北五味子生物学研究进展

陈巍，范志强，魏江春，王东东，范三鹏，胡高升，贾景明

(沈阳药科大学中药学院，沈阳 110016)

五味子(Schisandrachinensis(Turcz.) Baill)为木兰科(Magnoliaceae)五味子属(Schisandra)药用植物，其药用部位为干燥成熟果实，习称“北五味子”[1-2]。其性温，味酸、甘，归肺、心、肾经；具有收敛固涩，益气生津，补肾宁心等功效，主要用于治疗久嗽虚喘、久泻不止、心悸失眠等[3]。《本草纲目》中有记载：“五味子今有南北之分，南产者红北产者黑，入滋补药，必用北者为良”[4]。在中国药典2020年版中，五味子的来源有两种：五味子(S.chinensis)及华中五味子(S.sphenanthera)，后者习称“南五味子”[1]。近年，国内外对五味子的研究日渐深入，在大量文献调研的基础上，对五味子的资源现状、栽培和育种技术、组织培养技术、分子生物学研究进行综述，为五味子的资源开发利用和生物学研究提供理论基础依据。

1 五味子资源现状及应用概况

全世界五味子属植物约50余种，主要分布在中国、朝鲜、日本、俄罗斯远东和印度等地。中国现已发现五味子约28种，其中药用植物19种。我国北五味子资源比较丰富，总面积约7000亩，主要在黑、吉、辽三省分布，此外河北、内蒙古等地区也有少量分布。野生北五味子年产量达2200～2500 t[5-9]。自20世纪70年代起，在我国的科研工作者就开始对五味子野生栽培品种进行驯化的研究，经过40多年的摸索工作，野生五味子的驯化和栽培已经被较为系统的掌握，使五味子的大面积人工栽培成为可能[7]。

五味子的药用历史悠久，药用价值高。早在《神农本草》中就有记载，在书中五味子被列为上品，是一味名贵的药材。五味子在不同版本的《中华人民共和国药典》和《卫生部药品标准》等书籍中均有收录，是应用面广、市场大的中药材品种。在2015年版《中华人民共和国药典》中，有60个成方制剂和单味制剂含有北五味子药材，而在新修订的2020年版《中华人民共和国药典》中收载的成方制剂和单位制剂中含有五味子药材的处方制剂增加到了103个[1,10]。经过调查发现，北五味子的国内产量超过90%应用在医药领域(包括中成药，饮片和提取物)，规模较大的中成药品种有生脉饮、天王补心丸、柏子养心丸、石斛夜光丸、五味子颗粒和五味子糖浆等，已经获得生产批号的厂家约300家左右，北五味子在药品行业中的需求量属于稳步提高状态。其余不足10 %用于酿酒、制汁，生产饮料、酸奶、冰激凌等，还能用于保健品、纺织染料、烟用添加剂、食品添加剂、化妆品、防腐剂等方面[11-12]。在保健品开发方面，国内在北五味子保健品和食品领域的研究和产品较少，目前主要是五味子果酒、猴头菇羊肚菌五味子胶囊、灵芝五味子胶囊、五味子糕、五味子膏和五味子花粉等几种规模较小的产品。国外对北五味子的保健品开发较成熟，其原材料及提取物主要来自中国，产品形态以化妆品，保健品和食品为主。

2 五味子栽培育种技术研究现状

2.1 品种选育

五味子为异花授粉植物，种内存在较多的变异，关于五味子种内变异的研究在20世纪80年代就已经开始，在国内外学者研究的基础上，并对五味子种质资源进行了系统评价，为五味子品种选育提供了基础和前提[13]。其中选育出的新品种、新品系有“红珍珠[14]”“红玛瑙[15]”“白五味子[16]”“金五味1号[17]”等。原黑龙江省林副特产研究所建立优良无性系测定园，进行资源收集产量比较分析，选育优良品系等方面的研究，并取得了阶段性成果。但由于五味子栽培育种工作起步较晚，其育种研究体系建立的还很不完善，基础研究相对薄弱。所以，科研工作者首先要调查五味子遗传变异情况，做好种质资源收集、保存、评价和利用，解决种植资源贫乏问题，建立种质资源库；同时也要加强对调控机制和遗传规律等基础研究，从更深层次探讨产量、质量、器官建成和对环境适应性等方面的生理生化机理和基因调控机制，为五味子品种选育提供依据[18]。

