展望微生态理论和技术在中药研究中的应用

严铸云，何冬梅，王海

展望微生态理论和技术在中药研究中的应用

严铸云，何冬梅，王海

分析了微生态学与中药学结合的理论基础，对微生态理论和技术在中药研究中的应用进行了展望，认为从微生态角度阐释中药品质形成、变化和作用机制等，将形成系列中药研究、生产和应用的新理念、新方法和新技术，在保证中药安全有效地用药和优质药材供给等方面有着广泛的前景，提出了中药微生态学（Herbal Microecology）的概念。

微生态学；中药学；中药微生态学

中药学是研究如何保证中医临床用药安全、有效和有药可用的一门科学，涉及中药理论和具体药物的来源、生产、采集加工、炮制、物质基础、性能、功效、适应证，及其使用和制备方法等多方面内容；并随着其他科学技术的发展而发展，不断融入现代科学技术成果的新技术和新方法。可见，中药学的主要研究对象有两类生物，即以植物（动物）为起点，人为终点。而微生物、植物、动物和人类是一个超有机体[1]。迄今微生态理论和技术日趋成熟，且已广泛用于生命科学的各个领域，改变了人们对生命本质的认识，那么它是否能在中药学方面得到应用，揭示中药研究中长期悬而未决的问题呢？答案是肯定的，即中药科学就是研究植物（动物）微生态系统的产物对人体微生态系统的影响。本文就微生态理论和技术在中药研究中的运用进行了展望。

1 在药材道地性成因方面的应用

道地药材是中药的精髓，是优质药材的代名词；中医药界历来重视药材的产地，讲究道地性。如《黄帝内经》谓：“岁物者，天地之专精好。非同岁物则气散，质同而异等也”，《神农本草经》谓：“土地所出，真伪新陈，并各有法”，《本草经集注》谓：“诸药所生，皆有境界”，《新修本草》谓：“窃以动植形生，因方舛性，春秋节变，感气殊功。离其本土，则质同而效异。”阐述了临床疗效、药材质量与产地密切相关。《本草衍义》提出：“凡用药必须择州土所宜者，则药力具用之可据。如上党人参、川蜀当归、齐州半夏、华州细辛……”，明确指出选择适宜生长地所产的药材，是保证临床用药安全有效的基础。20世纪80年代开启了道地药材的现代研究[2,3]，从历史文献、地质背景、生态环境、遗传特性、次生代谢产物等方面就道地药材形成机理及科学内涵等方面展开研究和讨论，如肖小河等[4]将道地药材形成模式分为生态环境主导型、生物物种主导型、生产技术主导型、人文传统主导型、多因子关联决定型；黄璐琦等[5-8]认为道地药材的表型是基因型与生境之间相互作用的产物，即表型=基因型+生境饰变；提出“道地药材的道地性越明显，其基因特化越明显”、“边缘效应能促进道地药材的形成”、“道地药材的化学组成有其独特的自适应特征”等道地药材形成的三个假说。目前，内生菌对药材质量的影响得到广泛的关注[9～11]，植物种子内部和表面有着丰富的微生物群落，种子萌发过程中的种子际（Spermosphere）微生物和土壤微生物相互作用影响着植物的健康生长和土壤肥力，同时影响根际微生态系统、植物内生菌组成，以及有害微生物的浸染过程[12～14]，即植物种际微生态系统与土壤微生态系统相互作用形成药用植物微生态系统。药用植物存在众多的共栖微生物（内生菌、根际、叶际微生物和丛枝菌等）是如何影响植物营养吸收、生长发育、代谢和防御过程？因此，揭示药用植物微生态与药材品质形成的关系，可为药材品质形成与调控提供了新的线索和手段，这种利用植物共栖微生物调控药材品质的形成可称“药用植物微生态调控技术”。

