人參化感自毒作用與連作障礙機制研究進展△

王梓，李勇，丁萬隆

(中國醫學科學院 北京協和醫學院藥用植物研究所，北京 100193)

·綜述·

人參化感自毒作用與連作障礙機制研究進展△

王梓，李勇，丁萬隆*

(中國醫學科學院 北京協和醫學院藥用植物研究所，北京 100193)

本文在闡述連作障礙的概念、危害及其與化感效應關系的基礎上，結合最新研究進展，從根際土壤環境、植株生長代謝和基因調控三個層面對人參連作障礙的成因和自毒作用機制進行分析，并進一步指出了對人參化感自毒作用分子機制深入研究的途徑。

人參；連作障礙；化感自毒；分子機制

連作障礙是指在正常栽培管理措施下，同一塊地連續種植相同作物會造成產量下降、品質變劣、生長不良、病蟲害加劇等現象。據統計，約70%根類藥材都存在著不同程度的連作障礙問題[1]，如地黃[2]、丹參[3]、三七[4]、黃連[5]、當歸[6]、西洋參[7]等，這嚴重制約了我國中藥產業的可持續性發展。

1 人參連作障礙的危害

人參PanaxginsengC.A.Mey.為五加科多年生草本植物，我國傳統名貴中藥材，有“百草之王”的美譽。人參主產于中國和韓國，朝鮮、日本及俄羅斯也有分布，其中我國產量最大，產區主要集中在東北三省，約占全國總產量的85%，占世界人參產量的61%[8]。人參連作障礙問題十分突出，不能重茬連作，重茬會使人參須根脫落、主根表皮呈紅褐色、病害多發、長滿病斑，使其不論表觀品質還是內在品質都顯著下降[9]，嚴重時甚至造成絕收。以往研究表明，老參地的恢復需要20～30年甚至更長時間。為了繼續發展人參產業，許多參農都采取了“伐林栽參”的生產方式，這對產區林地資源及其生態多樣性都造成了非常嚴重的破壞[10]。因此，深入開展人參連作障礙作用機制相關研究，通過更合理手段緩解人參連作障礙造成的危害，對于提高人參的產量、品質及保護生態環境具有重要意義。

2 人參連作障礙的原因

研究發現，微生物種群-土壤理化性質-化感自毒物質之間的相互作用是造成人參連作障礙的主要原因[11]。人參栽培土壤中微生物種群結構變化是導致土壤生態功能紊亂以及連作障礙形成的關鍵因子，而人參栽培生長年限能夠顯著影響根際土壤中微生物的種群結構[12]。李勇等[13]通過對人參栽培土壤中微生物種群遺傳多樣性的研究發現，人參根系分泌物對土壤微生物的定向選擇壓力可能是造成土壤微生物種群結構變化的主要原因之一。高群等[14]發現，真菌數量與人參生長年限成正相關，即人參生長年限越長，土壤中真菌數量越多，且有害真菌的種類和數量明顯增加。

隨著人參栽培年限的延長，土壤的比重、容重增大，總孔度減少，物理性黏粒增加，造成土壤板結，透氣透水性變差，同時土壤中的有機質被大量消耗，營養供應失衡，土壤趨于酸化，影響人參的正常生長。金慧等[15]研究發現，栽參過程中，土壤中代換性鹽基的含量會逐漸下降，而代換性氫的含量會上升，腐殖質和有效磷的含量會減少，土壤結構發生惡化。于德榮等[16]通過對新林土、老參地土壤微量元素的測定發現，隨著栽培年限的增加，硼、錳、鐵、鋅的含量逐年下降，而這些微量元素的缺失會導致人參抗病性減弱、新陳代謝失調、生長發育受阻，最終引起人參的生理性病害。

人參在栽培過程中會向環境中釋放次生代謝產物，隨著栽培年限的增長，這些次生代謝產物在土壤中逐漸積累，達到特定濃度時，會對人參正常生長產生化感自毒作用。陳長寶等[17]通過研究證實，人參根際土壤提取物對人參種子發芽有明顯的抑制作用，對人參根的伸長也有極顯著影響；用甲醇提取法對人參根際土壤中具有生物活性的成份進行分離鑒定，發現參地土壤中含有促進人參病害發生和抑制人參生長的自毒性物質[18]。李勇等[19]研究發現，人參根際土壤提取物對人參種子胚根、胚軸的生長有明顯的抑制作用，化感效應表現為人參根際土>老參地土>新林地土?；形镔|對人參主要活性成分人參皂苷的含量也有顯著影響。研究表明，自毒物質對人參幼根皂苷的合成和積累有顯著影響，用酚酸類化合物處理人參幼根能夠顯著降低其中的皂苷含量[20]。黃小芳[21]收集水培人參根系分泌物，并利用氣質聯用(GC-MS)對其化學成分進行鑒定，發現其中多種成分對土壤中致病菌的生長和繁殖有促進作用。由此可見，人參的化感自毒作用是導致土壤微生物種群結構、理化性狀變化，從而引起連作障礙的主要原因之一。

