐射形成一道天然屏障，从而减少紫外辐射对植物的伤害[30-31]。

除了吸收紫外辐射外，黄酮化合物对植物还有化学保护作用，特别是附加羟基的类黄酮、黄酮醇及黄酮是很有效的自由基的淬灭剂和还原剂[32-33]，它们对UV-B辐射增强引起的自由基增多有减灭作用。如UV-B可诱导Betulapendula产生几种酚类来防御辐射造成的伤害，且它们的含量依赖于UV-B辐射的每日时间积分辐射量[34]。其机理研究表明，黄酮合成的关键酶受紫外和蓝光调控，在UV-B辐射下，黄酮合成途径的相关酶出现积累或活性加强，引起植物体内黄酮成分的增加[35]。此外，UV-B辐射还能诱导抗疾病、抗伤害及防卫基因的表达[36]。

在不同光质中，虽然红光和蓝光对黄酮类成分合成也有促进作用，但是紫外光对黄酮类成分合成的促进效果最显著。Natividad Chaves等[37]考察季节变化对岩玫瑰Cistusladanifer植株分泌物中的黄酮含量影响试验中发现，夏季比春节植株中黄酮的含量可以高出3～4倍，认为是夏季紫外辐照更多造成的。谢宝东等[20]研究发现，光质能影响银杏叶中黄酮的含量，长波段的光(如红光)不利于银杏中黄酮成分的积累，短波段的光(如蓝光)有利于银杏黄酮成分的积累。苏文华等[38]用遮阳网和不同颜色塑料开展光强和光质对灯盏花的影响，认为光强和光质能影响灯盏花生长与总黄酮量。Suneetha Alokam等[39]报道，红光/远红光比列分别为1.9和0.7的不同生态环境中，前者长须银柴胡Stellarialongipes花青素含量普遍大于后者，主要原因是CHS的活性增加。CHS是植物合成黄酮类物质的重要酶，其表达对光敏感，紫外和蓝光能够促进CHS表达，且有协同作用[40]。

相关研究也显示，植物紫外吸收物特征在不同物种间差异较大。Ziska[41]发现高海拔地区收集的种子在低海拔地区种植，仍保持其母本具有较高的紫外吸收特性，且其紫外吸收物含量不因辐射增强而加；而在UV-B辐射增强的情况下，低海拔地区的植物叶片将受到伤害。林植芳等[42]研究了自然条件下57种亚热带植物叶片UV-B吸收物质的含量，发现阳性植物叶片比阴性植物叶片富含较大UV-B吸收物，且阳性植物中UV-B吸收物含量顺序为：乔木>灌木>草本。Gordon[43]研究了4种植物叶表的蜡质组分对UV-B辐射增强响应的情况，结果其中3种植物叶表蜡质发生了改变，有1种的叶表蜡质组成没受影响。Searles等[44]发现南美沼泽生态系统中，UV-B对1种藓类5种优势维棺植物的紫外吸收物质没有影响。Warren等[45]研究4种不同植物受UV-B辐射后，叶片中总黄酮含量未发生变化，但是每个种都有某些特定的黄酮化合物含量发生显著变化。由此可见，物种间的差异将导致植物紫外吸收能力的不同。

不同物种所含的黄酮类物质的成多样化，黄酮物质的结构各有不同，对增强紫外辐射的响应也自然不一样。Tegelberg等[46]分析了在自然光照和UV-B辐射增强的条件下的Salixmyrsinifolia叶片中紫外吸收物的含量，结果发现：UV-B辐射增强使总黄酮含量显著增加，但其不同组分增加幅度大小不一。具有较大UV-B辐射屏蔽效应的毛地黄黄酮和一种杨梅黄酮衍生物含量增幅很大，屏蔽效应较弱的单宁增加幅度较小，而2种水杨酸含量则降低。

另外，光周期对黄酮的调控基因及黄酮成分都有影响。研究发现，一些植物中合成黄酮成分的前提物质苯丙素呈现昼夜节律变化，如出现上午高、下午下降的规律。在对黄芩的研究中发现，长光照周期(16 h光照/8 h黑暗)利于根中黄酮类成分的合成，而短光照周期(8 h光照/16 h黑暗)能促进其合成，说明光周期对植物黄酮类成分的合成具有显著影响。这主要是短光照让植物经历了长时间的适应之后，每个昼夜的黑暗环境能促使其累积足够多的蔗糖，在光照刺激下相关基因活性增加，黄酮类成分立即大量合成[47-48]。绿色植物的糖代谢呈现明显的日夜节律性变化。在白天光照强度足够大的前提下，充足的黑暗时间反而有助于黄芩叶将光合作用产物通过次生代谢有效地转化为黄酮类成分，在根中作为代谢末端产物储存[47]。

2.2 温度

温度胁迫常诱导植物清除活性氧的相关酶(如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶或其他抗氧化酶)更多表达，导致一些列的生理生化变化，将影响植物次生代谢产物[49]。低温胁迫将导致植物酚类(如黄酮类物质)次生代谢物量和质的变化[50-51]。Ncube等[52]认为，由于低温胁迫效应，植物在冬季有更高含量的酚类物质。

