药用植物苍术分类与繁殖的研究进展

段院生+王沫

摘要：药用植物苍术（Atractylodes）为菊科苍术属多年生草本植物，分布于东亚，在中国的许多地区栽培，收获其根状茎干燥后作药用。苍术的繁殖方式有种子繁殖、分株繁殖、根茎繁殖。分类依据的形态特征主要是叶、花的不同，但其形态差别有限。报道的所有苍术属植物的染色体数均为2n=24，除罗田亚种外均包含2对随体染色体，且随体很小；在染色体类型（中部着丝粒、亚中部着丝粒、亚端部着丝粒染色体）及数目上有差异。在罗田苍术的染色体上检测到1对染色体带有5S rDNA位点，另外2对染色体带有 45S rDNA位点，其中1对为随体染色体，故1对染色体上的45S rDNA位点没有表达而形成随体。在核型对称性方面，罗田苍术为原始的2A型，而其他苍术与白术的均为2B型。罗田苍术在染色体上的分化为其亚种的分类地位提供了细胞学证据。DNA序列及分子标记揭示了不同苍术类型间一定的遗传变异，为其分类及演化提供了分子证据。罗田苍术花粉母细胞的减数分裂过程中，染色体（2n=24）正常配对形成12个二价体，后期I均等分离，在两次分裂的后期和末期没有落后染色体及形成微核，最后产生较高比例的可育花粉，为其较高结实率及种子的高成活率提供了细胞学解释。其正常的减数分裂也保证了进行有性与无性繁殖苍术染色体数目的稳定性。

关键词：苍术（Atractylodes）；植物分类；细胞学；繁殖；减数分裂

中图分类号：S567.21+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）10-2309-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.002

1 苍术的分类及形态特征

苍术为中医临床常用药材，因其根皮苍黑，故名苍术。《神农本草经》将苍术列为上品，原名“术”。梁代陶弘景《名医别录》提到，“术”有白（即白术）赤（即苍术）之分，故又名赤术。《本草纲目》称其为“仙术”。

苍术在植物分类上为菊科（Asteraceae）菜蓟族（Cynareae）刺苞亚族（Carlininae）苍术属（Atractylodes）的多年生草本植物。该属分布于东亚地区，大概包含8个种，但分类还有争议 [1-4]；栽培的主要有南苍术或茅苍术[Atractylodes lancea （Thunb.） DC.]、北苍术或山苍术[Atractylodes lancea （Thunb.） DC.var.chinesis（Bunge） Kitam）]、关苍术（A.japonicaKoidz.ex Kitam）、朝鲜苍术[（A. koreana （Nakai）Kitam]、白术（Atractylodes macrocephala Koidz）。日本的3个种，即茅苍术（Atractylislancea）、琴叶苍术（Atractylis lyrata）和白术（Atractylis ovata），后经石铸[1]考证皆为Atractylodes lancea（Thunb） DC.。另还有全叶苍术（A. chinensis Koidz. var. simplicifolia Kitag）。

中国有5个种，1个变种和1个亚种：白术、茅苍术、关苍术、朝鲜苍术、鄂西苍术[A. carlinoides（Hands. Mass. ） Kitam]、北苍术（变种）和苍术罗田亚种[Atractylodes lancea （Thunb.） DC ssp. Luotianensis S. L. Hu et X. F. Feng] [1-4]。栽培作药用的以苍术为主，有南苍术（或茅苍术）和北苍术（或山苍术）之分。茅苍术主要分布于河南、江苏、湖北、安徽、浙江、江西等省，适宜生长在丘陵山区半阴半阳的荒坡地，江苏茅山地区是茅苍术道地药材的产区。北苍术主要分布于中国北方（黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、山西等省、自治区），生长于海拔300～900 m间的干山坡，稀疏的阔叶林或针阔混交林下。其根状茎（Rhizoma areactylodis lanceae）干燥后作药用，具有燥湿健脾、祛风散寒、明目等功效，可治疗脘腹胀满、泄泻、水肿、风湿痹痛、风寒感冒、雀目夜盲等症。苍术多糖有较强的降血糖作用[5]。虽然苍术在中国的地域分布较广，但其形态差别有限。分类依据的形态特征主要是叶（叶裂与否及叶裂形状、叶形状与质地、叶大小等）、花（头状花序的大小及颜色等）的不同[1-3，6]。茅苍术为多年生草本，株高多在30～60 cm，但随环境有一定的变化。茎直立，只上部有少量分枝；花两性与单性，多异株，雌花为单性；两性花有羽状长冠毛；花冠白色，细长管状。瘦果被黄白色毛 [1-3，6，7]。开花期在8～10月，结果期9～10月。根状茎呈不规则的连珠状，其表皮为灰棕色或深褐色，有略粗糙的皱纹，茎痕或残留茎基在顶端可识别；黄白色或灰白色断面有明显的散在棕红色油腺，习惯称为“朱砂点”。水湿后的切断面能析出微细的针状结晶，因像白霉如毛而又称“毛苍术”。 散发芳香气、味微甘而后苦辛。

