人参、西洋参红皮病发生机制和防治措施研究进展

王秋霞，孙海，张亚玉

(中国农业科学院特产研究所，长春 130112)

人参(PanaxginsengC.A.Mey)属五加科人参属多年生草本植物，是药用价值很高的名贵药材，被誉为“百草之王”。吉林省、辽宁省和黑龙江省是中国人参主产区，韩国、日本、俄罗斯及朝鲜也有生产栽培[1]。中国长白山的人参产量约占全国的85%，占世界的52%[2]。

西洋参(PanaxquinquefoliusL.)是五加科人参属另一个名贵药材，原产于北美洲，美国的威斯康星、密歇根、北卡罗来纳、俄亥俄、田纳西等州以及加拿大的安大略和不列颠哥伦比亚等省区都有广泛种植。20世纪70～80年代，中国对西洋参引种成功[3]。东北地区是我国西洋参的主要栽培区，栽培面积占全国的50%以上，尤其以吉林省为主[4]。

人参和西洋参均以根入药，栽培年限越长，根部药用成分含量越高，但连续几年的栽培易导致多种病害发生。红皮病是栽培生产中的主要病害之一，它会使人参和西洋参根的商品等级下降，品质变差。根据大小、形状和整体外观等因素，人参和西洋参根被划分为不同的商品等级，其中颜色呈灰白或米黄色、表面光滑无污点的参根商品价格较高[5]。红皮病会引起人参和西洋参根周皮出现红褐色斑块，且病斑随着栽培年限的增加逐渐扩大(图1、图2)。参根干燥之后，红皮部位颜色变暗，向内凹陷，参根扭曲变形，商品等级下降[5]。人参和西洋参含有皂苷、多糖类、蛋白质和多肽等多种药效成分，而皂苷是其中最为重要的一种，药用成分含量与人参、西洋参品质密切相关[6，7]。研究发现，发生红皮病的西洋参根部总皂苷、尤其是Rb2、Rc、Rd和Re含量显著低于健康根[8]。赵曰峰等[9]对人参红皮病根部和健康根的多种有机物含量测定结果表明，人参病根的总皂苷、淀粉、总糖以及必需氨基酸含量比健康根减少，证明红皮病的危害主要是降低人参产品的质量。

图1 健康人参根(左)和红皮病人参根(右)

图2 健康西洋参根(左)和红皮病西洋参根(右)[8]

红皮病在世界范围内都有发生，包括中国、韩国、加拿大等国家。在吉林省抚松县，红皮病的发病率严重时高达80%～100%，给参农造成了巨大经济损失，严重影响人参种植的经济效益，制约人参和西洋参产业的持续发展[1]。在加拿大，由红皮病造成的经济损失有时高达40%[5]。国内、外科研工作者围绕红皮病开展了大量地研究工作，取得了较大进展。本文将对该研究现状进行论述，以期为国内人参和西洋参红皮病的研究和防治提供参考。

1 红皮病发生机理

从20世纪60年代开始，国内、外学者围绕人参、西洋参红皮病的发生机制展开了大量研究，但导致红皮病发生的因素至今还不确定，存在争议。目前主要有由微生物因素直接诱导产生、由土壤理化环境导致、多种因素共同作用的结果3种观点。

1.1 微生物因素

人参和西洋参红皮症状主要是由微生物直接诱导引起。目前，已从红皮病发生部位分离出多种细菌。Park等[10]从高丽人参根的发病部位鉴定出一种G-细菌Pseudomonaspanacis；Choi等[11]也从人参根的发病部位分离出Agrobacteriumtumefaciens、P.marginalis、Rhodococcuserythropolis、R.globerulus、Lysobactergummosus和P.veronii等多种内生细菌。Park等[12]不仅从发病部位分离出大量内生细菌，而且还将分离得到的细菌接种到人参根部成功诱导红皮病发生。

真菌也可诱导人参和西洋参根部红皮病发生。Reeleder等[13]和Lu等[14]分别从西洋参和人参红皮病病根上分离出了Rhexocercosporidium属的一个未定物种和R.panacis，并将分离出的致病真菌成功接种到西洋参或人参根表面，均诱导出红皮病发生。

1.2 理化因素

土壤理化环境变化，比如土壤含水量大、通气性差、土壤有机质含量高、土壤中的铁、铝等元素胁迫以及根表皮酚类物质的产生等因素都可能引起红皮病。

土壤含水量、有机质含量以及铁等元素被认为是诱发红皮病的重要原因。Lee等[15]在做红皮病重现实验时就采用含水量大的土壤种植人参，并成功诱导红皮病产生；李志洪等[16]通过分析白浆土区人参红皮病发生条件，认为床土活性还原有机物质是红皮病的诱导因素，该有机物质促进土壤铁、锰氧化物活化，使亚铁、二价锰积累形成红皮病；在林下参栽培中，林下参红皮病的发生也与土壤中有效养分含量以及有效态铁、锰含量显著相关[17]。高明和张丽娜[18，19]分别对人参和西洋参进行高浓度Fe2+胁迫处理后，人参和西洋参根部均出现红皮现象，这种现象在水稻等水生植物中也有报道。处于淹水环境中的水生植物地上部和根系的形态结构、生理特性均发生特殊变化，其中，最重要的是通气组织的大量形成，通气组织将大气中氧气通过叶片输送到根系，再由根系将这部分氧气和其它氧化性物质释放到根际环境，从而使淹水土壤中大量存在的还原性物质(如Fe2+、Mn2+、有机质等)氧化，铁、锰氧化物在植物根部沉积形成红色的铁膜[20]。