2 在资源培育方面的应用

中药资源已成为限制中医药发展的瓶颈问题，资源人工培育（栽培、野生抚育等）是解决资源短缺主要途径。药用植物引种栽培后，随栽培面积的不断扩大，连作障碍问题也日益突出，药材中重金属和农残超标，药材质量下降等现象严峻，严重危害着药材的产量和品质，极大影响了中医临床安全和有效性。连作障碍机制研究是可持续生产的热点课题之一[15]，其发生机理主要是土壤理化性质恶化、化感自毒作用和微生物区系失衡[16,17]，本质是“植物-土壤-微生物”组成的微生态系统发生改变，引起植物对土壤物质的转运变化，从而引起的植物生长发育和代谢特征的改变[18]，轮作生产方式是土壤微生态系统恢复的过程[19,20]。“植物-土壤-微生物”组成的微生态系统中，微生物是影响土壤物质循环，修复土壤微生态系统，影响植物物质吸收、生长发育和生理代谢活动的主导驱动因子。目前根际有益微生物的研究主要集中在丛枝菌根真菌（AM）和根际促生菌（PGPR）两方面，AM真菌能促进宿主植物对营养物质、土壤水分等的吸收，提高其耐盐、耐旱、耐重金属和抗病的能力，进而促进植物生长发育[21,22]，影响植物的次生代谢过程[23,24]，张华[25]和曾理[26]等对AM真菌对植物次生代谢产物影响进行了综述，赵萌[27]和李亮[28]等综述AM真菌缓解连作障碍的研究进展。根际促生菌 (PGPR) 包括诱导体系抗性 (induced systemic resistance，ISR)[29]和诱导体系忍受力(induced systemic tolerance,IST)[30]；ISR能产生抵抗多种能产生抑制多种病原菌的抗生素类物质或毒素，帮助植物抵御生物类（包括病原细菌、真菌、病毒及线虫等）侵害；IST 能帮助植物耐受多种非生物胁迫，包括重金属、干旱、盐分、肥力低下或过剩等[31,32]。乔卿梅等[33]分析了根际微生物在克服药用植物连作障碍中的潜力，龙伟文等[34]和胡江春等[35]分别就 PGPR与丛枝菌根真菌(AMF)的相互作用关系、PGPR的应用前景等方面进行综述[31]。相对而言，AMF和PGPR在缓解连作障碍和促进植物生长的研究报道较多，同时开发出多种微生物肥料[36～38]；但PGPR在促进种子明发、缓解重金属和农残污染的研究报道较少，但有成为研究热点的趋势。植物处于众多的土壤微生物环境，它们如何影响植物营养吸收、生长发育和代谢，以及重金属和农残进入植物体内的过程，这些为肥料和土地的持续高效利用，实现药用植物的高效和安全生产提供了新的线索和技术手段，这种利用土壤有益微生物实现优质药材高效生产的过程可称“药用植物根际微生态调控技术”。

3 在药材加工和贮运方面的应用

药材加工干燥是保证中药材质量的重要环节，药材产地加工干燥不仅是去除非药用部位和便于贮藏运输的过程，也是调整药材中次生代谢产物的过程。已有的研究表明，不同的干燥方法干燥的药材中活性成分和有害成分存在差异[39～43]，也影响着中药的安全性和有效性。周铜水[44]认为其机理是新鲜采收的植物体在干燥加工过程中，植物体受干旱胁迫，诱导相关化学成分的变化，提高了丹酚酸B的含量。内生菌与植物次生代谢产物有着密切的联系[9,10]，而在药材干燥过程内生菌的种群变化对药材质量和贮藏的影响目前仍缺乏研究，但有可能成为研究热点的趋势。这些研究将为保证干燥、贮藏过程中药材的品质，实现药材高效和安全生产提供新的线索和技术手段，这种控制内生菌的变化实现优质药材高效生产的过程可称“药材加工微生态技术”。

