药用植物保育学研究进展与展望△

梁莹，秦双双，韦坤华，汤丹峰，乔柱，郭晓云，韦范，朱艳霞，缪剑华

广西壮族自治区药用植物园 广西药用资源保护与遗传改良重点实验室/广西壮族自治区中药资源智慧创制工程研究中心，广西 南宁 530023

药用植物保育学是一门以保护生物学为基础，研究药用植物物种保存和环境胁迫条件下药效物质变化的机制，探索生物多样性保护与药效形成的原理和方法，制定保育策略，实现资源可持续利用的学科[1]。相比于传统的植物保育学，药用植物保育学在物种遗传多样性保护的基础上增加了药效的形成与保护工作，以期实现物种与药效维持的“双保护”，并从遗传、生态、驯化技术等方面开展药用植物的保育理论研究与实践，在理论、技术、平台等方面实现突破，形成特色鲜明的药用植物保育理论体系，进而解决药用植物保育中药效保护和利用的问题[2]。近年来，陆续开展了白及[3]、萝芙木[4]、密花豆[5]、金花茶[6]等药用植物的保育研究。本文简要阐述了药用植物保育学学科建设历程和药用植物发源中心，总结了在药用植物遗传保育、生态保育、驯化保育、繁育和复育等方面的研究工作，并对未来药用植物保育学学科发展方向提出几点展望。

1 药用植物保育学学科建设历程

随着人类经济社会的快速发展，人们逐渐开始重视人类经济活动对环境的破坏及其所导致的野生物种生存危机，保护生物学作为一门危机学科应运而生。在过去几十年间，保护生物学的发展理念已经发生了根本性的改变，主要表现为从20世纪60年代前的“保护自然本身”到20 世纪70—80 年代的“防止人类破坏自然”，再到90 年代的“人类利用大自然”，以及现在的“人与自然共存”理念[7]。植物保育的思想也在保护生物学的发展过程中逐渐形成，并创建了植物保育学这一专门学科来指导植物的生物多样性保护，将之用于药用植物的保育中。植物保育学的保护对象是植物，但在具体的药用植物保育实践过程中不能有效地解决药效的维持问题。为解决植物保育学在药用植物保育中的局限性问题，广西药用植物园提出一门新的学科——药用植物保育学，指导药用植物的保育实践。

药用植物保育学学科筹建于2002 年。该学科是在总结广西药用植物园多年来开展的大量药用植物引种、驯化与保护实践经验和技术研究的基础上逐渐形成。2009 年和2012 年先后被批准为第3 批广西医疗卫生重点（建设）学科、第4 批广西医疗卫生重点（建设）学科；2013 年被国家中医药管理局确立为中医药重点学科；2017年《药用植物保育学》专著出版；2020年英文专著《Conservation of Medicinal Plants》出版，同时《药用植物保育学》入选中华人民共和国国家卫生健康委员会“十三五”规划教材，并于2021 年正式出版发行，这标志着药用植物保育学学科进入新的发展期。药用植物保育学也将更加广泛地指导药用植物保护和利用研究。

2 药用植物保育研究现状

药用植物保育一方面是对药用植物物种本身的保护，另一方面是对药效这一药用植物核心价值的有效维持。药用植物保育学的研究内容包含保育理论、保育技术和保育策略等方面。其中，药用植物保育理论在植物保育学的基础上增加了药用植物发源中心学说和药用植物药效形成机制等内容，从遗传、生态、驯化、药用植物经济规律等方面拓展了药用植物保育理论，形成了遗传保育、生态保育、驯化保育原理，各原理相对独立又相互关联。在药用植物保育过程中，遗传因素是药用植物药效形成的基础，适宜的生态因子是药用植物药效维持的必备条件，驯化则是将药用植物种质与药效形成的关键因子有机结合，并协调好药用植物保护与药材生产的关系。

2.1 药用植物发源中心学说

药用植物发源中心是指该药用植物被首次发现并利用的发源地[1]。药用植物之所以成为药用植物，是人‑自然‑时间‑地理位置之间的完美邂逅与发现，是人类进化历史上认识自然、了解植物的一次重大突破。现在流传下来的、药效优良产区的药用植物资源或多或少受到人类选择作用的影响，区别于原始野生植物，其被称作栽培植物或驯化植物。往往不同地域出产的同种药用植物药效不同，甚至差别较大。造成这种差别的原因既有环境因素，也有不同地理居群之间的遗传差异。因此，进行药用植物保育学研究，需要对药用植物的发源地进行追溯，找到药用植物形成药效并被人类发现和利用的“原点”，发掘药效形成相关的遗传与环境机制。

