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天然香料植物迷迭香研究進展

2016-10-21 15:18:12于二汝王少銘羅莉斯王軍李德文
熱帶農業科學 2016年7期
關鍵詞:研究進展

于二汝 王少銘 羅莉斯 王軍 李德文

摘 要 天然香料迷迭香是一種多用途經濟作物,可提取抗氧化劑、迷迭香精油和醫藥中間體。總結國內外迷迭香種質資源的遺傳多樣性、組織培養、外界環境對生理生化的影響以及關鍵基因等方面的研究進展,并對未來發展提出展望,為迷迭香相關科研、生產提供參考。

關鍵詞 迷迭香;香料植物;研究進展

中圖分類號 S573 文獻標識碼 A Doi:10.12008/j.issn.1009-2196.2016.07.008

Review of a Natural Aromatic Plant: Rosemary

YU Erru WANG Shaoming LUO Lisi WANG Jun LI Dewen

(Guizhou Institute of Oil Crops/Guizhou Institute of Spice Crops, GAAS, Guiyang, Guizhou 550006)

Abstract Rosmarinus officinalis L. (Rosemary) is a multi-purpose economic plant, which can be used to extract antioxidant, essential oils and pharmaceutical intermediates. This paper summarizes some study review about the genetic diversity, tissue culture and the effect of environment on physiological and biochemistry changes of rosemary in domestic and abroad aiming to provide information for further study and the production for rosemary.

Keywords Rosmarinus officinalis L ; spice plant ; review

迷迭香(Rosmarinus officinalis L.)別名艾菊、海之露,是唇形科迷迭香屬常綠芳香型小灌木,起源于歐洲及北非地中海沿岸,為藥食同源植物[1]。研究表明,迷迭香精油富含龍腦、桉樹腦、蒎烯、莰烯和莰酮等萜烯類化合物[2](圖1A),具有抑菌作用[3]。同時,迷迭香中的二萜(鼠尾草酸和鼠尾草酚)等具有很強的抗氧化活性[4],較目前廣泛應用的人工合成的抗氧化劑叔丁基羥基茴香醚(BHA)和2,6-二叔丁基對甲酚(BHT),其抗氧化性高達4倍以上[5] (圖1B)。迷迭香主要種植在法國、意大利、北非摩洛哥等地[6]。中國在戰國時期曾從西域引入種植,當時僅用于庭院觀賞,20世紀70年代末和80年代初再次引入,今在北京、貴州、云南、廣西等地有一定的種植面積[7]。鑒于迷迭香的多種功效和開發價值,筆者較系統總結了國內外迷迭香資源的多樣性、組培技術、環境影響以及關鍵功能基因等方面的研究進展,并對未來的發展提出展望,為提升該物種的研究水平和更好地服務于生產提供參考借鑒。

1 種質資源多樣性分析

迷迭香為迷迭香屬(Rosmarinus)的小灌木。迷迭香屬包含3個野生種,分別是迷迭香(R. officinalis L.)、尾葉香茶菜(R. eriocalyx Jordan & Fourr.)和絨毛迷迭香(R. tomentosus Huber-Morath & Maire),以及2個雜交種R.×lavandulaceus De Noe和R.×mendizabalii Sagredo ex Rosúa,二者具有一個共同的親本R. offcinalis,并分別以R. eriocalyx和R. tomentosus作為另外一個親本。其中迷迭香廣泛分布在環地中海地區;尾葉香茶菜僅局限在伊比利亞半島南端(西班牙阿梅利亞省)和北非(摩洛哥、阿爾及利亞和利比亞);絨毛迷迭香是伊比利亞半島南部格拉納達省和馬拉加省的地方資源,已被列入瀕危植物[10]。Rosselló等[11]利用ITS序列對迷迭香、尾葉香茶菜和絨毛迷迭香進行系統分類,分析表明迷迭香和尾葉香茶菜屬于單起源,而絨毛迷迭香雜合了尾葉香茶菜的序列。Segarra等[10]利用同一地區生長的30個迷迭香單株開發了12個微衛星標記,在該群體中具有117個多態性位點,其中9個微衛星位點在尾葉香茶菜和絨毛迷迭香中分別檢測到49個和45個多態性,各有21和12個特異位點,3個共有的多態性位點。這一套標記共檢測到154個多態性位點,可以用作迷迭香屬群體變異與雜交度等研究。

