林下参生态种植及其蛋白研究现状

李舒欣，张 浩，王 琪，赵海悦，许世泉*

（中国农业科学院特产研究所·吉林长春·130112）

人参（Panax ginseng C.A.Mey.）为五加科植物，被称为“百草之王”。自古以来，人参就作为药用植物被我国广泛应用，人参根中成分复杂，目前已知有效成分包括人参皂苷、多糖、挥发油、脂肪酸、甾醇、维生素、蛋白质、多肽等，人参中主要活性成分人参皂苷对神经系统、心血管系统以及肿瘤等疾病均具有较好的临床应用价值，已应用于多种疾病的治疗和预防[1];人参蛋白也具有抗癌及抑制细胞增殖作用[2]、抗辐射及增强免疫力作用[3，4]、降血脂作用[5]、抗疲劳作用[6]、耐缺氧及抗氧化作用[7]、神经元保护作用[8]；人参多糖也在临床应用于糖尿病[9]、病毒性肝炎[10，11]、脓毒症[12，13]以及肿瘤如肺癌[14，15]、直肠癌[16]、宫颈癌[17]等的治疗。

人参具有很高的药用价值，但野生人参的数量几近枯竭，已不能满足人们的需求，园参虽然可以保证产量，但品质及药用性质远远不及野生人参，伐林栽参更不符合我国可持续发展道路，因此，人工播种到林下，无人为干预的林下参栽培方式在人参栽培上逐渐占据重要地位，林下参种植不仅可以保证人参产量，人参品质也与野生山参接近。而在林下参生长过程中，随时间发展，林下环境也有很大变化，我们需要关注林下环境的改变，避免恶劣环境对产量及品质造成的影响，创造适宜林下参生长的生态环境。本文通过对前人研究生态环境对林下参的影响进行分析，旨在为林下人参种植与森林可持续经营提供科学的依据。

1 不同生态环境对林下参影响

1.1 不同海拔高度对林下参影响

人参具有道地性，人参不仅只能在特定的海拔范围内生长，而且不同的海拔高度对人参的皂苷、糖类及蛋白等都有一定的影响：张秀丽[18]等研究发现：人参栽培的适宜海拔高度为400～952m，海拔过高或过低都对人参皂苷含量有一定影响，相同海拔不同地区的人参皂苷含量也有所不同;王寅秀[19]研究海拔对人参不同部位多糖的影响发现：当海拔范围在100～800 m，人参根部的多糖的含量随海拔的升高而增加，茎叶的多糖含量则减少，而海拔高度在950～1450m，人参根部的多糖含量随海拔的升高而减少，人参地上部分的多糖含量则反之；霍艺丹[20]等研究发现海拔高度在127～305m，人参粗蛋白的含量随海拔的升高而降低，海拔高度在400～600m，人参粗蛋白的含量随海拔的升高而增加，海拔高度700～1410m，人参粗蛋白的含量随海拔的升高而降低;因此，针对不同皂苷、蛋白及糖类的需求，可以在不同纬度选择适宜的林下参。

1.2 不同土壤环境对林下参影响

土壤的理化性质及生物学性状对人参的产量和品质有很大影响，必须选择适宜的土壤进行人参种植。适宜的林地土壤类型以棕壤和暗棕壤为主，多分布在针阔叶混交林下，由花岗岩、玄武岩等母质经多年风化残积及植物残枝落叶混合形成，适宜人参生长[21]。在选择适宜的土壤类型后，还必须关注土壤养分在林下参生长过程中的变化，土壤养分是否均衡不仅影响人参的生长发育，还可能造成人参的生理性病害，如孙淑梅[22]等认为土壤可溶性盐增高是导致人参红皮病发生的重要因素，常维春[23]等认为缺锌是导致人参花叶病的原因，程海涛[24]研究发现人参在不同生育期，所需的养分也不同，在人参生长发育的过程中，人参不同生育期土壤养分的含量呈现不同的变化。土壤养分会随时间发展而改变，土壤微生物可以对土壤养分进行调节，可以选择土壤微生物丰富度高，有益菌群多的林下土壤进行种植。

除土壤类型及养分外，土壤酸碱度的变化也会对人参生长造成影响。李志洪等[25]研究发现在土壤容重范围为0.67～0.99g/cm3之间进行的田间栽参实验表明，适当增加床土容重有助于人参生长。土壤酸碱度一般认为适宜人参生长的土壤pH值在5.5～6.5之间，其中高产土壤pH值为5.4～5.7[26]。张亚玉[27]等研究发现，土壤的pH会随栽参年限的增加逐渐下降。因此，在选择参地时，需要选择适宜土壤类型，进行土壤养分含量的测定，避免选择养分含量不均衡及重金属含量高的土地，并且考虑土壤养分及酸碱度的动态变化，可以保证不同生育期人参所需养分。