黄酮是重要的酚类物质，也是植物中含有的主要次生代谢产物之一。较低的温度可以使植物黄酮类成分合成途径中的相关酶的活性大幅度增加，从而增加植物黄酮类物质的积累[53-54]。郑燕影等[55]考察了中国南部3省6个红树群落中木榄Bruguieragymnorhiza叶片的总黄酮含量和影响总黄酮含量变化的环境因子，发现不同红树群落中木榄叶片总黄酮含量与环境中的平均气温呈现明显的负相关。同时发现，木榄叶片总黄酮含量在12月份左右最高，3-9月份相对偏低，这也说明低温有利于黄酮合成。这可能与低温诱导植物体内的ABA合成途径的加强有关[56-57]。低温处理可以使植物中黄酮类成分短时间迅速上升，如有研究发现冷应激处理可以快速增加山楂叶片中表儿茶素和金丝桃苷的含量[58]，在10 ℃下对大豆根进行24 h的低温处理，其所含的异黄酮和酚酸的含量迅速提高[59]。而增加温度将使黄酮成分下降，当温度从18 ℃升到28 ℃时，大豆中的异黄酮含量可减少90%[60]。

低温会促进黄酮类物质花青素的合成，高温使植物分解代谢加剧，导致花青素合成减少和分解。增加夜间高温会抑制葡萄相关酶CHS、F3H、DFR、LDOX和UFGT的表达，降低其活性，导致果皮中的花青素积累减少[61]。对其他很多物种如玉米、拟南芥和矮牵牛等的研究中也有同样的发现，证实低温可诱导多种植物幼苗花青素积累，会提高幼苗中HY5/HYH转录因子水平，促进相关酶的表达，从而诱导花青素的积累[62]。

另外，研究人员发现增加昼夜温差利于促进黄酮的生物合成，李卫东等[63]考察了大豆主产区不同试验点的100余份大豆样本，考察了大豆所含异黄酮与气象因子的关系，发现较大的昼夜温差有利于大豆异黄酮的积累[60]。

而毛立彦[17]研究发现，紫花曼陀罗茎中的花色素苷、类黄酮及总酚含量均随温度升高均呈先升后降的趋势，认为温度对由类黄酮向花色素苷合成无显著影响，温度的升高对总酚的合成积累不利，说明了紫花曼陀罗对自身产生的有害物质的清除能力较强。

由此可见，较低的平均温度，较大的日夜温差均有利于某些作物黄酮类次生代谢物质的积累，这种效应在分子水平已得到验证。但低温对植物黄酮类物质的影响也与处理的时间有关，也和与不同物种本身的特性有关，这需要针对性地进行科学考察才能发现其规律。

2.3 水分

一般认为干旱胁迫给植物带来一系列的生理代谢变化，最终影响其次生代谢产物的种类和含量。在干旱的时候，植物会产生相应的应激反应，叶片气孔关闭，CO2吸收速率急速下降，C转化下降，导致NADPH+H+消耗减少而大量过剩，从而更过量的次生代谢产物加速合成，包括很多黄酮类成分[64-65]。

很多研究也表明，适度干旱能够增加植物中黄酮类物质的含量[47]。如研究发现干旱处理可以增加山楂叶片中表儿茶素和金丝桃苷的含量[58]，干旱胁迫有利于成熟的葡萄中花青素的生物合成[66]等。谢宝东[20]研究发现，土壤含水量不同，银杏所含黄酮含量有差异，土壤水分量由51%减少到19%时，黄酮含量增加了1.58倍，适度的干旱有利于黄酮成分的积累。研究者在黄芩生长季节设4种供水处理，分为严重干旱处理、中度干旱处理、轻度干旱处理和充分供水处理，结果发现，适度水分胁迫即轻度干旱和中度干旱时理时不仅能提高黄芩产量，而且其药用成分黄芩苷也有所增加[67]。采用田间试验发现，灌水量过少或过多都不利于枸杞子总黄酮的积累，适宜的灌水量能促进枸杞子中总黄酮的生成，从而提高枸杞药材品质[68]。

干旱胁迫对植物不同器官黄酮成分的影响可能不一致，如随着干旱胁迫程度的增加，黄芩根中的黄芩苷含量不断上升，而茎和叶中的黄芩苷含量出现了现先增加后减少的倒“U”现象。

另外，研究认为，植物所含黄酮类物质根据季节不同发生变化，冬季含量较高，这可能与冬季较旱形成了干旱胁迫有关[69-70]。水分胁迫对植物叶片中黄酮类物质的影响也会因叶龄的差异而有所不同，嫩叶较老叶更容易被诱导相关的次生代谢物质[64,71]。

干旱胁迫提高植物黄酮类成分的含量，但过度缺水也不利于这类成分的积累。如采用盆栽试验研究发现，淫羊藿EpimediumdavidiiFranch黄酮的含量在干旱处理的第2d达到最大值，4d后回到对照水平，但其后含量与对照没有明显差异[72]。研究发现，适度干旱在短时内能诱导黄芩黄酮类成分的合成，过度缺水将导致黄芩根中黄酮类化合物含量急剧下降，其原因可能是干旱降低了黄酮类生物合成上游碳源的供应，同时大量的黄酮类成分被消耗用于抵御干旱胁迫引起的自由基损伤[47]。

由于药用植物对干旱胁迫会有一个适应过程，其黄酮类药效成分在水分胁迫初期可能变化不明显，但到了中后期容易出现显著增加。如研究者对苦荞幼苗黄酮类物质含量与水分胁迫之间的关系进行了研究，水分胁迫可以提高荞麦黄酮和芦丁的含量，但在最初的2～6 d时变化不明显，8～10 d后出增加显著[73]。