北苍术与茅苍术大致相同，其主要区别点为叶通常无柄，叶片较宽，卵形或窄卵形，一般羽状缘深裂，茎上部叶羽状浅裂或不裂，头状花序稍宽，总苞片多为5～6层，夏秋间开花 [5]。其根茎形色略与茅苍术不同。切断面水湿后无针状结晶析出。香气不及茅苍术浓烈，味甜微辛苦。

《中国植物志》中苍术5个种的划分主要依据叶片的形状、花序大小及颜色。朝鲜苍术的叶通常披针形或卵状披针形，质地厚，纸质或厚纸质，最宽处在叶片下部或中部；而苍术的叶倒卵形、长倒卵形、倒披针形或长倒披针形，质地硬，硬纸质，最宽处在叶片上部或中部以上。白术与关苍术的差异关键在花序大小及颜色，白术的头状花序大，总苞直径3～4 cm， 小花红紫色； 关苍术的头状花序小， 总苞1.0～1.5 cm， 小花黄色或白色。 罗田苍术与苍术的主要区别为叶较大（长5～13 cm，宽1.5 ～5.0 cm）、 头状花序较大（直径2～4 cm）。瘦果倒卵形，长5.5 ～10 .0mm[4]。对不同产地材料的研究表明，苍术的形态与生境有关，分类标准难以把握。endprint

湖北省罗田县和英山县一带的苍术植株、叶、头状花序及花的各部均较大，与其他地区的苍术有明显的形态和地理分布差异，而且罗田苍术含有丰富的挥发油，含量比其他产地的高（达7.3%），因此被分为茅苍术的一个新亚种[Atractylodes lancea （Thunb.） DC ssp. Luotianensis S. L. Hu et X. F. Feng][8]，即苍术罗田亚种。其特征是根状茎香味浓郁、横断面有橙黄色或棕红色油点，俗称“朱砂点”，于2011年获中国地理标志产品保护。

2 苍术的细胞学研究

进化细胞遗传学主要研究染色体结构和倍性改变与物种形成之间的关系。染色体核型可提供物种分类关系、遗传变异及进化起源方面的信息。苍术染色体数目最早由Suzua分别于1949年和1950 年报道了分布于日本的3个种，即Atractylislancea、Atractylis lyrata和Atractylis ovata；它们的染色数均为2n=24[9]。后经石铸[1]考证，此三者皆为Atractylodes lancea （ Thunb） DC.。迄今为止报道的苍术属植物[包括朝鲜苍术（A. koreana）、关苍术（A. japonica）]的染色体数均为2n=24[10-13]。其他染色体数目（2n=20，22）可能是技术原因及统计细胞数有限所致[14，15]。所有材料的染色体为中部着丝粒染色体（Metacentric chromosomes，m）或亚中部着丝粒染色体（Submetacentric chromosomes，sm），最长染色体与最短染色体的长度比大致为2；除罗田亚种外均包含2对随体染色体，且随体很小，在收缩较强的染色体上不明显[10-16]。