1.3 温度及水分对林下参影响

林下参生长量低于园参，其中温度及光照为重要的限制因子，温度不仅影响人参叶片的光能利用能力，而且影响其光合效率。徐克章[28]等研究发现，在低温条件下，光补偿点和光饱和点比较低，叶片光利用能力较弱，光合效率也较低，此时温度是限制因子;在高温条件下(30～40℃)下，叶片的呼吸作用加强，光补偿点升高，光合效率下降。研究表明16～18℃适宜根系生长，20℃左右适宜地上植株生长，当温度高于30℃或低于10℃时，人参进入休眠状态，要调节林下参的环境，也可以通过控制郁闭度来调节，一般可将郁闭度控制在 0.6～0.8[28，29]。

水分不仅是植物的重要组成部分，更是植物进行一切生命活动的基础，林下参不进行人工灌溉，因此，在选择种植地点时，必须选择土壤含水量适宜的地区进行种植。人参在不同生育时期需水量不同，在开花期、绿果期和红果初期根系供水量与人参地上部分需水量变化基本一致，但红果中期根系供水能力明显下降，而植株地上部分需水量下降则较少。张超宇[30]研究发现：含水量较低时，土壤酸化程度高，盐化严重，高含水量有助于维持土壤的透气状况，利于营养物质的转化；土壤高含水量有利于维持土壤微生物群落功能多样性，微生物种类多且分布均匀；土壤含水量会影响土壤酶活性，对各种土壤酶活性影响程度不同，土壤脲酶、蛋白酶和蔗糖酶与水分之间存在相关性，在一定土壤水分含量范围内，水分含量越高；以白浆土为基质的人参生物量和质量受土壤水分影响显著，人参的生物量随着土壤水分的增加而增加，但是在较低的土壤水分条件下，有利于人参单体Rb1、Re和Rg1的积累；人参栽培土壤的含水量控制在26%～29%之间较为有利。

1.4 光照对林下参影响

人参为阴性植物，无栅栏组织，光照过强不适宜生长，光照过弱不利于光合产物的积累，适宜的光照可以有效提高人参产量，光照强度及光质都会对人参生长产生重要的影响。植物的光合特性包括净光合速率、叶绿素含量、光饱和点、光补偿点、CO2饱和点、CO2补偿点等指标，徐克章[31]等研究表明，人参叶片净光合作用速率的变化范围在1.5~5.0μmolCO2/(m2·s)之间。光合作用的光补偿点和光饱和点分别在5~20μE/(m2·s)和 120~480μE/(m2·s)之间。

徐克章[32]研究光照强度、光质以及人参叶片光合速率发现：人参叶片光合作用特性在不同年生和不同生境条件下有较大变化，1年生叶片光合速率明显低于其它年生叶片，6年生人参叶片光合速率有下降趋势，不同光照条件下叶片光合作用呈显著变化，5%~30%LTR荫棚下人参叶片随着光强的增加，光合作用特性发生显著(l%显著水平)变化；光质对植物形态建成如叶绿素含量和叶绿体超微结构等形成有重要作用，现在园参多采用蓝膜及黄膜，而徐克章认为，蓝色膜对人参植株茎叶生长有抑制作用，蓝色膜下植株提前两周衰老，蓝色膜人参叶片叶绿素含量最高，黄色膜植株生长基本一致，黄膜下叶片衰老时间基本一致，黄色膜下人参叶片叶绿素含量最低，人参叶片厚度和单位叶面积叶肉细胞数目以蓝色膜下最高，黄色膜下次之，人参叶片光合效率以蓝色膜下最高，黄色膜下最低，在饱和光下，所有光质下叶片光合速率基本一致；温度不仅影响人参叶片的光能利用能力，而且影响其光合效率，人参叶片光合作用的适宜温度为15~27℃，而人参叶片光合作用的适宜温度受生长期间温度条件的影响，生长期间温度增加5~6℃，光合适温相应增加2~3℃。

因此，林下参在种植时，需要选择适宜的坡度、坡向及郁闭度等，海拨240m以上东西走向山脉的东南、北坡、西坡为好，坡度 25°~55°之间较好，郁闭度可选择在0.4~0.6。

2 林下参种植技术及现状

林下参形体十分重要，形体越好的林下参商品价值就越大，一颗有价值的林下参讲究根、体、皮、纹、须及珍珠点[33]。要想得到品质好、价值高的林下参，必须对品种、土壤等进行选择、同时后期管理也非常重要。目前，在林下参的种植过程中，多选择在针阔叶混交林下种植，从播种到苗期管理需要精心看护，严禁人畜进入种植区，封闭管理，第一年不需除草，之后只要保证人参苗不被杂草遮光影响生长即可[34]，当郁闭度≥0.8时，要对上层树冠进行适当修枝，郁闭度0.6~0.8为宜，当林下参达到15年生以上时即可采收，时间7月到8月为宜[35]。