2.4 矿质营养

植物的矿质营养平衡会影响其代谢过程，最终影响其次生代谢产物的组成和含量[74]。Bryant[75]提出的C/N平衡假说认为，营养元素的缺乏将导致以C为基础的次生代谢产物合成减少，这是植物自身平衡调节的结果。植物基础代谢只有在能量满足了自身基本生长需求之后，才能将多余的C和N资源分配到生产次生代谢产物的过程中去。科学家认为，植物体内的前体分子浓度将影响次生代谢物的配比，如当植物C/N比例增大时，C元素为基础的次生代谢就更加活跃，从而导致以C元素为基础的次生代谢产物大量积累。这就意味着如果植物遭受营养胁迫，酚酸类和萜类次生代谢产物将大量积累，而生物碱类次生代谢产物将减少积累，及适度的营养胁迫能提高药用植物黄酮类药效成分含量[76-77]。同时，在土壤低氮条件下，黄酮和异黄酮合成相关基因的转录水平升高[78]，植物次生代谢从生物碱向苯丙素类成分转化[79]，这些研究从分子水平给与C/N平衡假说提供了证据。

土壤中的大量矿质元素会影响植物黄酮成分含量，较高的土壤营养供应不利于黄酮类成分的积累，而矿质营养胁迫能诱导植物黄酮类化合物的积累，以应对环境胁迫[71]。Hunt等[80]研究了黄瓜在不同浓度氮素水平和不同强度的UV-B辐射下的生长情况，发现较高的氮素和增强的UV-B辐射降低了黄瓜的生物量，且光抑制作用增强；在较低的氮水平下，增强的UV-B辐射使叶中类黄酮含量增加了72%。Stewart等[81]研究了不同施肥情况对番茄生理生态的影响，发现限制氮肥后，植物叶片中的黄酮醇含量显著增加，限制磷肥后果实中的黄酮醇含量显著增加，而在矿质元素较高时，将导致植物黄酮类化学成分含量下降。Bjorn[82]等研究发现，在增强的UV-B条件下，过量地施用氮肥时将导致黑麦和玉米叶片中的类黄酮下降，对增强的UV-B更为敏感。Strisse等[83]认为，高氮降低了苹果叶片中总黄酮含量，其机制在于使PAL的活性下调了，从而影响下游黄酮的合成。

但也有研究认为，大量元素有利于植物黄酮类成分的积累。如林忠宁等[15]对福建不同产地胜红蓟的总黄酮含量进行了测定，结果发现胜红蓟的总黄酮含量与土壤的速效钾含量具有显著的正相关。由于研究对象的不同，植物的需肥生理有差异，土壤营养元素的对特定植物的营养供应是高还是低，这都是相对而言。在土壤本底比较贫瘠的背景下，植物黄酮含量将随土壤营养元素的增加而上升是可以理解的。

除了大量元素外，植物生长环境中的微量元素也对其黄酮类次生代谢过程有影响。如研究人员采用组织培养的方法考察了微量元素对银杏愈伤组织中黄酮成分的影响，发现其中的黄酮醇糖苷的含量随Zn2+、Mn2+、Mo6+、Cu2+、Co2+等微量元素变化而受影响[84]。研究还发现，Cu2+可以通过增强PAL的活性促进红豆杉Taxuschinensis愈伤组织中黄酮醇苷的合成，适量的Ca2+可以诱导CHS合成[85]。另外，环境中的稀土元素也能影响植物黄酮成分的合成。如研究发现，稀土元素Ce3+和La3+可提高水母雪莲细胞中黄酮的含量[86]，适当浓度的Ce4+可促进悬浮培养的南方红豆杉细胞PAL的活性，增加总黄酮含量[87]。

2.5 多因素的复合作用

在自然条件下，植物可能要同时适应较强的光照、高温、干旱、营养缺乏、CO2升高等环境条件的变化，如果仅考虑单一环境生态因子对植物次生代谢过程的影响，则很难正确评估整体环境带来的各种生态学效应[88]。各种生态因子对植物黄酮类化学成分的影响是及其复杂的，目前很多实验都是在固定其他环境因子的情况下变化某一环境因子，从而考察植物的黄酮次生代谢的变化的受控试验。但这种情况在自然条件下并不多见。

Murali等[89]发现，无论减少磷供应还是增加UV-B辐射都能显著增加豌豆叶子的黄酮含量，而它们的复合作用导致了最大的黄酮积累。因此认为豌豆对UV-B辐射的敏感性与磷供应有关，低磷供应时它对UV-B辐射不敏感，可能是因为低磷供应时，它的叶厚和黄酮含量增加对UV-B辐射有防护作用。Lavola等[90]对垂枝桦的叶片进行化学分析发现，高浓度CO2降低了叶子的酚酸和两种类黄酮的含量，而同时增加的UV-B辐射导致类黄酮含量的增加。刘叔倩等[91]比较了不同地区银杏叶黄酮含量，发现存在很大差异，进一步比较6个气候区的海拔、年降水量、>10 ℃积温、年平均温度及土质5个环境因子与银杏叶总黄酮含量的关系，认为银杏叶总黄酮的含量变化可能是多种环境因子相互作用的结果，而并非只与单一的环境因子有直接的相关关系。温度、光、激素、水分、矿质元素、糖等因子也可以调控花青素的合成，而且各因子对花青素的调控往往不是单独进行的，可能同时还受到其他因素的影响或与其他因素一同进行花青素的调控。王曼等[92]研究发现，蔗糖参与蓝光对拟南芥叶片CHS基因表达的诱导，缺乏蔗糖会降低蓝光诱导的花青素积累。低温会明显诱导拟南芥花青素的积累，但这需要光的参与[37]。蔗糖和激素处理拟南芥，发现赤霉素会抑制蔗糖诱导的花青素合成，而茉莉酸和脱落酸会与糖协同作用诱导花青素[93]。可见，植物的次生代谢过程受多因素的影响，分析综合影响的结果才能更好地评价植物在自然环境中的生理变化，才能更好地预测黄酮次生代谢产物的波动方向。这种研究是可观的，是具有生产意义的。