迷迭香屬中僅迷迭香具有藥用和工業價值。按照植物分類學,迷迭香植物分為3個亞種,依次是Rosmarinus officinalis subsp. officinalis、Rosmarinus officinalis subsp. palaui和Rosmarinus officinalis subsp. valentinus[12]。officinalis亞種直立生長,株高可達1.8 cm,花萼長4.2~7.0 mm,花冠長8.5~13.5 mm,廣泛分布在地中海盆地;palaui亞種植株匍匐生長,花萼5.0 mm,花冠小于10.0 mm,株高最高80.0 cm,枝條上葉片密生,葉片短而肉質,深綠色有光澤,花冠紫色,分布在西班牙巴利阿里群島;valentinus亞種植株匍匐生長,株高最高只有20.0 cm,葉片窄而厚,綠色無光澤,白色花冠上有明顯的紫色斑點,在西班牙巴倫西亞省有發現[12]。迷迭香經過長期的自然演化和馴化,已形成了豐富的品種和栽培種,并被引種到世界各地如美國、加拿大、英國、法國和中國等[13]。常見的品種有Albus、Arp、Aureus等20余種(表1),在生長習性、花色、葉形和枝條的著生狀態等方面存在變異[14]。

利用RFLP標記檢測直立和匍匐2種生態型迷迭香,發現二者在基因結構上存在差異[15],另外,利用精油組分、同工酶、RAPD標記聯合分析發現其與迷迭香群體間的形態結構差異存在密切的相關性[16]。Mateu-Andrés等[17]采用plastid simple sequence repeat (cpSSR)標記系統分析來自地中海地區阿爾及利亞、西班牙、法國、希臘、意大利、利比亞、摩洛哥、葡萄牙和土耳其等9個國家47個地區的迷迭香群體,一共檢測到17個變異,分為10個單倍型;貝葉斯分析顯示,迷迭香起源于2個共同的祖先;群體擴張分析表明,迷迭香有3條擴張的路線:一條北部沿地中海路線,和兩條南部路線,一是從西到東從北非到達利比亞地區;另一條從南部的起源中心向西南部到達利比里亞半島。

2 組織培養繁育種苗技術研究

迷迭香種子為小堅果,外表包裹粘液[18]。兩室子房中只有一室可育,平均結實率僅為11.1%,而且萌發率極低[19],因此很少用種子繁殖。對不同種源迷迭香發芽率的研究發現,在15℃和光照條件下,迷迭香種子發芽率最高[13]。也有報道稱低溫(4.4℃)處理有助于提高迷迭香的發芽率[20]。迷迭香播種法繁殖周期長,幼苗生長緩慢,苗期分化明顯,夏季抗蟲性較差,一般只在品種馴化和品種選育時使用。目前,生產中常用的迷迭香繁殖技術為扦插繁殖。迷迭香的頂芽、年生枝條都可以作為扦插繁殖材料,扦插成活率在90%以上。前人已經對迷迭香種子繁育和扦插繁殖技術進行了很好的綜述[19],筆者主要從組織培養角度對已有的研究進行綜述。

組培苗的嫩芽、嫩稍也可以作為組培繁殖的材料,而且通過組織培養的方式,可以人為調節和控制培養條件而大量獲得組織中有經濟價值的成分。由于迷迭香中精油和抗氧化成分的效用,迷迭香組培技術的研究具有十分重要的意義。目前,常用的外植體有頂芽、葉片和莖段3種,常用培養基為MS培養基。