中药贮藏运输过程中易受空气、温度、湿度、光线、微生物等的影响，常出现虫蛀（药谷盗、米肉虫、谷蛾、米象、玉米螟、黄粉虫和螨等害虫）、霉变（黄曲霉、黑曲霉、产黄青霉、桔青霉、长枝木霉、根霉、毛霉、互隔交链孢霉、茄病镰刀菌酵母或细菌等）等，而蛀虫又传播霉菌，导致药材发霉，使药材外观性状和化学成分发生变化，影响中药质量和临床安全有效用药。中药材虫蛀或霉变不仅造成直接经济损失，且部分霉菌能产生耐高温的毒素，在炮制、煎煮等处理过程中不会被破坏，会引起真菌毒素中毒症、降低机体免疫功能、中枢神经系统的损害、甚至引起突变、导致畸形和致癌等严重的安全隐患[45,46]。目前，中药材仓储养护的方法有自然通风法、干燥法、对抗贮藏法、密封吸湿法、炒米茴香养护法、化学药物熏蒸法、醇或生物碱类等喷洒养护、冷冻杀虫法、干沙埋藏法、谷糠贮藏法、密闭贮藏方法、气调贮藏技术、低温冷藏技术、气幕防潮技术、气体灭菌技术、辐射灭菌技术、挥发油熏蒸防霉技术等[47]。虫害防治上常采用密封养护的方法，其次是磷化铝熏蒸，少部分采用硫磺熏蒸；处理霉变最常用翻晒/摊晾的方法，仍有少量商户通过熏硫处理霉变[48]；而杀菌防霉新技术如辐射灭菌技术和气调养护技术、超高压处理技术、微波和远红外应用并不充分[49,50]。大多药材陈放时间过长都会出现发霉、虫蛀、变色、散失气味等变质问题，降低药材品质，而产生变质的真菌和虫卵多为土壤传播，部分来自加工、储运环境。同时，有些药材要求一定的陈放时间，传统有“六陈”的认识，已有研究认为陈皮引起挥发性组份变化和黄酮类成分升高[51,52]，这种变化与药材中的真菌相关[53]。可见，药材的变质现象和陈放增效等过程都伴随着药材中微生物菌群结构的变化。但这方面的研究薄弱，加强研究有可能为药材安全生产提供了新的线索和技术手段，这种利用药材中微生态功能实现药材防变质和改善药材品质，可称“药材养护微生态技术”。

4 在药材生产区划和产地溯源方面的应用

道地药材是中医药的精髓，中医药界长期信赖道地产区所产的药材，并以其产出地作为控制药材质量的方法。然而，产地的地理尺度有多大？如何辨识流通中药材的产地？一直都是悬而未决的问题。因此，回答产地的地理尺度范围，是制定生产区划、发展道地药材生产，实现药材产地溯源的基础。

药材生产区划常以气象因子和土壤元素和水分等进行分析等进行确定，事实上，长期气象观察站点有限，短时间对气象因子的观察又难以获得数据规律；常规的土壤元素分析关注土壤大量、中量和微量元素，以致于小环境之间存在的生态差异常常被忽视。同时，植物微生态系统具有自稳性，即微生态系统中各微生物的生态位的占位和互补现象，无机元素之间的共吸收和功能替代等现象，共同维持了植物生命过程的相对稳定。另一方面，植物的代谢成分多样，结构复杂、异构体广泛存在，小环境差异引起的植物代谢差异被掩盖，但不同产地药材的质量差异又是临床观察客观存在的事实。可见，以小环境的气象因子、常规土壤元素，以及药材中的次生代谢产物解决产地的标识仍然具有一定难度。而土壤微生物是小环境的气候、土壤元素和营养条件的综合表征，也是土壤生态系统的主要驱动因子[18]。因此，可利用土壤微生态系统的组成和功能特征更精确表征药用植物所处的微生态环境，实现基于小环境特征的药材生产区划。同时植物药用部位的内生菌存在地域特性[10]，利用内生真菌群落结构地域性差异可进行药材的产地鉴别，实现药材的产地溯源。