综上所述，目前的研究认为紫外辐射、高光强、低温、干旱、营养缺乏、高浓度CO2等因素均可能促进黄酮的合成。其中光照和温度影响最大，可直接影响到合成途径中的关键酶的活性，对植株中黄酮含量有明显调节作用。矿质影响对黄酮的影响多停留在离体组织的研究，而水分的影响还有待于进一步明确其机理，二氧化碳浓度只是一个间接影响因素，主要是通过影响黄酮我只前体的数量来影响其合成[13]。

3 中药材定向栽培的构想

3.1 栽培适宜区的选择

首先，中药栽培区的选择是影响中药材品质和产量的最为重要的因素之一，道地区域的选择是进行道地药材栽培最重要最根本的原则。在选择合适的栽培区之后，再考察影响药用植物主要药效成分的环境因子，从而利用自然和人为的综合因素，生产优质中药材。

栽培区域的选择，在很大程度上直接实现了光照、水分的自然调控。因此，中药材适宜区的选择是实现定向栽培首先要考虑的因素，这样才能从“源头”上把控药材的品质，有时人为的定向栽培措施往往只是辅助的技术手段。

3.2 光照控制

在自然光下，紫外线强度的改变，会导致药用植物黄酮类成分的变化，对栽培区域、栽培坡向进行选择，可以改变植物接受紫外线照射到强度和累积照受量。或通过人为建设大棚，安装紫外照射灯，可以定时、定强度、定周期进行紫外线照射调节。在相关的基础研究上，通过相关的措施，使药用植物紫外照射环境发生改变，可以定向诱导某些黄酮类药效成分的改变，增加目标成分含量。如特质的塑料板、塑料布、特定波长的灯照、聚光装置等等。通过短时间的光照处理，可以使植物中黄酮类成分快速增加[47]，那么通过短时间的增强紫外光照处理，同样能快速有效地增加药用植物黄酮类功效成分的增加，这一现象已有很多研究予以证实了。

周丽莉等[96]在田间条件下研究增强UV-B辐射对丹参药用有效成分的影响。结果发现，与自然光照射相比，增强UV-B辐射处理明显增加丹参叶片类黄酮物质含量，收获期丹参根部水溶性有效成分迷迭香酸和丹酚酸B含量分别增加6%～17%和3%～5%。从而认为，采用增强UV-B照射方法，以增加丹参药材中迷迭香酸和丹酚酸B含量为目标的定向栽培是可行的。

唐文婷等[97]采用紫外灯管植株上方悬挂补光的方式，在田间每天增强紫外补光8 h，共持续28 d，结果发现，UV-B辐射能促进黄芩根中类黄酮及其苷类化合物的产生和积累。这一发现暗示我们可以通过某些外接设备(如紫外灯，及其他能够产生或聚集紫外线的设备)，对该类药用植物进行人工补充紫外辐照，根据我们对药材的品质需求，进行人为的药材品质调控，达到定向生产药材的目的。

朱媛等[98]在田间条件下，采用UV-B300W紫外灯管悬于灯盏花上方，每天辐照7 h，分别考察灯盏花不同生长期增强紫外辐照的影响，结果发现，不同时期UV-B辐射增强能显著提高灯盏花各部位总黄酮含量和总产量，总黄酮增加4.01%，从而认为通过增加UV-B辐射来增加灯盏花药用有效成分总黄酮产量是可行的，且以灯盏花花期进行UV-B辐射30d具有较好的效果。由此可见，增强紫外辐照以达到定向生产药材的目的时，必须注意增强紫外辐照的时间点和照射周期，筛选制定科学经济的“辐照方案”是实际生产中非常关注的问题。

张琪等[99]设置田间小区试验，在自然光基础上，采用紫外灯(308 nm)增强UV-B辐照，分为高、中和低三个强度的辐照，每隔15 d取样分析一次，研究UV-B对甘草光合作用和有效成分积累变化。结果发现，UV-B辐照能影响甘草中黄酮类物质增加，其影响程度受辐射强度的影响，其中重度UV-B辐射显著降低甘草酸和甘草苷的含量；轻度和中度照射可以提高甘草苷和总黄酮质量分数，但这种增加效应可能随着甘草地上部分的枯萎而逐渐消失；同时，在这种人为增强紫外辐照的过程中，能影响甘草黄酮类药效成分积累的正常规律。可见，在人为增强紫外辐照的过程中，过犹不及，少则无效，需要进一步的技术摸索。同时，在进行人为增强紫外辐照的过程中，由于增强紫外辐照后，药用植物的生理生态发生了一系列变化，包括药材药效成分的积累规律也发生了变化，有别于正常生长的药材，故定向生产药材的采收规律也需要进行从新摸索。