2.1 不同外植體組培技術

迷迭香葉片外植體一般取自幼嫩的枝條,葉片整體或切為4~5 mm小段,用10% 次氯酸鈉或2% HgCl2進行消毒,添加1.5 mg/L TDZ和0.5 mg/L IAA能促進葉片愈傷的形成[8]。董玉梅等[21]用0.5 mg/L 6-BA+0.5 mg/L NAA,潘俊松等[22]用1.0 mg/L 6-BA+0.025 mg/L IAA+0.1 mg/L NAA也成功誘導了葉片愈傷化。董玉梅等[21]發現,MS中添加高濃度蔗糖(50 g/L)能縮短愈傷啟動的時間和提高愈傷率。單一高濃度的6-BA(4.0 mg/L)能促進愈傷進行芽分化[8],而較高濃度的6-BA則需加入適量的KT+NAA,或IAA,利用后者分化率分別可達50%和70%[21-22]。

迷迭香莖尖外植體取自莖端0.7~1.2 cm、帶有1~2個葉原基的部分。消毒方法類似于葉片,而HgCl2濃度宜降低到1%,以減少對幼嫩組織的傷害。采用0.8 mg/L 6-BA+0.2 mg/L IAA激素組合可誘導叢生芽生長[22],而增加6-BA的濃度,在1.0 mg/L 6-BA+0.02 mg/L NAA或0.2 mg/L IAA激素組合下可促進莖尖生長[22-23]。

莖段作為外植體需要進行預處理,先用殺菌劑(滅菌凈或多蔭靈等)對選取的枝段進行整體消毒,然后再用1% HgCl2消毒2次,每次2~3 min,將消毒后的莖段切為1.5~3.0 cm,帶有1~2個腋芽的小段進行培養。在1/2 MS或MS添加0.2 mg/L 6-BA+0.01 mg/L IBA的培養基上都可以啟動腋芽的生長[24-25]。芽增殖培養階段,張華通[24]利用3/4 MS+0.2 mg/L 6-BA+0.01 mg/L NAA,許秀玉等[25]利用1/2 MS+0.3 mg/L 6-BA+0.1 mg/L IBA培養基,可誘導芽數3.0~3.5個,在這些研究中還發現椰乳具有降低芽枯萎和玻璃化的功效,以及加入適量活性炭可以促進小芽的生長。張樹河等[26]研究表明,從腋芽誘導到芽增殖階段均使用高濃度的營養物質和細胞分裂素,外植體增值率可達到3.7倍。相比較而言,在增值率相當的情況下,前2種培養基更經濟一些。

2.2 迷迭香組培過程中不定根誘導的方法

將1.5~5.0 cm不定芽從愈傷塊上切下,進行生根培養,已報道的生根培養基有以下幾種類型(表2),生根可采用的MS濃度范圍較廣:1/4 MS~MS;添加生長素NAA、IBA以及IAA都有較好誘導生根的效果,使用濃度一般在0.1~0.5 mg/L(表2),增加激素的使用量,一定程度上可提高生根率[21,26]或縮短生根的時間[22,25]。同時添加活性炭或者多效唑PP333能促進小苗的生長,有壯苗壯根的效果[24-25],另外,蔗糖的濃度對生根也有一定的影響,張華通[24]研究表明,降低蔗糖的濃度可能有利于迷迭香生根。當不定根長至2 cm左右,開蓋煉苗7 d左右,可以進行移栽。

2.3 營養添加劑和組培條件影響愈傷組織和再生苗中活性物質的含量

由愈傷、懸浮細胞、原生質體產生的再生苗在遺傳和表觀遺傳學水平上發生了諸多變化,導致再生苗和母本材料在某些性狀上的差異[27]。與母本相比,迷迭香組培材料含油量較高,精油組分差異較大,且具有品種特異性。扦插繁殖苗與組培苗相比,二者含油量差異雖不顯著,但莰烯、檸檬烯和芳樟醇等精油組分含量發生了變化,并且利用組培方法獲得的植株中檸檬烯和芳樟醇含量較高[8]。