药用植物的起源地与其作为药物的发源地在地理位置上可能出现差异或重合2 种情况。药用植物自然与人文的双重属性决定了药用植物物种的发源中心不一定是该植物物种起源的地点。一些适应能力强的广布种，在部分地区为了适应不同的生态环境，加上植物自身的基因变化，从而特化出有药效的生态类型。这种特异的有药效分化的植物类型被人们发现并且使用，使其生长地区最终成为了药用植物的发源地点。例如，黄花蒿广布于欧洲和亚洲的温带、寒温带及亚热带地区，生境适应性强，野生资源分布较广。我国重庆、四川、贵州、广西、云南、湖南等地的黄花蒿不仅青蒿素含量高，而且黄花蒿适宜生长指数也较高，可作为生产高品质黄花蒿的首选区域[8]。另外，一些窄布种环境适应能力弱，其作为药用的发源地点都是在距植物起源地不远的地区，这类分布极为狭窄的药用植物发源中心往往与植物起源中心是一致的。例如，已有600 多年应用历史的三七分布较为狭窄，最早发现于广西，受自然、人文和社会等因素的影响，三七主产地从20 世纪70 年代开始逐渐由广西向云南文山转移[9]。云南东南部、广西西北部和贵州东南部三七适宜区分布较集中，三七种植过程中复杂的栽培技术决定了只有少数地区（云南、广西）最终发展成为三七的主产区[10]。对药用植物发源中心的研究能更加有效地发掘出与药效形成相关的关键遗传因子与生态因子，实现对药用植物的保护与开发。

2.2 遗传保育

药用植物遗传保育的目的是揭示药用植物的遗传特性形成机制、多样性维持的一般规律及药效形成的遗传学原因。不同于普通植物，药用植物的药用品质是通过人类医学实践发现的，药用植物的利用与人类医学传统密切相关[11]。公元前1600 年，埃及的《纸本草》及其后古印度的《寿命吠陀经》都有植物药物的记载[12]。同其他植物一样，生态或地理隔离是药用植物群体产生遗传分化的主要外因，遗传漂变、突变及由于自然或人为原因导致的遗传混杂等内在因素也会直接造成药用植物个体的遗传差异[13]。例如，河池地区的越南槐资源相较其他地区资源有着独特的遗传成分[14]。

在药用植物遗传多样性研究方面，对半夏资源的研究证实了野生种的遗传背景较栽培种更为丰富[15]。这种现象说明，人为筛选和栽培已对半夏的遗传多样性造成了影响，而野生种的遗传多样性则由于平衡选择的作用而得以维持。同一种药用植物也因品种不同而表现明显差异，如广西桂北地区不同品种罗汉果（青皮果和红毛果）中总苷、罗汉果甜苷Ⅴ含量均有明显差别[16]。这些差异主要来源于自身的遗传基因。药用植物的保育遗传原理，一方面通过探索涵盖保护物种基因库的遗传信息和反映足够遗传多样性的DNA 分子标记方式，为物种的保护与恢复奠定基础；另一方面通过数量遗传学的理论与分析方法，结合分子生物学的技术手段，揭示药用成分形成的分子机制及其生产应用潜力，揭示珍稀濒危药用植物应对环境变化的进化潜力与未来命运。

2.3 生态保育

药用植物的生态保育是从生态环境的角度揭示药用植物品质形成与维持的一般规律。由于不同物种耐受性存在较大差异，在一定生态幅（生物对某一生态因子耐受的上限和下限之间的范围）内，药用植物品质呈现多种变化[17]。

从广西道地药材山豆根产区7 个气候条件差异明显的样地选取21 份山豆根样品进行测定发现，年平均降水量是影响山豆根生物碱含量积累的主导气候因子[18]。干旱胁迫时，山豆根幼苗中酶活性总体表现出彼此协调的变化趋势，是山豆根抗干旱的生理基础之一[19]。实验证明，环境因素会影响药用植物有效成分的形成和积累，如唐古特大黄酚酸类成分含量主要受环境因素的影响，游离蒽醌类、结合蒽醌类和二蒽酮苷类成分含量受环境因素影响所占比重较大[20]。从连翘在我国的潜在分布区研究中发现，我国中部和东部地区为连翘的核心分布区，以此推测了影响连翘分布的主导环境因子及最适宜生长的生态位参数[21]。开展药用植物生态保育研究，运用耐受性原理指导寻找药用植物药效形成的最优生态因子，为科学合理选择药用植物栽培区域提供了依据。