Sun等[100]采用UV-B辐射处理新鲜的离体银杏叶片，发现适量的辐射强度对银杏叶辐照2 h就能使4月的嫩叶中的黄酮含量增加50%以上(7月和9月的老叶片紫外诱导总黄酮量比较少)，认为UV-B辐射可能是一种新的且可行性较强的提高鲜药材中的药效成分含量的方法。这一研究提示我们，可通过短时间内增强紫外辐照，提供一种快速、易行且低成本的方法提高药用植物药效成分含量。同时，诱导叶类药材时叶片的选择时间非常重要，一般来说嫩叶对紫外辐照更加敏感，更适合再用增强紫外辐照的方式进行处理。另外，辐照时间需要筛选，综合药效成分增加量和时间成本，选择最佳辐照时间。如果药用部位在离体情况下也能通过短时间内增强紫外辐照迅速积累药效成分，这在工业上就可以大批量进行，产业化将成为可能。但是，对于新采集的根部药材是否可以采用这种及时辐照处理的方法提高特定黄酮类药效成分的含量，相关研究未见报道。

周丽莉等[96]认为采用增强紫外辐照的方法定向生产中药材时，导致中药材药效药效成分的增加强度和方向是否有利于药材总经济产量的提高还需要技术摸索确定。如在田间条件下研究紫外辐射对丹参Salviamiltiorrhiza生长、发育和次生代谢物质的影响，发现辐照抑制丹参的生长导致生物产量下降，丹参根部水溶性有效成分含量迷迭香酸、丹酚酸B则均有所增加，而脂溶性有效成分含量-丹参酮I、隐丹参酮和丹参酮IIA却分别降低了。可见，综合评价辐射诱导的经济效果需要依据目标而定，紫外辐射后可能总产量下降了，如果产量是影响经济效益的主要指标，则不利于综合效益的提高。如果了是定向需要较高迷迭香酸、丹酚酸B含量的药材，则可能实现较高的经济效益。再如，采用田间试验发现，虽然UV-B辐射导致灯盏花总生物量下降，各药效成分含量有所增加，且在不同的生长时期变化幅度不一样。而只有在花期时盏花总黄酮、灯盏乙素和咖啡酸酯总产量均显著增加，有利于综合经济效益的提高，其他生长阶段都导致总经济效益下降[98]。

H3：政府职责对新疆农产品品牌竞争力有正向影响，即政府部门对农业产业发展的监管作用、协调作用、奖惩作用越显著，新疆农产品区域品牌竞争力越强。

另外，光周期对黄酮的调控基因及黄酮成分都有影响，绿色植物的糖代谢呈现明显的日夜节律性变化。在白天光照强度足够大的前提下，充足的黑暗时间反而有助于黄芩叶将光合作用产物通过次生代谢有效地转化为黄酮类成分，在根中作为代谢末端产物储存。在研究黄芩时就发现短光照处理后黄芩中的黄酮类药效成分显著地增加了。如果我们以高含量黄芩苷药材为目标时，就可以通过减少白天光照时间，使黄芩苷含量增加。但研究人员也发现，此时黄芩素和汉黄芩素则出现下降趋势。所以，在进行光照调节时，首先要明确我们的目标成分是什么，然后采取合适的方法进行定向栽培[47]。

在实际生产中，因地制宜，灵活变化非常重要。如可采用林下种植的方式对药用植物栽培的环境光照强度进行自然调节[101-102]。我们通过特定药用植物需光特性和药材药效成分之间的相关性，需找合适的林地进行林下栽培药材，林子的疏密和位置可以调节药用植物生长环境的光照强度和光照时间，从而可以利用既有的环境进行药用植物的定向栽培。

值得注意的是，通过紫外辐照定向生产药材时，黄酮类药效成分的含量和诸多药效成分之间的比例将发生一定的变化[46](具有较大UV-B辐射屏蔽效应的黄酮类成分增加幅度可能较大)，可能会导致该药材药用功效量和质的变化，这对于临床用药安全可能带来隐患。所以，紫外辐照定向生产药材需要考虑用药安全的问题，相关研究需要进一步评价。如增强紫外辐射处理使丹参根部水溶性有效成分含量-迷迭香酸和丹酚酸B分别增加6%～17%和3%～5%，脂溶性有效成分含量-丹参酮I、隐丹参酮和丹参酮IIA分别降低8%～10%、17%～18%和4%～8%。可见增强UV-B辐射可明显的影响丹参药效成分的比例，有效成分有选择性的诱导决定了增强UV-B辐射可部分改变丹参的药用价值，其临床疗效需要进一步评估[96]。其他研究也发现了类似的问题[97]。

3.3 温度调控

根据低温诱导植物黄酮药效成分的规律，可以人为地设置低温或拉大日夜温差，如采用设施农业包括空调、水帘装置、草帘、排风扇等降低环境温度。通过设施农业进行温度控制往往陈本过高，用于进行短时间诱导药效成分会比较合适，或一般进行高经济效益的药用植物生产才可能有较大使用和推广价值。在自然条件下，低温常伴随着低光照强度，在生产上需要综合考虑。同时，在采用温度调控药用植物黄酮药用成分时，需要综合考虑温度胁迫时间、周期，根据不同药用植物种类分别进行技术摸索，制定科学合理适合当地的技术规程。同时需要因时因地制宜，最大程度降低成本。目前已有一些研究实例探讨过温度调控药用植物黄酮类药效成分的研究，但大都基于实验室的受控试验，在大田生产中少有验证。