Tawfik[8]研究表明,TDZ、6-BA、蔗糖和Ca2+對愈傷組織或再生苗中活性物質含量有顯著影響。其中,高濃度TDZ能增加莰酮,而降低茨醇的含量,可能是其促進了茨醇向莰酮轉變的酶的活性[28];6-BA促進再生株的干物質量和1,8-桉樹腦的增加,但其抑制α-蒎烯和莰烯的產生;蔗糖與莖尖誘導愈傷的鮮物質和干物質量成正比,并且特異的與乙酸龍腦酯含量正相關,但是高濃度的蔗糖會使迷迭香生長速率變慢;低濃度Ca2+產生暗綠色的完整愈傷,而高濃度Ca2+產生淺綠色易碎的愈傷,愈傷的鮮重最大,但是干重最小。3 mmol/L Ca2+有利于1,8-桉樹腦和乙酸龍腦酯的積累,而0.99 mmol/L Ca2+時愈傷的干鮮重、產油量和莰酮含量最高。

不同光質也會影響愈傷組織的生長和生理變化。迷迭香愈傷組織的鮮重生長量在不同光譜下的差異依次為:紅光>藍光>黑暗>白光>黃光>綠光。紅、綠和黑暗下的愈傷組織顏色相對較淺,質地疏松;而藍、白和黃光培養下,愈傷顏色較深、質地緊實[29]。分析愈傷組織中黃酮含量發現紅光不利于黃酮的積累,而藍光下黃酮含量最高,不同光質下黃酮的產量為藍光>黃光>黑暗>白光>紅光[30]。

3 迷迭香的生理生態特性研究

3.1 水分脅迫

迷迭香生長在干旱和半干旱鈣質型土壤的地中海盆地,面臨嚴峻的環境脅迫。因此,干旱和鹽堿環境脅迫對迷迭香的生理生態影響成為研究者關注的焦點。有研究表明,35%相對含水量處理3個月,迷迭香葉片的葉綠素、葉黃素和β-胡蘿卜素含量下降,α-生育酚含量上升;迷迭香酸的氧化產物松香烷二萜類的異迷迭香醇含量增加了8倍。由于葉綠素的損失,減少了葉片吸收光子的量,導致葉黃素、α-生育酚和二萜與葉綠素比例增加,意味著葉片每吸收單位量的光子,其光學保護和抗氧化的能力得到增強[31]。當生長環境中相對含水量為42%,迷迭香CO2同化率減少為80%,但是光系統II的最大效率和葉片葉綠素含量沒有改變;α-生育酚增加15倍,類胡蘿卜素、異迷迭香酚和二甲基異迷迭香酚增加25~40%,這些物質含量的升高可能阻止干旱條件下植物的氧化損傷[32]。Munné-Bosch等[33]研究表明,鼠尾草酸和其氧化產物鼠尾草酚、迷迭香酚和異迷迭香酚主要分布在迷迭香葉片的葉綠體內,說明鼠尾草酸在葉綠體中可能充當抗氧化劑的功能。有證據表明,鼠尾草酸可能協助另外一種抗氧化劑α-生育酚進行葉綠體內活性氧清除[34]。除了迷迭香體內抗氧化物質的變化,隨著干旱脅迫增強,迷迭香釋放揮發性有機化合物(VOCs)的總量減少,種類增多,說明迷迭香還能夠通過調節VOCs的含量來提高抗旱性[35]。

3.2 鹽離子脅迫

不同離子對迷迭香次級代謝產物具有深遠的影響。用100 mmol/L NaCl處理4周,迷迭香葉片中Na+含量增加了35%,同時K+、Ca2+和Mg2+等離子含量顯著降低。高劑量的KCl(10 mmol/L)和CaCl2(8 mmol/L)可以將NaCl處理后葉片中Na+含量降低到正常水平,而MgCl2和FeCl3的添加將Na+降低到正常水平以下[36]。

