东北红豆杉研究现状及展望

王万峰, 张金刚

(1. 吉林省重点国有林技术服务中心, 吉林 长春 130022; 2. 集安市台上镇综合服务中心, 吉林 通化 134200)

东北红豆杉(Taxuscuspidata)为红豆杉科红豆杉属乔木,在我国主要分布于吉林省老爷岭、张广才岭及长白山区的气候冷湿、酸性土地带,日本、朝鲜、俄罗斯也有分布[1]。从其枝叶和树皮中提取的紫杉醇类成分对肿瘤细胞的增殖具有显著的抑制作用,具有较高的临床医学价值[2]。受自身生存机制的影响和人为破坏,其野生资源现存量极少,目前已处于濒危状态,为国家一级保护植物[3]。近年来,众多学者对东北红豆杉的研究多见于生态学特性、生理学特性、有效成分、药理作用、繁殖技术和良种选育等。本文对东北红豆杉现阶段研究现状进行了总结,并提出了展望,旨在为其野生资源保护和优质人工林建设提供参考。

1 研究现状

1.1 生态学特性

天然东北红豆杉现存量极少,掌握其种群动态及所在群落特征对其资源保护具有重要作用。穆棱东北红豆杉种群数量呈现稳定的趋势,幼龄期生长非常不稳定,中龄期、成熟期相对稳定,并有衰退的趋势[4]。长白山保护区极小种群东北红豆杉所在群落物种组成丰富,温度、降水量、林分类型和土壤pH等环境因子显著影响东北红豆杉的分布及其群落特征[5]。董明珠等分析了野生东北红豆杉群落特征并提出了保护策略,为其资源保护、繁育和利用提出合理建议[6]。回归是一种濒危物种保护与种群恢复的重要方法,东北红豆杉1～2年生幼苗适应杨桦林、红松云冷杉林和红松紫椴林下这3种生境,回归最适宜的林型是红松紫椴林;林型、坡向、坡度、光照是影响东北红豆杉回归的主要环境因子[7]。东北红豆杉现存的天然种群分布极少,天然种群的普查、种群动态分析及其空间分布格局特征的研究对东北红豆杉种质资源的保存尤为重要。

1.2 生理学特性

了解东北红豆杉的光适应特性、内源激素含量动态变化等生物学特性,可为其高效培育提供参考。不同光照条件下,幼苗的净光合速率(Pn)均呈现双峰变化趋势,09:00时Pn的峰值显著高于15:00时的峰值;幼苗增加光照强度后1 d内,从外观上幼苗生长状态正常,但净光合速率明显下降[8]。随着苗龄的增加,幼苗叶片的叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均表现出增大的趋势,而胞间CO2浓度表现出减小的趋势[9]。幼苗叶片在较低的光合速率下产生相对较多的能量,同时其叶片在高光强下的热耗散能力较低,这是幼苗与幼树相比不适应自然强光和产生光抑制的主要原因[10]。此外,东北红豆杉雌球花胚珠珠孔液滴出现盛期,ZR/IAA略有增加,有利于授粉;雌球花子房膨大期,较低的ZR/GA和低的ZR/ABA能促进生殖生长[11]。

1.3 有效成分

东北红豆杉的树皮、枝叶以及根部富含多种有效成分,主要有紫杉烷类、多糖类及黄酮类等化合物,目前其有效成分的提取主要通过硅胶柱色谱、制备型高效液相色谱、超临界CO2萃取法。相关研究表明,从东北红豆杉愈伤组织中,可分离得到11个紫杉烷类化合物[12]。提取紫杉醇的最佳条件为萃取压力35 MPa、萃取时间120 min、萃取温度35 ℃,紫杉醇的提取率最高,平均提取率为96.2 %[13]。多糖TP的提取常采用水提醇沉手段,经超滤得到超滤外液TP-1和内液TP-2,其分子量分布在7.0 kDa左右,糖组成由Rha、Man、Gal、Glu、GalA和GlcA构成,摩尔比为16.9∶1.0∶15.5∶1.3∶9.9∶2.5[14]。利用活性炭对东北红豆杉多糖脱色的最佳工艺条件为活性炭加入量4.7 %、脱色温度41 ℃、振荡频率152 r·min-1、脱色时间50 min,多糖脱色率和保留率分别为86.92 %和89.58 %[15]。近年来还在东北红豆杉中发现了7种黄酮的含量,银杏双黄酮、金松双黄酮、槲皮素、山柰酚、二氢槲皮素、二氢山柰酚和芦丁质量浓度分别为0.140～14.0 μg·mL-1、0.208～20.8 μg·mL-1、0.001 3～0.130 μg·mL-1、0.005 0～0.500 μg·mL-1、0.002 5～0.250 μg·mL-1、0.022 0～2.20 μg·mL-1和0.320～32.0 μg·mL-1[16]。东北红豆杉丰富的有效成分是其具有药用价值的基础,科学有效地对其进行提取,对实现红豆杉植物资源的高效利用具有重要意义。