对黄芪的主要活性物质的积累及其分子调控的机制进行研究发现降低温度导致16 ℃条件下培养100 d的蒙古黄芪苗中参与合成的结构基因表达量上升，2 ℃低温处理会导致根部这两种黄酮成分成倍积累，但在温度超过25 ℃后这两种黄酮成分的含量开始出现下降的趋势[103]。郭旭琴[104]研究发现，适当的低温处理有利于银杏叶中黄酮含量的积累，且叶片黄酮含量随着处理时间的延长呈上升趋势。研究发现，低温能诱导药用植物黄酮类药效成分的增加，但在各个器官中增加的不一样，这些增加的黄酮类物质可以经过植物内部导管的运输实现转移，实现再分配。所以，如果该种药用植物存在着地上部分低温诱导黄酮成分更明显，存在向地下部分的药用部位转移分配时，则建议在进行低温诱导药效成分时应该在地上部分还未掉落之前进行。另外在研究温度对黄芪黄酮类成分时发现，在无光照的情况下，参与合成毛蕊异黄酮及其7-O-β-D葡萄糖苷的结构基因表达量没有上升，低温诱导相关基因表达需要光的刺激，低温和光照同时出现才能使这两种黄酮类物质合成增加，所以要综合考虑各个环境因子的综合诱导效果[103]。

但也有研究不认同低温利于药用植物黄酮药效成分的积累。如刘金花[105]研究发现，随着温度的升高(10 ℃～35 ℃)，黄芩中的黄芩苷、野黄芩苷、汉黄芩苷和汉黄芩素的含量不断升高，并且在20 ℃～25 ℃时达到最高值，随后出现呈现下降的趋势，认为低温和高温不利于黄芩中次生物质的积累，这种现象的可靠性和具体原因也有待验证。但不可否认的是，任何中药材的栽培环境都有其最佳的“生理生长”环境，也有“优质药材生长”的最佳适宜区，低温和高温都是相对而言，具体药材品种也各有差异。

总之，环境的温度控制一般难以实现，或实现成本过高难以产业化。一般建议通过适宜区的选择来实现栽培环境温度的调节，或者通过分析温度对其药用成分的影响规律，通过设施农业的短时间应激调控来实现药用成分的增加。

3.4 干旱胁迫

在药用植物栽培过程中设计科学的“干旱”胁迫规程可以非常显著地提高中药材某些药效成分的含量，有时这种规程带来了收益非常令人出乎意外。同时，我们也需要认真评估这种利益的背后诸多的不利之处。研究者[65]建议在实施这种“干旱”胁迫的同时需要思考以下问题：在没有损失太多生物量的情况下，什么样的胁迫方式和胁迫程度能提高目标成分的积累？目标是高产量的目标化合物还是高含量的药材？目标化合物的合成和积累是营养器官还是生殖器官？目标化合物的合成和积累是在植物库组织中还是在光合组织中？是否激素也能提高目标化合物的积累？实施胁迫的时间点是否应该在植物栽培过程中特定的阶段或植物特定的发育阶段进行才能获得最大的效益？一个最为简单能达到对药用植物进行水分调控的方法是调整灌溉体系，但这往往限制在比较干旱的地区才能实现水分适度胁迫。而在雨水充足的地区，水分调控很难进行直接调控，但可以通过大区域中选址比较干旱的地块进行种植或其他人为措施进行调控，因为地块的地形地势、朝向、灌溉设计、连片面积大小等均能显著影响栽培地块的排水性能。在较为平坦的地块可通过人为的栽培措施进行水分调控，如打沟、起垄等。

我们可以人为地采用相应的技术手段调控药用植物干旱胁迫的程度，定向提高其药效成分的含量[65]。如，需要生产外观和内在品质俱佳的黄芩药材，研究人员发现可通过水分控制达到目标。邵玺文[67]研究发现，供水量较少或过多足时，药材外观品质变差，药效成分含量也不高，而在适度的供水情况下具有较优的药材外观和较高的药效成分含量。

当然，很多药材的土壤含水状况主要是靠自然降水影响为主，这样栽培区域降雨量的大小主要受栽培区域选择的影响。如研究认为在黄芩生长季节降水量在250～350 mL的环境，黄芩地上部与地下部生长协调，各器官物质分配合理，具有高产优质的特点。如人工浇水，也要注意浇水频次的问题[106]。赵胜楠[94]研究发现，在釆收期内对黄芩进行短期的干旱胁迫或者旱后复水，有利于提高黄芩药材质量。

对银杏的研究发现，短期土壤水分不足能催化其类黄酮物质的合成，建议短期生产实践中可通过土壤干旱调节，提高银杏类黄酮类药效成分含量[107]。张永刚等[108]研究发现，较短时间内的水分胁迫能快速诱导黄芩药材黄芩苷含量。从而认为，在药材生产过程中，尤其是在生长关键期有针对性的开展短期干旱胁迫，以实现优质药材的生产。

在农业上，干旱胁迫一般认为对作物会有不良影响，如干旱胁迫虽然可能提高药用植物黄酮类药效成分的含量，但在生产上常常导致药材产量下降。Liu等[109]研究发现，适度的干旱胁迫虽然提高了丹参中丹参酮ⅡA的含量，考虑到产量下降较多，丹参酮ⅡA总产量有所下降，而丹酚酸B总含量和总产量均增加。可见，需要根据定位是特定成分的高含量药材还是高产量药材而调整农艺措施，定向生产药材。在商业上就要根据市场的价格情况去进行农业决策。