酚类物质也是导致红皮病发生的重要因素。据报道，发生红皮病的参根部总酚含量要显著高于健康参根，推测该病是由酚类化合物在参根部表皮沉积形成的[8，21，22]；在莴苣中也有过相似的报道，当用乙烯处理莴苣时，参与莽草酸合成途径的苯丙氨酸解氨酶含量升高，导致酚类化合物增加，褐色斑块增多[23，24]；外界环境胁迫，比如铁毒和铝毒胁迫，会使人参和西洋参根中酚类物质增加，该类物质进而在根表皮沉积形成红皮症状。移栽人参和西洋参后，土壤中的活性铁和活性铝含量大量增加，致使人参和西洋参根部组织中铁和铝含量普遍较高，且发生红皮病的参根部组织中铁、铝含量明显高于健康参根[25]。铁、铝胁迫人参和西洋参植株，刺激参根部表皮细胞分泌酚酸、花青素等大量酚类化合物和活性氧，酚类化合物被活性氧氧化，同时酚类化合物螯合铁、铝等金属元素以及铁元素氧化等一系列植物生理生化活动综合作用形成红皮病，所以，红皮病可能是人参和西洋参长期处于铁毒和铝毒胁迫下的一种自我保护机制[5，8，26～28]。

另外，其他因素也可以诱发红皮病，比如必需元素的缺乏。加拿大安大略省是西洋参主要产区，安大略省伊利湖一带都是沙质土壤，有机质含量较低，在这种土壤条件下西洋参红皮病的发生主要是跟缺硼有关，土壤中缺乏硼元素会诱发西洋参产生红皮病[29]。

1.3 多种因素共同作用

红皮病的发生是微生物、酚类物质和铁、铝等元素共同作用的结果。Rahman和Punja[5]推测土壤中的某些真菌入侵西洋参根部，诱导西洋参启动宿主防御机制，使得根表皮和皮层细胞中的酚类物质发生氧化，与铁、铝等金属离子在根表结合形成红皮。Lee等[30]则认为微生物分泌的水解酶(如果胶酶、木质酶、纤维素酶等)水解人参根部组织，破坏根部结构，使多酚类物质暴露在有氧条件下，进而被氧化形成红色，Fe3+起协同作用，加重红皮症状。

红皮病发生的因素是复杂多变的，它与微生物、土壤生态环境和人参、西洋参抗性等多种因素有关。该病发生机理的研究从综合分析微生物、土壤生态环境和植物体等多方面入手，找出诱导红皮病发生的主要环境因子，进而阐明机理。

2 红皮病防治措施研究

针对红皮病的发生机理，研究者开展了相应的防治措施研究，主要包括化学防治、生物防治、土壤环境改良和抗红皮病育种等多个方面。

2.1 化学防治和生物防治

微生物是诱导红皮病发生的重要因素之一，研究者通过化学防治和生物防治技术来抑制致病微生物生长，进而达到防治红皮病的目的。

在化学防治方面，Park等[13]筛选了不同浓度和配比的杀菌剂和抗生素来抑制细菌生长，结果发现，新霉素、四环素组成的混合抗生素以及次氯酸钠等都能够有效抑制细菌生长和红皮病发生；在生物防治方面，通过田间试验证明，施加拮抗菌可有效抑制红皮病，抑制率可达60.4%[31]。

2.2 土壤环境改良

采取合理的土壤环境改良措施是缓解和防治红皮病的有效途径。红皮病的发生与其所处的土壤环境密切相关，防治红皮病首先分析人参和西洋参生长的土壤环境，针对土壤环境特点因地制宜制定防治措施。

我国目前大都从栽培条件或生长环境改良等方面防治人参红皮病，比如采用选地、整土、调水和施用土壤调解剂等方法[32]。刘兆荣等[33]根据床土中活性还原物质的消长规律和不同栽培制度下人参根红皮病病情指数的动态变化，设置了改土试验，比如添加适量黄土，控制水分、光照和温度以及加强田间管理等措施，取得了较好的预防效果。李志洪等[34]分析了吉林省白浆土区不同地貌的生态条件，并提出维持白浆土的疏松多孔状态，对减轻人参根红皮病发病程度有重要意义。生石灰可以提高土壤pH，降低土壤中铝离子浓度以及铁的有效性，从而减轻或消除H+、Fe2+、Al3+过量造成的毒害，所以，生产上多采用施用生石灰来缓解和改善人参红皮病症状[35]。抗坏血酸(AsA)是抗氧化剂，可减轻因铝胁迫而导致的氧化胁迫，外源AsA的田间施用可缓解和改善人参红皮病症状[26]。