此外,100 mmol/L NaCl顯著增加了1,8-桉樹腦和樟腦烯的含量。添加KCl和CaCl2不能改變NaCl處理對精油成分的影響,但是加入高劑量的的MgCl2(8 mmol/L)可以使NaCl處理的1,8-桉樹腦和樟腦含量恢復到正常水平,而低劑量的FeCl3(0.1 mmol/L)能降低樟腦烯含量[36]。100 mmol/L NaCl處理不會影響迷迭香二萜類物質的含量,添加KCl和CaCl2能增加NaCl脅迫下葉片中鼠尾草酸的含量,降低迷迭香酚的含量,同時高劑量MgCl2和低劑量的FeCl3能分別降低鹽脅迫下鼠尾草酚和迷迭香酚的含量[36]。總而言之,迷迭香是相對耐鹽的植物,雖然NaCl處理不影響其生物產量和二萜類物質的含量,但是能顯著改變其精油的組成,NaCl對迷迭香活性成分的影響還受到不同金屬離子的協同調節。

4 迷迭香主要化學成分合成相關基因的研究

苯丙氨酸和酪氨酸是迷迭香酸合成的前體,苯丙氨酸解氨酶(PAL)為迷迭香酸合成的關鍵酶之一(圖2A)。脯氨酸作為一種還原劑促進代謝前體進入莽草酸和苯丙烷代謝途徑,最終形成迷迭香酸[37]。用脯氨酸和色氨酸處理能增加迷迭香愈傷組織中PAL的活性,促進迷迭香酸的產生[38]。El-Naggar等[39]研究表明,PAL在迷迭香品種Majorca、R. officinalis和Madeline Hill表達量較高,而在Pine Scented和Arp 2個品種中表達量較低。PAL的表達量與核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的表達成反比。在愈傷組織中,PAL表達量高的材料迷迭香酸含量最高,反之亦然。

迷迭香中的鼠尾草酸和鼠尾草酚是主要的抗氧化物質,對神經退行性疾病有抑制的作用[40],但這些物質的合成途徑尚不清楚(圖2B)。Brückner 等[41]應用液相-質譜聯用技術分析發現,迷迭香酚類二萜物質的合成主要發生在幼葉的腺毛中。在酵母和煙草中表達迷迭香柯巴基焦磷酸合成酶(RoCPS1),可以將牻牛兒牻牛兒基焦磷酸(GGDP)轉化為柯巴基焦磷酸(CDP);同時迷迭香貝殼杉烯類似合成酶RoKSL1和RoKSL2都可以利用CDP產生松香烷。與SmKSL和南歐丹參中分離的香紫蘇醇合成酶類似,RoKSL1/2屬于二萜合成酶TPS-e類,缺失了γ-結構域,RoKSL1和RoKSL2的酶化產物屬于丹參酮二烯。相比之下,在單子葉植物中KSL酶參與赤霉素的代謝。進化分析表明,KSL是在雙子葉-單子葉植物分化之前,在唇形科植物中出現的一組參與特殊代謝反應的酶[41]。

5 小結與展望

迷迭香是一種重要的香料作物,前人從形態(葉色、花色)、化學組成(氣味)以及分子標記(SSR、RAPD、RFLP和SNP)等方面對迷迭香資源進行了研究,然而,目前的研究對象主要還局限在環地中海地區,在中國種植的迷迭香還存在資源來源不清晰,品種混淆等問題。如何根據各地區氣候、土壤等特點選擇合適的種質資源進行育種與栽培是后續研究的主要方向之一。

迷迭香主要通過扦插、壓條等無性方式進行擴繁,這種方法能快速、穩定的繁殖具有某些優良性狀的資源,但不利于突變的產生。詳細綜述了迷迭香組織培養相關研究進展,期望通過組培過程中引入誘變劑實現人工誘變育種,或者為迷迭香工廠化生產和轉基因育種提供技術儲備。

通過提高迷迭香廣適性增加原材料的產量,以及通過提高活性物質含量(精油、抗氧化劑)增加有效產量是提高迷迭香經濟價值的主要途徑。目前對迷迭香活性成分的合成規律和關鍵基因的表達、功能等方面的研究主要針對迷迭香酸、鼠尾草酸等,而且關于2種物質合成的代謝通路沒有系統分析,繼續完善這2條代謝通路以及研究迷迭香中其他成分關鍵基因的功能分析也是未來研究的重要方向。

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