3.5 肥力调控

配方施肥是现代农业发展的方向，也是实现中药现代化栽培的必要手段。通过特定药用植物的需肥生理研究，以栽培环境的土壤本底肥力为基础，进行中药材栽培过程中施肥调控，以优质药材、或高产药材、或综合经济效益为目标，定向生产中药材。

不同栽培区域的土壤背景差异较大，药材栽培适宜区选择仍然是最为重要的。在确定特定药材的栽培适宜区之后，需要先调查土壤的本底背景，了解土壤中各大量元素、微量元素在其中的分布形态和相对含量。也包括土壤的类型、酸碱度等，均需通过相关试验来明确土壤营养元素在其中的迁移特性。在了解药用植物自身的需肥特点后，还需考察各种营养元素和特定药用成分的相关性，制定合理的施肥方案，才能实现中药材的定向栽培。而且这种肥力调控的措施在生产上也较容易实现，是中药材定向栽培的主要措施。

目前，已有很多研究明确了中药材施肥调控的可行性和必要性。Lillo等[78]认为，可通过调控氮、磷等大量无机元素来控制植物黄酮类药效成分的含量，从而提高药用植物的品质。苏薇薇[110]采用灰色关联度方法明确了土壤中的氮、磷、钾等大量元素与黄芩中黄芩苷的含量均有相关性，且氮含量相关性最大。这样就可以进一步针对氮的形态、氮的含量以及氮施用量和施用频率和黄芩苷的相关性进行研究，形成以调控黄芩苷含量为目标的配方施肥方案，进一步科学合理地规范田间施肥管理过程。

定向中药材的生产，有时需要明确药用部位，以实现总经济效益为目标进行定向生产。朱战强[111]研究发现，施肥导致红车轴草地上部的异黄酮含量下降，但显著促进了地上部生物量的增长，从而提高了总体异黄酮产量，如以红车轴草地上部的异黄酮产量为经济指标，仅使用氮肥就能实现异黄酮产量的高产，实现较高经济效益，这是定向栽培首选的方案。

肥力调控对药材生长非常重要，特别是需要摸索针对性强的专用施肥配方，比较不同种类的中药材需肥生理相差较大，优化营养元素配比才能达到药材产量和品质俱佳的效果。如黄芩单独施用氮、磷、钾肥时，氮肥效果明显，主茎变长变粗，产量提高，氮肥过量影响产量；与氮肥相比，磷、钾肥单独施用效果不明显，钾肥增量施用，黄芩干物质增加[106]。苏淑欣等[112]的田间试验发现，单一施用和复合施用氮、磷、钾化肥能提高黄芩苷的含量，但氮钾配合施用时黄芩苷含量却有明显降低。各家研究结果具有不同，但配方施肥已被公认是经济作物高产优质的必要技术手段。

随着施肥技术的发展，叶面施肥作为强化作物的营养和防止某些缺素病状的一种施肥措施，具有肥效迅速、肥料利用率高、用量少等优点，已经得到迅速推广和应用。叶面肥的使用也是中药材栽培需要引入和推广的施肥技术之一，也可以作为中药材定向生产的技术手段，在实际生产中也多有使用。王华田等[113]发现，在银杏生长期内连续进行叶面喷肥，不但能促进叶片生长提高叶片产量，而且能有效地提高其黄酮含量，影响程度随肥料种类及喷施浓度不同而差异显著。如叶面喷施桑树微肥、尿素和光合微肥后，黄酮含量提高幅度达4%～23%，其中以0.04%桑树微肥处理作用效果最为明显。总结认为，以银杏叶中黄酮含量高低为质量评价指标，关注其在生产、采收和加工过程中所受的多种因素的影响，在此过程中采取适宜的技术措施，能有效地提高叶片黄酮含量和提取率，提高经济效益。叶面追肥是一种有效的补充追肥形式，对提高叶片产量效果明显，对药用部位为叶的中药材生产具有重要的借鉴意义，但其效果需要通过进一步大田试验区验证。

另外，不同营养元素的胁迫将导致药用植物某些药效成分的增加，但增加的量和所在的器官可能不一样[81]。我们需要通过具体的药材的具体研究得出具体的结论，从而更好地指导生产。

3.6 激素调控

当植物受到病害侵染或虫害/动物咬食时，植物黄酮可作为植保素在植物体内积累，能杀虫抗菌，即病虫害侵染植物可诱导植物黄酮成分的增加——由此想到一种新思路：制造病害胁迫气氛，诱导药用植物产生更多的“抗毒素”，即利用预示病害来临的激素诱导药用植物在短时间内产生更多的黄酮类药效成分。在理解了植物次生代谢的防御调控通路后，植物的生长调控激素如茉莉酸甲酯、水杨酸、赤霉素、乙烯等都是植物次生代谢过程中调控的重要物质，其合理的使用或给中药定向栽培寻找一条新思路。

相关研究显示，可以采用植物生长调节剂诱导药用植物胁迫相关基因，从而提高中药材药效成分，如茉莉酸甲酯的应用效果就非常好，在植物细胞培养诱导次生代谢产物中就应用的比较多，且效果非常明显，在大田中的使用效果也非常好，如显著提高罗勒Ocimumbasilicum中酚类和萜类成分[114]。这似乎比干旱胁迫容易的多了。另外，水杨酸作为一种植物系统抗性的主要信号物质也常用于调剂植物次生代谢产物，如显著提高药用植物松果菊Echinaceapurpurea中酚类成分[115]。赤霉素是广泛存在的一类植物激素，能显著地促进植物茎、叶生长，但对黄酮类成分的生物合成有显著的抑制作用[47]，而喷施赤霉素的拮抗剂如矮壮素、脱落酸、及乙烯利等能提高一些植物黄酮含量(如银杏)[116]。