东北产3种苍术属植物的核型公式分别为：北苍术，2n=24=12m + 6sm + 6st （4SAT）；关苍术， 2n=24=14m + 10sm（4SAT）；朝鲜苍术，2n=24=10m + 14sm（4SAT），三者核型对称性均为2B型[12]。笔者获得的罗田苍术核型公式为2n=24=12m+12sm （2SAT），2A型[13，16]。最近报道的苍术属6个居群的染色体数目均为24条，核型公式分别为：湖北保康居群2n=24=10m+12sm+2st、陕西商洛居群2n=14m+10sm、安徽岳西居群2n=2x=12m+12sm、湖北英山居群2n=2x=14m+10sm、河南信阳居群2n=2x=14m+8sm+2st、湖北神农架居群2n=2x=8m+10sm+4st；除中部着丝粒染色体与亚中部着丝粒染色体外，还有少数的亚端部着丝粒染色体（Subtelocentric chromosomes，st）[17]。英山居群苍术核型为2A型，与笔者的结果一致，其他的5个居群均为2B型。表明英山苍术是6个居群中比较原始的类群，而其他居群进化程度较高。同时根据6个居群的核型分析和Q型聚类结果表明英山居群罗田苍术与商洛居群北苍术着丝粒核型相同，聚为一小类，再与信阳居群北苍术聚为一大类，认为不宜将英山居群罗田苍术作为一个新的变种。但该文中没有随体染色体的资料。白术的核型公式分别为2n=24=6m+16sm（2SAT）+2t，对称性也是2B 型[10]。故白术的核型与苍术的有较大差异，主要以亚中部着丝粒染色体占多数，且还有2条端部着丝粒染色体，只有1对随体染色体，这也为不同的分类地位提供了细胞学证据。但发表的染色体图片质量不好，值得进一步研究。虽然染色体类型（m，sm，st）的划分受材料、技术的影响，但随体染色体的鉴别比较确切，罗田苍术与关苍术和朝鲜苍术的主要差别是少1对随体染色体；在核型对称性方面，罗田苍术为最原始的2A型，而其他苍术与白术的均为2B型，表明罗田苍术处于更原始的进化水平。

最近笔者用荧光原位杂交（Fluorescence in situ hybridization，FISH）技术，在罗田苍术的染色体上检测到1对染色体带有5S rDNA位点，另外2对染色体带有45S rDNA位点，其中1对为随体染色体。故1对染色体上的45S rDNA位点没有表达而形成随体。因此，罗田地区的苍术可能在占据该地区后发生了染色体水平上的分化，为其亚种的分类地位提供了细胞学证据[13]。由此，建议对不同类型苍术及白术的染色体核型包括rDNA位点作系统的研究，为其分类提供细胞学依据。

由于rRNAs（5S rRNA、18S-5.8S-25S rRNA）为核糖体的主要成分，而核糖体为合成蛋白质的场所；故一个物种必须有1对染色体携带5S rDNA位点、 另1对染色体载有45S rDNA位点（极少有二倍体物种二者在同一对染色体上）。用FISH技术检测的结果也表明大多数二倍体物种只具有2个5S rDNA和45S rDNA位点（即一对染色体上的单一位点）；而一些传统意义上的二倍体物种的多个位点有可能产生于染色体结构变异、古老的多倍体[18，19]。罗田苍术只有1对5SrDNA位点、1对随体染色体，可判断为二倍体物种；鉴于苍术属的染色体基数x=12比大多数菊科物种的x=9高、2对染色体带有45S rDNA位点，因而推测个别染色体发生了重复或结构变异，使苍术的染色体基数增加。

菊科为大科（共13族1 300余属，近2.2万种），且染色体的数目变化很大，染色体基数从x=2到x=110～120，最普通的染色体基数是x=9，同样非整倍性与多倍体性共存。雏菊仅有2对染色体（2n=2x=4），而还阳参属（Crepis）的x=3，4，5。在研究与人类利用较多的菊属中多倍体为重要的进化途径。在自然形成的野生种主要是基数x=9的四倍和六倍体，非整倍体较少；以六倍体为基础的栽培种则为染色体数变异较大的非整倍体类型[20]。从最低的染色体基数x=2及多数的x=9，可推测其基因组进化可能经历了多次的多倍化才形成了x=9的物种，其是一个二倍化的多倍体；然后，由x=9的物种间杂交形成四倍体、六倍体及更高倍性的多倍体。至于苍术属物种的x=12的产生过程难以推测，一种可能是一个x=9的祖先与一个染色体基数较低的祖先（如x=3）杂交产生的，因为有2对染色体带有45S rDNA位点。endprint