林下参种植历史悠久，至今已有400多年，现在我国林下参种植面积已经超过50万公顷，产业发展迅速[36]。东北三省是人参的主产区，主要栽培区在东南部至东北部的山区和半山区，南到辽宁省宽甸县石柱子，北至黑龙江省勃利县一带[37]。林下参种植在我国的收益可观，白山市为我国人参主产区之一，据统计2017年，全市发展面积达3.9万公顷，产值达27.8亿元，解决了1.3万人的就业问题[38]。然而林下参种植的过程中还存在诸多问题，如保苗率低、鼠害及病害发生严重，病害如人参黑斑病、绣腐病及疫病等发生严重，其中危害最大的病害是人参锈腐病，但大部分参农没有掌握治疗锈腐病的有效方法，缺少相应的预防措施，常有林下参在种植数年后突发感染锈腐病，导致大面积死亡，造成重大经济损失。因此，在林下参栽培过程中，需要以预防为主，及时去除病株，精心看护，防止鼠害及野生动物灾害，综合防治。

3 人参蛋白差异表达

现代生物科技飞速发展，基因组学研究已经非常深入，但仍有一些基因组学无法回答的问题，科学家们进一步提出了后基因组计划，蛋白质组研究是其中一个很重要的内容。人参差异蛋白的研究方兴未艾，人参蛋白的差异研究主要包括不同产地人参差异蛋白表达研究以及不同酶类差异表达的蛋白研究两个方面，在不同产地人参差异蛋白表达的研究中，主要使用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳 （SDSPAGE）指纹图谱等技术进行分析。侯元等[39]采用薄层等电聚焦技术鉴定人参水溶性蛋白；曹立亚等[40]采用同一技术对冻干参、鲜参、生晒参及红参中水溶性蛋白进行了比较分析；姜先刚等[41]使用SDS-PAGE指纹图谱技术对人参水溶性蛋白进行分析鉴定；幺宝金等[42]也采用这一技术对园参、野山参、西洋参中水溶性蛋白成分进行比较研究，结果表明3种人参水溶性蛋白的SDS-PAGE图谱及凝胶分析图谱存在很大差异，可以通过这一技术对园参、野山参、西洋参进行鉴别和质量评价。而霍艺丹等[20]采用凯氏定氮法研究人参粗蛋白量随海拔高度的变化规律，结果显示同一海拔同一地区4年生人参粗蛋白量高于5年生；海拔127~305m人参粗蛋白量随海拔升高而降低；海拔400~600m人参粗蛋白量随海拔升高而增加；海拔700~1410m人参粗蛋白量随海拔的升高而降低。这些都表明不同的生长条件和环境下人参将诱导表达不同的蛋白质。

近年来，由于高通量蛋白质组学的仪器、试剂、技术的大力发展使得同时识别和比较疾病发生，以及与疾病治疗相关的蛋白表达水平变化成为可能[43]。其中相对和绝对定量同位素标记(isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ)技术是美国应用生物系统公司在 2004年推出的一项新的体外同位素标记技术[44]。使用该技术可以寻找差异表达蛋白，并分析其蛋白功能，同时可以对1个基因组表达的全部蛋白质或1个复杂的混合体系中的所有蛋白质进行精确定量和鉴定。如今，iTRAQ技术已经在蛋白质组学的定量研究中得到了极其广泛的应用[45]。Rui Ma等学者[46]将二维凝胶电泳技术与iTRAQ技术结合，表征人参生长过程中的蛋白变化，对人参生长过程皂苷的代谢及积累在蛋白表达方面提供了新的见解，该技术可精确灵敏鉴定蛋白含量及种类，在人参蛋白差异性表达筛选中有很大的应用前景。

4 林下参生态种植展望

人参是传统名贵中药材，在中医临床应用中具有悠久的历史，目前针对人参的研究大多为其药用机理以及活性物质的研究，在栽培方面研究较少。

林下参栽培模式可以保证栽培人参具有类似于野生人参价值，是现在人参种植的主要模式，目前林下参栽培研究虽然有一定的历史，但多数为单一及少数环境因子对林下参种植环境的影响研究，随着林下参种植业的发展，林下参种植规模越来越大，面临的问题也会越来越多，确定林下参生长的诸多适宜条件迫在眉睫。每个环境因子都对林下参的生长有重要影响，但生态环境对林下参的生长的影响，不是单一生态因子的结果，需要对生态环境进行综合考虑，包括海拔、坡向、坡度、植被、土壤、环境温湿度、郁闭度等因子的综合影响，才能准确判断环境因子对于林下参的影响。虽然林下环境不可控因子较多，但是随着科技的发展，林下局部环境因子可进行动态监测，一些生理指标也可简单方便进行测量，目前数据处理软件与分析方法的完善，都为林下参生态环境综合研究提供了技术支持。相信随着科技的发展，林下参生态环境的研究将会进入全面发展的阶段。