但是植物生长调节剂同样可能影响植物生长发育，或带来不利的一面，需要根据定向栽培的目标，综合评价利弊。

3.7 其他措施

在中药材栽培过程中，除了栽培地既定的生态环境外，人为调控光照、温度、水分、肥力等均能在中药材生产中起到较大的调控作用。另外，中药栽培过程中其他的栽培技术也对药材最终的品质和产量有非常显著的影响。如育苗移栽和种子直播的栽培方法有很大的不同，不仅对最终药材的外观品质和药效成分有很多的影响，还对药材种子产量品质有很大的影响，甚至影响最终的药材采挖成本。因此，这些栽培关键技术对于提高中药材栽培的综合效益具有举足轻重的意义。其他，如播种方式、种植密度、剪秧措施、适时采收、干燥和加工等均能影响最终的药材品质和药材产量，都是需要在中药材定向生产中关注的技术问题。

4 讨论

目前，已有大量研究显示，增强光照、低温、适宜的营养和水分胁迫等都能诱导药用植物黄酮类药效成分的增加。其中在中药材栽培过程中，通过遮阴来调节光照强度(或通过人工补光来增强紫外线照射)可以实现中药材定向栽培的光照调控技术；对于在大棚中栽培的药用植物，也容易实现温度控制，可实现中药材定向栽培的温度控制技术；对于大多数药用植物来说，对其栽培过程中的关键节点进行水分控制，针对性地摸索有利于特定药用成分提高的水分管理方案，可实现中药材定向栽培的水分控制技术，这个技术更加容易实现；同样，可以针对药用植物开展配方施肥研究，摸索制定特定药用植物某一或某类药用成分提高的配方施肥方案，定向栽培中药材，这一方法虽然技术难度较大，但容易形成独特的技术和产品专利，如专利肥等，待成果完成后，实际推广也易实现。

同时，形成药用植物定向栽培技术需要综合考虑光照、温度、水分和施肥等诸多因素的影响，研究制定药用植物定向栽培的“综合”生产技术，这一综合生产技术不仅应该包括栽培环境的选择标准、环境因子的调控技术、采收技术，同时也应包括在药材采收后的加工技术。如合适的干燥技术和方法，适宜的储存技术等。综合药材从栽培到加工各个环节，最终形成中药材“定向生产”技术。整个生产过程关键技术的标准化，是中药材质量稳定、可控和安全有效的重要措施，是中药资源产业过程发展的必然趋势。

另外，要实现药用植物定向栽培技术，其技术规范形成不能仅仅通过现有文献的调研进行类推，之后采用一些简略和原始的农艺措施进行验证，知其然而不知其所以然。更需要有针对性地对特定药用植物的生理生态进行研究，明确其特定的代谢途径容易受何种外界因素的影响？明确我们每一步调控点是什么原因影响了哪类药效成分？这样才是认知上的触底，知其然也知其所以然。彻底明确其机理，进一步完善生产技术。

中国是世界上中药材栽培面积和种类最多的国家，但也仅仅有300种左右的药材品种商业化栽培形成规模。很多用量较小或栽培技术不完善的品种还未开展人工大规模栽培生产。一部分原因也是对栽培药材的质量不认可有关，认为野生药材质量要远远好于栽培药材，这在很多现代中药研究中也有证实。如果通过一定的方法，利用环境中现有的有利因素以及人为制造药用植物栽培过程的胁迫因素，使药用植物栽培环境尽可能类似于野生环境，以生产“仿野生”中药材，这种中药材产品势必更受市场欢迎。

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Chemical Ecological Function of Plant Flavonoids and the Conception of Directional Cultivation on Chinese Materia Medica

ZENG Yan1，GUO Lanping2，WANG Jiyong1*，HUANG Luqi1*

(1.China National Traditional Chinese Medicine Corporation，Beijing 100195；2.National Resource Center for Chinese Materia Medica，China Academy of Chinese Medical Sciences，Beijing 100700)

The plant flavonoids has different biological activity，is also the medicinal composition of the medicinal plants.Its synthesis is regulated by various enzymes in the plants.The synthesis and activity of the enzymes are also affected by the environmental factors.In the process of medicinal plants，we could create the favorable conditions to accumulate the target compounds by agricultural strategies，such as strengthen the ultraviolet irradiation，moderate stress of temperature or drought or nutrition，inducing of plant hormones，and the particular agricultural strategies etc.，in order to guide screening these multiple-factors by the orthogonal experiment of multi-factors and multi-levels，optimizing the cultivation technique for the directional cultivation of Chinese Materia Medica.

Plant flavonoids；directional cultivation；chemical ecology；environmental factors

10.13313/j.issn.1673-4890.2015.8.006

2015-03-09)

中国中药公司博士后专项(2012)；中药材产地加工技术平台子课题(2012)[(工信部消费(2011)340)]；中医药行业科研专项(201407005-5)；江苏省中药资源产业化过程协同创新中心项目(2013)；国家发改委项目(2013)

*

王继永，研究员，研究方向：中药资源、中药材栽培；Tel：(010)61251500，E-mail：wangjiyong75@163.com 黄璐琦，研究员，研究方向：中药资源、分子生药学；Tel：(010)64011944，E-mail：huangluqi01@126.com