2.4 驯化保育

我国药用植物野生资源丰富，但由于无序开发、利用过度、采收时间和采集方法不当、环境破坏等多种原因，导致不少药用资源物种逐渐处于珍稀濒危状态，甚至有灭绝的可能性[22]。因此，对药用植物，尤其是濒危和紧缺药用植物资源的修复和再生迫在眉睫。

由于一些生态因子对药用植物的胁迫有可能会促进药效成分合成，因此在驯化过程中，应注意其发源中心是否存在一定的胁迫，这可能在药效成分形成和稳定过程中起重要作用[23]。适度胁迫有时对于药用植物药效的形成是必需的[24‑25]。例如，山豆根是生长在喀斯特地区的一种药用植物，在栽培山豆根时，通过施加适量外源钙能够促进山豆根苦参碱和氧化苦参碱含量的积累[26]；降低穿心莲氮代谢强度可以促进其生长并提高穿心莲内酯积累，同时实现穿心莲高产与优质[27]；金银花迁地保育后，黄酮类成分木犀草苷含量显著提高[28]，在金银花的栽培过程中，修剪能够提高金银花产量[29]，施加赤霉素（GA3）能够显著提高金银花中绿原酸和木犀草苷的含量[30]。药用植物的保育驯化以充分发挥驯化对象与环境之间“互利”“互惠”因素为主线，实现“最优”药用种质与和药效形成相关“最优”生态因子的有机结合，填补药用植物物种保护与药用植物资源利用之间的空白。

2.5 药用植物繁育

药用植物繁育可以通过保护区内自然繁育、种子繁育和组织培养等方式实现药用植物资源生存空间的扩大。为了加强道地药材、珍稀濒危品种的保护和繁育研究，我国在20个省区布局建设了28个中药材种子种苗繁育基地，分布于西北、西南、中部、东北、东南等地区，子基地合计近180 个，繁育中药材种子种苗近160种[31]。

在离体繁殖方面，采用山豆根无菌播种规模化快速成苗生产技术可使山豆根丛生芽增殖7 倍/30 d[32]。在种子繁殖方面，为降低山豆根繁育成本，解决山豆根坐果率低、生理落荚及病虫害问题所导致的山豆根种子缺乏现象，本团队制定了山豆根种子生产标准操作规程（SOP）[33]，助推山豆根产业的发展。此外，超低温保存是公认的最安全、经济、有效的药用植物种质资源保存方法[34]。目前，已成功实现高山红景天、百合、莪术等药用植物茎尖的超低温保存[35]，以及人参[36]、肉豆蔻[37]、九里香[38]等多种药用植物种子的超低温保存，有效保证其遗传稳定性，控制其遗传性状的基因不发生突变，同时便于随时快速繁殖大量健康植株。

2.6 药用植物复育

复育是对药用植物资源的恢复性手段[39]，是药用植物保育学的最终实验。药用植物的复育主要通过协同栽培和人工抚育的方法实现。

在药用植物协同栽培研究中，不同种植模式三七根际核心微生物特征不同，林下种植根际微生物属总相对丰度高于田间种植[40]。从林下栽培的角度，种植于阔叶林下的七叶一枝花生物量和成活率均较高[41]；种植于郁闭度0.5～0.6 杉木林下的白及产量最高[42]。在两面针生态种植技术规程[43]中，两面针套种广金钱草、鸡骨草等适应性强、生长旺盛的豆科植物[44]，可以化解两面针、广金钱草、鸡骨草等中药材野生资源即将枯竭的危机，解决原料紧缺的瓶颈问题。在药用植物人工抚育研究中，通过在野外选择合适的环境进行药用植物人工种植，可增加野外药用植物群体数量，同时保证良好的药效。在金线莲道地产区，契合金线莲原初生境的林下进行栽培，其长势最佳，折干率高，多糖、生物碱和类黄酮等药用成分含量较高[45]。野生抚育样方中野菊平均产量显著高于人工栽培与野生条件下的野菊[46]。由此可见，人工补种及适当人工管理的野生抚育是一种获得高品质、高产量野菊花药材的生产方式。