3 苍术的分子系谱

DNA数据特别是DNA序列在揭示菊科植物的系统发育和进化以及分类上起到了不可替代的重要作用，尤其是对于这个科的众多形态学特征模糊、在系统发育和分类方面都十分困难的问题属[21]。在菊科中经常使用的DNA序列主要是rDNA的ITS和trnL-F等区域的序列。trn-F区域序列包括两段非编码的叶绿体DNA序列。尽管只有800bp左右长，这段序列为属内系统发育到族的划分都提供了重要的信息。许梦云等[22]应用ISSR（Inter-simple sequence repeats）分子标记技术对茅苍术和北苍术材料进行多态性分析，显示茅苍术比北苍术有更高的遗传多样性；聚类分析表明茅苍术具有明显的遗传分化，且与北苍术有很近的亲缘关系。Shiba等[23]测序分析了茅苍术、北苍术、朝鲜苍术、关苍术和白术5种苍术属植物的核基因组rDNA的内转录间隔区（Internal transcribed spacer），无法区分北苍术和朝鲜苍术；Mizukami等[24]分析了上述5种苍术属植物的叶绿体trnK序列，显示茅苍术与关苍术的亲缘关系较近；而且关苍术和茅苍术的rbcL全基因序列也一致。葛燕芬等[25]采用PCR（Polymerase chain reaction）技术对这5种苍术属植物的叶绿体trnL-F序列进行比较分析，可准确鉴别出朝鲜苍术、北苍术和白术；而茅苍术与关苍术因trnL-F序列完全一致而相互之间无法区分。用不同方法构建的分子系统树有一定的差异，表明它们的物种分化不完全，序列进化不一致。RAPD（Random amplification polymorphic DNA）遗传多样性分析显示南苍术的遗传多样性略高于北苍术[26]。南北苍术的RAPD聚类分析表明苍术倾向于以地域为界聚类，南苍术先与关苍术聚类后再与北苍术聚类；该结果也显示地理分布对遗传分化的影响[27]。苍术遗传结构的RAPD分析表明，苍术种内表现出较高的遗传多样性，居群内具有主要的遗传变异，此种变异可能与无性繁殖有关；但居群间已形成一定的遗传分化，说明各个居群较为独立。但茅山苍术在居群水平与个体水平的遗传距离较小，表明其在长期适应该特定环境的过程中已经发生遗传上的分化[28]。

4 苍术的繁殖与栽培

由于苍术产生两性花或单性花，单性花一般为雌花，二者多异株[7]；两性花植株具有一定的结实性而产生种子。茅苍术主要依靠昆虫传授花粉。故苍术的繁殖方式有种子繁殖、分株繁殖和根茎繁殖。

笔者进行的罗田苍术的减数分裂过程观察表明[29]，染色体（2n=24）正常配对形成12个二价体，没有出现未配对染色体，后期Ⅰ均等分离，在两次分裂的后期和末期没有落后染色体及形成微核，最后产生较高比例的可育花粉。为同时型小孢子发生，在减数分裂过程中细胞质分裂一次，产生三孔花粉。所获结果为其较高结实率及种苗的高成活率提供了细胞学解释。其正常的减数分裂也保证了进行有性与无性繁殖苍术染色体数目的稳定性。

虽然苍术在自然条件下通过根茎无性繁殖，但仍同时进行较正常的种子繁殖。这与天南星科的半夏（Pinellia ternata）的情形有明显差别，因其以珠芽和块茎繁殖的无性繁殖为主，种子结实率低及种子发芽差而有性繁殖退化。细胞学观察表明其为染色体数变化较大的多倍体系列群体，且减数分裂过程常出现不配对染色体、落后染色体及微核，导致花粉育性很低[30]。与此类似，三百草科的鱼腥草（Houttuynia cordata）也是多倍体系列，主要以地下茎繁殖；花粉母细胞减数分裂中发生高频率的细胞融合及异常，花粉育性极低；但可能由孤雌生殖产生较多种子，且种子萌发好[31]。故降低的花粉育性被多年生习性、营养繁殖（根茎、块茎、珠芽等）和孤雌生殖所补偿[32，33]。据此推测苍术为传统意义上的二倍体（2n=2x=24）或二倍体化的多倍体物种，如rDNA位点所显示的信息，虽然其染色体基数比菊科常见的x=9的高。

表现低花粉育性、多年生习性、营养繁殖和孤雌生殖的多倍体物种，其群体间或群体内的染色体数目具有较大的变异[30，31]。可能的机制之一为花粉母细胞减数分裂过程中发生的细胞融合（Cytomixis），染色体或染色质在细胞间转移，产生染色体数不同的配子及后代[30，31，34，35]。在罗田苍术减数分裂前期Ⅰ的少数细线期花粉母细胞中观察到的一个或几个染色较深的、体积小很多的染色团，是否由细胞融合所致，还有待进一步证实[16]。不同苍术中出现的体细胞染色体数目变异暗示其一定程度的遗传不稳定性。

有些物种进行营养的无融合生殖，如珠芽及小鳞茎等可代替种子。无融合结子的物种主要是二倍体的配子体发育而成的无融合生殖类型或不定胚。半夏虽然以珠芽和块茎繁殖的无性繁殖为主，但仍可产生少量种子。其花粉母细胞减数分裂异常，导致花粉育性低，因而结实率低并且种子发芽差。当然，罗田苍术的减数分裂正常，没有形成不减数的配子，也没有无融合生殖的发生；故其种子的产生是由于正常的有性繁殖，即减数配子的结合和2n合子的发育。

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