5 在中药作用机制方面的应用

人类机体是一个由大量原核细胞、真核细胞组成的异常复杂的“超有机体” （Superorganism）[54,1]。人类肠道微生物发挥着能量代谢调控、异源物质代谢、肠道上皮细胞修复、肠道黏膜免疫激活、宿主行为调控等重要作用，与肥胖、糖尿病、肝代谢异常、慢性肝炎、肠癌、肠易激综合征、心血管系统和神经系统等疾病均有关[55]。只有当人体自身基因组、人体共生微生物基因组及所处环境三者之间处于一个动态平衡状态，才能保持人体的健康状态，肠道细菌基因组是控制人体健康的“人类第二基因组”[56]。口服是中药的主要给药途径，中药被肠道微生物转化，减弱或者增强药效，肠道微生物对中药有效成分转化作用与肠道微生态平衡关系的研究，将是解释中药作用机制不可忽略的一条途径[57]。同时，中药具有维持肠道微生态的平衡，调节肠道菌群，中药对肠道微生态的调节作用，也揭示中药治疗作用的肠道微生态本质[58,59]。如Ashley L. Steed等发现天然植物中的黄酮类化合物，经过肠道微生物的降解，产生的代谢物被吸收后，能够上调I型干扰素信号通路，进而增强机体抗病毒免疫反应[60]。但这方面的研究薄弱，随着测序技术的发展，将为中药在肠道中的生物转化和肠道微生态的关系，以及中药与肠道微生态平衡的关系提供了有利的技术支撑，加强这方面的研究有可能为中药安全有效用药，以及阐释中药的作用机制提供新的线索和技术手段。研究与肠道微生态和药效的关系，用以阐释中药作用机制和实现安全有效用药，可称“中药微生态机制”研究。

综上可见，微生态问题贯穿在中药生产和应用的各环节，微生态研究势必成为中药研究的另外一个窗口。微生态理论和技术运用到中药研究中，从微生态角度阐释中药品质形成、变化和作用机制等，将出现中药培育的新理念和技术、提升中药贮运技术，以及中药作用机制研究的新方法和新技术，形成中药控制安全性和有效性的新观念和新方法、新技术。将使中药的研究、生产和应用进入到一个崭新的发展阶段，并由此产生一门新的学科——中药微生态学（Herbal Microecology）。

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Prospect of micro ecological theory and technology in the application of traditional Chinese medicine research

/YAN Zhu-yun, HE Dong-mei, WANG Hai//( School of Pharmacy, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine; Key Laboratory of Standardization for Chinese Herbal Medicine, Ministry of Education; National Key Laboratory Breeding Base of Systematic Research, Development and Utilization of Chinese Medicine Resources, Chengdu 611137, Sichuan)

The theoretical basis of combination of micro ecology and Chinese materia medica is analyzed. The prospect of the application of micro ecology theory and technology in traditional Chinese medicine research is discussed. It is believed that exploration of traditional Chinese medicine quality change and formation mechanism from the perspective of micro ecology will form a series of new ideas, new methods and new technologies of traditional Chinese medicine research, production and application which effectively ensures the safe application of traditional Chinese medicine and the quality of medicinal materials and etc. And the paper also puts forward the concept of traditional Chinese medicine ( TCM ) micro ecology ( Herbal Microecology ).

Micro ecology; TCM; Herbal Microecology

R 28; Q 938

A

1674-926X(2017)05-005-05

国家自然科学基金（81573537）

成都中医药大学药学院，中药材标准化教育部重点实验室，四川省中药资源系统研究与开发利用重点实验室，省部共建国家重点实验室培育基地，四川 成都 611137

严铸云（1964-），男，教授，主要从事道地药材形成机制和微生资源的开发利用方面的研究Tel:028-61800231 Email: cdtcmyan@126.com

2017-01-12

（责任编辑：蒋淼）