2.7 保育策略与评价

保育策略的研究涉及物种濒危程度、资源蕴藏量、市场需求量等具体数值的计算，也涉及对生态环境的适应性强弱、不同居群间的遗传差异大小、化学成分和药效一致性等非量化指标。

广西鹿寨县和融安县野生重点药用植物有一定的自然蓄积量，但年允收量小、稀缺物种多、可利用资源少，应加强两县重点药用植物资源保护与可持续利用[47]。浙江省九龙山国家级自然保护区内梵净山石斛蕴藏量不足10 kg，应采取人工繁育措施将梵净山石斛群落内的林木进行抚育改造[48]。根据药用植物资源生态学特征，结合药用植物对喀斯特地貌独特环境的响应特点，可在中国南方喀斯特地貌合理实施药用植物保育[49]。药用植物保育的效果评价是衡量保育策略实施一段时间后对预定目标和指标的实现程度。例如，以药材性状为指标，结合挥发油中主成分含量评价家种苍术品质，解决家种苍术种苗质量良莠不齐、标准体系不完善的问题[50]。通过对药用植物保育的效果评价能够及时反馈信息，以便调整实施方案，是实现药用植物物种保存和药效的保证。

3 药用植物保育学多组学研究

从药用植物保育学的研究内容来看，药用植物保育学涉及多个学科的交叉，如遗传学、生态学、分子生物学、保护生物学、中医文献考证、药理学、化学、临床研究、管理学、经济学等，是涉及学科广、研究范围宽、内容庞杂的综合性学科。

近年来，随着以高通量组学检测技术为代表的生物技术的发展，生物医学研究领域开始进入大数据时代，药用植物保育学研究也迎来前所未有的时机。2013 年，研究人员提出在药用植物研究中采用大数据分析思想[51]，并将其用于传统复方研究中。这项研究采用大数据分析并引入了多维偏最小二乘‑判别分析（NPLS‑DA），分析中引入数学能定量解释各个药用植物在复方中的效力，体现了药用植物研究中大数据分析的巨大威力。在药用植物研究中，药效的判断，特别是药效成分作用机制的确定是药用植物保育研究必须解决的问题。对此，则需要引入大数据分析中的一些统计方法，对药效的分析可以综合生物实验数据、临床数据、传统指标等，通过综合方法对药用植物的药效进行定量化处理。这种综合方法显然优于传统的单一指标判别分析，更容易被具有不同研究背景的药用植物研究者接受。同样，对于药效相关基因、生态因子、表型的寻找也可以采用大数据分析方法。

当前，在生物研究中，大数据分析的研究范式主要集中于医学和药学，在药用植物研究中只涉及简单的组学研究，远远不能满足药用植物保育学的要求。为此，广西药用植物园开展了“药用植物4.0”研究，广泛采集药用植物研究大数据，通过大数据分析方法加快、加强药用植物保育学的研究。例如，通过对鸡血藤基因组进行组装，构建鸡血藤全基因组图谱，为该物种主要活性成分的生物合成和种子发育调控机制研究提供了重要的信息资源[52]。在完成药用植物大数据采集后，通过大数据分析，解释药用植物发源中心的定位、解析药效成分积累相关基因和生态因子，为药用植物保育策略制定提供依据，从而实现药用植物科学保育。

4 展望

在药用植物保育理论指导下，通过遗传保育、生态保育、驯化保育、繁育和复育实现了药用植物物种与药效维持的“双保护”及资源的可持续利用。基于目前多组学大数据，下一步药用植物保育学研究将重点阐述药材品质形成的机制，通过精准栽培促进药用植物资源的开发利用。

4.1 药材品质形成的遗传机制

植物种质资源是中药材生产的源头，也是中药材品质形成的物质基础，而遗传因素则是药用植物价值实现（药材品质形成）的基础。药用植物遗传保育不但要实现遗传多样性的保护，还要稳定药效相关基因，从而实现药用植物药效的保护。当前，对于药用植物遗传多样性现状、群体遗传结构的揭示等工作已经广泛开展，但由于其局限于对已有布局的静态观察，未能揭示药用植物药效形成的历史脉络，限制了药材品质形成遗传机制的研究工作。