1.4 药理作用

东北红豆杉提取物具有丰富的临床药理作用,其中富含的紫杉烷类化合物对人体癌细胞的增殖具有显著的抑制作用。提取的紫杉烷类化合物Taxinine和2α,10β-diacetyl-5-cinnamoyl-phototaxicinⅡ对5种试验用人肺癌细胞的增殖均有明显的抑制作用[17];紫杉烷类化合物9,10-去乙酰紫杉宁对人子宫颈癌细胞、人子宫内膜癌细胞和人卵巢囊腺癌细胞的增殖均有明显的抑制作用[18]。东北红豆杉枝叶不同提取部位对肿瘤细胞具有抑制作用,醇提液、乙酸乙酯部位和正丁醇部位均能促进胰岛素抵抗Hep G2细胞的葡萄糖消耗量[19]。此外,东北红豆杉提取物给药组可增加心肌组织中Bcl-2的表达,抑制心肌细胞凋亡,从而对梗死心肌起保护作用[20]。因其具有丰富的药用价值,致使天然林木资源遭到严重的破坏,天然更新率低也是使其成为濒危物种的重要因素,因此,探讨其种群生存机制对东北红豆杉的保护与利用具有重要意义。

1.5 繁殖技术

东北红豆杉种子种皮坚硬,播种前需进行层积催芽处理,常见的繁殖技术主要有扦插和组织培养等无性繁殖。插穗年龄和浸泡时间显著影响生根率,较低浓度ABT1浸泡时间稍长、较高浓度ABT1浸泡时间稍短,有利于插穗生根[21]。此外,插穗类型和扦插基质对东北红豆杉扦插繁殖成活率具有较大影响,2年生树梢枝条作插穗、河沙与森林土混合(质量比2∶1)为扦插基质,扦插成活率最高且成苗后树形优美[22]。树尖作插穗时的生根率明显高于侧枝扦插,森林土与粗河沙混合基质较其他3种基质更有利于插穗主干生长[23]。光照、温度等环境条件对东北红豆杉组织培养具有重要影响,合理的环境条件可有效提高成功率。通过正交试验得到适合外植体生长的最佳光培养条件组合为CO2质量浓度3 000 mg·L-1+光照强度37.5 μmol·m-2·s-1+光周期14 h·d-1[24]。温度25 ℃左右、光照时间12 h、光照强度3 000～5 000 lx时,适合芽分化、生长;pH 5.2、蔗糖质量浓度20～40 g·L-1时有利于芽分化及生长[25]。对东北红豆杉繁殖技术的研究,尤其是无性繁殖技术,可有效提高优良无性系的扩繁,为该物种种质资源保存及生物多样性保护提供重要技术支撑。

1.6 良种选育

掌握东北红豆杉不同性状种源及无性系变异规律,选择优良种源,可为其定向选育及优质高效人工林建设提供参考。不同种源间紫杉醇质量分数差异极显著,大兴沟种源紫杉醇含量最高(22.767 μg·g-1),是和龙种源的1.69倍[26]。优良种源紫杉醇含量高(60.5 μg·g-1),比其他种源的紫杉醇含量高出1.5～3倍,生长量与其他种源相同;东北红豆杉优良种源适宜在东北地区空气湿润、pH <7.0的沙壤土种植[27]。不同种源苗木生长存在较大差异,绥阳种源的苗高、地径、冠幅均表现为最好,而本溪的生长表现较差;不同种源间苗高与地径生长均达到差异极显著水平[28]。相同种源不同无性系东北红豆杉树高和冠幅生长存在较明显的差异,相同种源个体表现出不同的变异程度,且不同生长指标变异的规律性不明显[29]。周旭昌等对东北红豆杉经济林良种选育技术进行优化,选择出地径、树高、冠幅均具有显著优势的5株东北红豆杉优树,即罗子沟27号、东光22号、大兴沟1号、大兴沟9号、大兴沟30号[30]。此外,不同种红豆杉中紫杉烷含量具有显著差异,种类是影响红豆杉紫杉醇等含量的重要因素,紫杉醇含量随着10-DAT和三尖杉宁碱含量增加而增加[31]。

2 展望

2.1 加强种质资源保护

林木种质资源,是林木遗传多样性资源和选育新品种的基础材料,对维护生物多样性、保障林业可持续发展具有重要意义。目前天然东北红豆杉种质资源严重匮乏,已被列为濒危树种,保护其种质资源,可为系统研究该物种变异规律、良种选育以及遗传多样性提供基础。2021年长白山国家级自然保护区开展了东北红豆杉种质资源调查,在4个保护站内共调查天然东北红豆杉11 335株,并进行详细定位及编号,为其种质资源保护提供重要依据。

2.2 扩宽杂交范围

东北红豆杉为雌雄异株,且种群数量较少,雌雄株花期同步较差,这也是东北红豆杉天然结实及更新能力差的重要原因。采用人工控制授粉的方式,进一步丰富杂交方式、扩宽杂交范围,在已掌握的研究基础上,明确父本来源,突出杂种优势,选择天然林优良单株作为杂交亲本,缩短育种周期。

2.3 目的性状选育

东北红豆杉主要目的性状为生长性状、有效成分以及结实性状,研究目的性状遗传变异规律,对目的性状的优良种源、优良无性系、优良家系进行选择,并进一步对其子代的遗传增益进行测算,可极大地节省选育成本,提高东北红豆杉良种选育效率。