根据土壤养分状况制定相应的施肥策略也是防治红皮病的有效方法。加拿大安大略省伊利湖地区是西洋参主要产区，该地区红皮病的发生主要是跟缺硼有关，施用一定量的硼肥可以有效地缓解红皮病。但硼是微量元素，在施用过程中极易施加过量而造成硼毒害。针对这一情况，Proctor和Shelp[36]通过水培和大田试验分析了西洋参硼肥的施用量，根据土壤状况和西洋参的生长年限制定了不同的硼肥施用策略，为该地区西洋参栽培生产中硼肥的施用和红皮病的防治提供了技术支撑。

2.3 抗红皮病育种

抗红皮病育种是防治人参、西洋参红皮病的有效方法。筛选具有优异抗红皮病能力的种质资源、挖掘抗性基因和培育抗性品种是目前抗性育种的重要策略。韩国学者在这几个方面都做了大量工作，在防治红皮病方面也取得了显著成果，而中国、美国和加拿大等国家关于抗性种质资源筛选和培育抗性品种方面的报道相对较少。

抗红皮病人参资源的筛选和相关抗性基因的挖掘为抗性育种提供了物质基础。根据田间试验结果，韩国学者将人参根表皮中铁、铝和酚类物质含量等作为筛选抗红皮病种质资源的重要指标[37，38]。Lee等依据人参根表皮中铁、铝含量，从39个人参栽培种自交系中筛选出7个抗红皮病品系；基因组和转录组序列数据库的构建是抗性基因挖掘的基础。目前还未有人参和西洋参全基因组序列的报道，但国内、外研究学者在转录组测序方面取得了较大进展，已经构建了人参和西洋参cDNA文库和EST库[39～41]，大量与逆境相关的序列被报道出来[42～44]，这为抗红皮病相关基因的挖掘提供了基础。Jang等[45]以Kim等[43]构建的4年生人参的EST库为基础，从1棵4年生人参根中分离得到铝诱导蛋白(Aluminum-induced protein，AIP)的全长cDNA序列，通过qRT-PCR发现，该基因在健康人参根中的表达量显著高于红皮病人参根，同时通过转基因功能验证发现，该蛋白在保护植物细胞免受铁、铝等金属离子伤害方面起到重要作用。

培育抗红皮病人参和西洋参品种是防治红皮病的重要策略。目前人参育种主要采用常规的育种方法。韩国人参公社(Korea Ginseng Corporation)采用常规的选育方法培育出一系列具有优异性状的人参品种，并对其中的Gumpoong、Sunun、Sunpoong、Sunone、Chengsun和Sunhyang等6个人参品种在韩国不同人参栽培区开展了区域示范试验，结果显示，Gumpoong的红皮病发病率显著低于对照品种，证明Gumpoong具有高抗红皮病特性[15]。目前还未有抗红皮病西洋参品种的报道。

3 问题与展望

红皮病发生机制研究虽然已经取得了一定的进展，但是不够系统深入。目前，主要从土壤理化性质和微生物角度研究红皮病发生机制，该病的分子机制研究较少。包括人参和西洋参在内的大多药用植物遗传背景不清、基因组信息缺乏、功能基因的研究较为薄弱，阻碍了红皮病发生的分子机制的研究[46，47]。现代分子生物学技术的发展为深入揭示红皮病的分子机制提供了重要手段。借助分子生物学技术系统，研究不同人参和西洋参资源品种的红皮病发生过程中相关基因克隆、基因表达调控和信号转导将会为深入揭示红皮病发生机理提供重要信息，同时也为抗红皮病人参的分子育种提供标记、基因和其它遗传信息。因此，在传统研究的基础上，引入分子生物学方法将是系统深入研究红皮病发生机制的发展方向，也将为人参和西洋参产业的健康持续发展提供可靠的技术支撑。

目前在红皮病防治措施研究方面已开展了部分工作，但很多方面还需要完善，尤其是抗红皮病育种研究方面。与玉米、水稻等农作物相比，人参和西洋参育种技术相对落后，发展也比较缓慢。分子育种可用于提高人参育种效率，缩短育种年限。作物分子育种在经典遗传学和分子生物学等理论指导下，将现代生物技术手段整合于传统育种方法中，实现表现型和基因型选择的有机结合，培育出优良新品种[48]。分子育种可分为分子标记育种、转基因育种和分子设计育种等3种主要类型[49]。目前，分子育种在玉米、水稻等农作物中应用非常广泛，而在人参育种中的应用相对较少。将农作物分子育种中常用的分子标记、转基因和分子设计等技术应用到抗红皮病人参和西洋参育种中，可以突破遗传改良上的技术瓶颈，提高育种效率。

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