在开展药用植物遗传保育工作时，首先，应通过地理亲缘学研究种内关系，揭示药用植物的进化历史及遗传多样性丰富的发源中心，通过对影响药材品质形成的相关基因进行分析，揭示药材品质形成相关基因的进化机制，结合药用植物的历史沿革，为药材品质形成机制的研究提供基础；其次，基于高通量测序技术，通过多组学数据分析，精准定位药材品质形成相关基因，分析药用植物群体的遗传结构与药材品质关系，阐明药用植物药材品质形成机制，从而更好地在药用植物保育中针对药材品质相关基因进行监测，实现药用植物药效成分保护及资源可持续利用。

4.2 药材品质形成的生态机制

目前，模式植物的生长发育机制研究比较深入，然而对于多数非模式植物，特别是具有明显种属特异性性状且具有特殊药效成分的药用植物，其生长发育机制及药效形成生态因子等方面研究还很少。

药用植物生态保育工作将不断从生态因子的角度揭示药用植物药效形成机制，针对不同物种间耐受性存在较大差异和在一定生态幅内药用植物品质差异较大问题，通过开展生态保育研究，寻找不同药用植物药效形成的最优生态因子，阐明药用植物耐受范围内特异性生态因子对药用植物品质形成的影响机制，通过调节生态因子实现物种与药效维持的“双保护”。

4.3 药材品质形成的驯化机制

由于药用植物的驯化时间并不长，机械地将作物生产上的管理体系移植到药用植物驯化实践可能会导致药用植物药效丢失。如何在遗传保育、生态保育研究基础上，实现特定药用植物种质与药效形成关键生态因子的有机结合并应用到药用植物驯化中是药用植物保育研究的重点问题。未来，将通过3 个方面进行药效形成驯化机制研究：1）遗传基础研究，分析药用植物驯化过程中药效相关基因突变群体发挥的正选择作用和间接负选择作用；2）同化物分配规律研究，基于源库理论解析药用植物生长及药效形成机制；3）群体配制规律研究，通过复合种植填补生态位空白、提高光能利用率、维护土壤肥力及根际微生物结构，构建质量稳定的药用植物栽培群体。

4.4 药用植物精准栽培

近年来，随着现代信息技术的不断发展，国家和地方政府对现代农业提出了更高要求。中共中央、国务院印发的《乡村振兴战略规划（2018—2022年）》提出，要提升农业装备和信息化水平，大力发展数字农业[53]。中华人民共和国农业农村部、中国共产党中央网络安全和信息化委员会办公室印发的《数字农业农村发展规划（2019—2025 年）》提出，加快生产经营数字化改造，推动智能感知、智能分析、智能控制技术与装备在大田种植和设施园艺上的集成应用，建设精准种植、环境控制、水肥药精准施用、农机智能作业与调度监控、智能分级决策系统，发展智能农业，推进种植业生产经营智能管理[54]。现代农业主要包括设施农业、精准农业、观光农业、无土栽培、太空农业等农业生产经营模式，运用现代科技手段进行农业生产种植和经营，实现农业规模化、产业化、精准化发展，促进农业附加值增长。其中，精准农业是由信息技术支持的，根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，是当今世界农业发展的新潮流。近年来，中医药行业迎来新机遇，但当前中药材种植栽培技术落后、机械化程度低、农药残留严重等问题严重影响了中药材产量和品质。药用植物精准栽培技术以现代栽培学为基础，融合人工智能、物联网、大数据、自动化、机器人等技术，实现药用植物栽培的智能化与定量化生产，能有效保证中药材规范化种植，有利于稳定或提升中药材产量和品质。因此，在现有政策下，结合现代科学技术，根据药用植物自身特性或用途（如药用植物按照生活型可分为乔木、灌木、草本植物和藤本植物等类型；按照药用部位可分为根、茎、花、种子、全草等类型；按照功能可分为药用和药食同源等类型），实施药用植物精准栽培策略，是实现中医药现代化、产业化，推动中医药事业和产业高质量、可持续性发展的途径之一。

5 结语

通过对药用植物的深入研究，普遍认为其在特定的环境中生长才具有较高的药用价值，但目前对相关的机制研究还十分薄弱。如今，大量野生药用植物面对无序引种与采挖，药用植物面临物种与药效丧失的风险。为了改变这种情况，本团队创建了国家中医药管理局重点学科——“药用植物保育学”并出版了相应的专著和教材，通过药用植物保育学研究达到保护资源、稳定药效、实现资源可持续利用的目的。同时，药用植物保育学研究也是药用植物园的一个重要科学使命，使未来药用植物园能成功保存药用植物物种，并为药物开发和使用提供丰富的药用植物资源。