2.2 栽培生理研究

五味子为雌雄同株，异花授粉，影响五味子产量的因素主要是雌花的数量，但由于雌花分化比率的不稳定性，导致五味子稳产性差，常出现大小年现象[19]。因此，通过研究五味子花芽分化规律、影响花芽分化的因素和花芽分化临界期，并以此为依据来调控其花性的分化，提高雌花分化率，实现五味子的丰产稳产[19-21]。

当前研究表明，五味子不同枝类花芽的雌花分化率的存在较大的差异，叶丛枝花芽的雌花分化率为0，而中长枝类花芽的雌花分化率较高，达43.2 %[20]。另外，五味子不同节位的枝条花芽在分化数量和分化质量上也有较大差异，高节位的花芽较低节位花芽分化数量和质量略高。五味子地下横走茎对五味子的产量也有一定的影响。由于五味子地下横走茎是一种变态茎[22]，其根系不发达，在生长过程中会与地上部分竞争营养物质，其数量可以影响到五味子的产量。在地下横走茎的生长过程中，可以采用人工去除的方法，减少横走茎的数量，增加五味子的产量[23-24]。在五味子栽培过程中，架势的方式对五味子的生长也有一定的影响，张庆田等[25]研究表明棚架五味子叶片的光合速率高于篱架栽培的五味子。

2.3 植物营养研究

植物生长发育过程中，植物营养元素起着重要作用，是指导五味子种植中合理施肥的基础。近年来，对北五味子研究报道较多，但五味子营养元素理论研究这一方面报道却较匮乏。在五味子氮元素的研究中发现，不同供氮水平和不同氮素形态比例都在一定程度上影响着五味子的生长发育。随着氮供给的增加，五味子茎叶氮含量、可溶性蛋白含量、叶绿素含量都呈现先升高后降低的趋势[26]，五味子苗木在不同生长时期对不同氮素形态的吸收存在明显差异[27-28]。在钾元素的研究中，于志民等[29]报道黑龙江省三大产区野生北五味子植株钾含量大小顺序依次是：果实>花>叶>根和茎。在磷元素中，丛毓等[30]研究发现，五味子磷元素在展叶期到浆果生长初期含量下降，浆果生长中、后期磷含量明显提高，叶片中磷含量达到高峰，平均提高了0.76 %，果实成熟后期至植株枯萎，叶片中磷含量明显降低。

3 五味子组织培养技术研究现状

近年来，关于五味子组织培养研究的中文报道已有40余篇，为五味子优良品种快速繁育和开发利用提供了有益的技术资料。五味子组织培养研究主要集中以下在三个方面:一是以茎段为外植体诱导丛生芽，通过生根培养，实现快速繁育。外植体通常来自于春芽萌发后的幼嫩茎段或冬芽水插新稍。陈雅君[31]等以带腋芽的嫩茎(春芽萌条)为外植体，在含有6-BA和ZT的MS培养基上诱导腋芽萌发，并将腋芽转接到含有6-BA、NAA和ZT的增殖培养基上，成功诱导产生丛生芽，并通过诱导生根，获得了再生植株。顾地周等[32]以冬芽水插条的萌发新稍为外植体，芽苗诱导率为92 %。李兴亮[33]以五味子冬芽水插新稍进行诱导丛生芽，丛生芽健壮，成活率高；二是以五味子子叶、下胚轴、腋芽萌稍或冬芽为外植体，在激素培养基上诱导形成胚状体，并在无激素培养基上培养成苗。陈爱华等[34]以五味子种子萌发后的子叶及下胚轴进行诱导，并建立了五味子体细胞胚快速繁育技术。李千等[35]以冬芽诱导愈伤组织，分化出胚状体用于快速繁育，建立了胚状体快速繁育途径；三是以幼嫩茎段、春芽萌条、冬芽、叶、叶柄、果柄、种子、子叶和下胚轴等植物组织为外植体，进行愈伤组织的诱导，诱导产生的愈伤多用于药物生产研究，少数为获得胚性愈伤组织来进行快速繁育。赵国凡等[36]以幼嫩茎段和叶片为外植体，在MS培养基中附加适宜浓度的NAA和KT，成功诱导出愈伤组织，诱导率达100 %。张顺捷等[37]以叶片、嫩茎和叶柄为外植体诱导愈伤，通过分化培养基和生根培养基，成功诱导生根，三种外植体中叶片愈伤诱导率相对较高，但嫩茎段诱导愈伤分化率高于叶片。

4 五味子分子生物学研究现状

从近年来文献报道看，目前五味子的分子生物学研究还相对滞后，现在已经开展的分子生物学研究多集中在南、北五味子的鉴别，以及遗传多样性研究方面，并在相关方面取得了一定的成果。张庆田等[38]通过CTAB方法对五味子基因组DNA进行提取，并使用RAPD技术对其基因组DNA进行多态性扩增，利用3对引物可将10个五味子品种区分开，为在分子水平上对五味子种质资源进行评价以及保护和利用提供一些参考信息。苑广信等[39]则通过RAPD技术筛选出的引物，可区分北五味子和南五味子。伊旭等[41]采用RAPD法从100个随机引物中筛选出20个优良引物，并用这20个引物在长白山区56个样地的五味子材料中扩增出125条带，其中62条为多态性条带，多态率为49.6%，56个北五味子群体的遗传距离为0～0.56，显示出丰富的遗传变异。虽然目前已经有大量关于五味子遗传多样性的研究报道，但依旧不能满足其分子生物学研究。

高通量测序技术又称为新一代测序技术，能一次并行对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定和一般读长较短等为标志[40]，而且它可以对一种生物、组织或者细胞器的基因组、转录组或代谢组进行全面、深入的分析，因此又被称为深度测序。应用高通量测序技术对华中五味子红果及果皮和白果及果皮进行了转录组分析[41-42],获得了26.4 GB原始数据(NCBI登录号:SSR4449123)，使用Trinity进行从头转录组组装发现92415个转录本，产生71443个unigenes。陈春宇[43]等利用广泛靶向代谢组学和高通量测序技术对果实成熟过程中的三个时期，即绿果期、浅红果期和深红果期的五味子果实进行分析。在转录组分析中共获得81095个Unigenes，代谢中分析中共鉴定出736个化合物，利用WGCNA(Weighted gene co-expression network analysis)分析，构建了木脂素和黄酮性状与基因之间的关联，筛选到17个参与木脂素生物合成的重要基因和8个参与黄酮生物合成的重要基因。

5 展望

五味子为名贵常用中药材。近年来，五味子相关药品及保健品日益丰富，伴随着相关产品开发，五味子药材需求量逐年攀升，由于野生资源匮乏，目前市场供应主要依靠人工栽培。但五味子栽培育种工作起步较晚，相关研究体系建立仍不完善，基础研究薄弱，目前大部分以实生苗建园，品种混杂严重，加之栽培技术不够成熟，很难实现高产稳产。应尽力完善的五味子栽培育种体系，跟进五味子的品种选育。另外，五味子现有的分子生物学研究还相对滞后，主要集中在对转录组和代谢组的宏观研究中，暂无对五味子有效成分关键酶途径的解析以及相关转录调控的研究，科研工作者应加大对五味子次生代谢产物生物合成途径和转录水平的研究，以为五味子育种和增产增收提供理论依据。此外，与五味子品种鉴定相关的研究成果还停留在实验室阶段，亟待将这些成果转换成相应的产品，应用于市场，以指导五味子的真伪鉴定。