3 人參的化感自毒作用

3.1 人參化感自毒物質的種類

化感物質是研究植物化感自毒作用的核心，供體植物釋放的化感物質可以通過揮發、淋溶、根分泌和殘茬降解等途徑進人環境中，進而對周圍受體發生作用[22]。研究表明，植物釋放的化感物質主要是乙酸途徑、莽草酸途徑或兩個途徑相結合產生的一些次生代謝產物[23]。Rice將化感物質分為醌類；簡單的不飽和內酯；丹寧；水溶性簡單有機酸、脂肪醛、醇和酮；氨基酸和多肽；肉桂酸及其衍生物；香豆素類；嘌呤和核苷；簡單的酚、苯甲酸及其衍生物；萜類及甾族化合物；黃酮類；生物堿和氰醇；糖苷硫氰酸酯；聚乙炔及長鏈脂肪酸；其他化合物，共15類。其中酚類和萜類是高等植物的主要化感物質[24]。有研究分析發現，人參根際土壤提取物中含有有機酸類、苯酚類、酯類、醇類、萜類及其衍生物等多種物質[18-19]。

3.2 化感自毒物質的作用機制

大量研究表明，化感自毒作用是造成人參連作障礙的主要原因之一，但化感物質對人參造成毒害的機制尚不明確。本文結合前人對人參及其他植物化感自毒作用的研究，認為化感物質對植物的作用機制主要表現在以下幾個方面。

3.2.1 化感自毒物質與土壤微生態環境 土壤生態環境十分復雜，植物根系分泌、地上部淋溶、植物殘渣腐解等造成植物根際存在多種化合物，上述物質對土壤營養物質的有效形態、土壤微生物種群結構具有顯著影響。人參根系分泌物中含有大量的有機酸類、酚酸類和苷類等物質，上述物質的積累會造成土壤的酸化，進而導致土壤微生物群落結構改變，同時對土壤礦質元素轉化和吸收效率、土壤理化性狀等也有很大影響[25]。陳龍池等[26]研究了化感物質香草醛和對羥基苯甲酸對土壤養分的影響，發現二者降低了土壤有效氮和有效鉀含量，增加了土壤有效磷含量。

土壤中寄居著大量細菌、放線菌、真菌、線蟲和病毒等微生物，它們對土壤肥力形成、植物營養轉化起著非常重要的作用。土壤微生物的種類、數量和活性是判斷土壤活力的重要指標，而自毒物質在土壤中的積累，會造成土壤微生物群落結構逐漸由細菌型向真菌型過渡，群落結構趨于簡單，使微生物間的動態平衡遭到破壞[27]。根系分泌物中的氨基酸、多糖等物質能夠提供病原菌微生物生存所必需的碳源和氮源，對病原菌孢子的萌發有明顯的促進作用，有利于病害的發生[28]。李勇等[29]在研究根系分泌物對人參病原菌的化感效應時發現，苯甲酸、鄰苯二甲酸二異丁酯等根系分泌物質在低濃度時對人參致病菌及木霉菌菌落的生長及孢子萌發有促進作用，某些化合物甚至在中、高濃度時的促進作用比低濃度處理還顯著。

3.2.2 化感自毒物質與植物生理 化感物質可使植物細胞膜透性增強，選擇透過性降低，電解質外滲，導致細胞保護系統受到破壞。余叔文[30]發現，酚酸類物質能使大麥根細胞膜透性增加。黃瓜根系分泌物和根部提取物能夠促進黃瓜根細胞的離子滲出，并導致黃瓜根中丙二醛(MDA)含量升高[31]。龍期良[32]用人參化感自毒物質苯甲酸處理植株后發現，人參葉片MDA含量顯著高于對照，說明細胞膜可能已被破壞；其次，葉片中脯氨酸含量迅速上升。另有研究發現，自毒物質還導致植物根細胞器異常，阻礙根細胞分裂，導致胚根伸長受到抑制。此外，化感物質還對植物礦質元素、水分吸收、酶活性以及植物激素水平產生影響。Booker等[33]發現，阿魏酸和其他酚酸類物質能夠降低黃瓜對礦質元素和水分的吸收。呂衛光等[34]研究發現，對羥基苯甲酸、苯丙烯酸能夠抑制黃瓜根系脫氫酶、硝酸還原酶、超氧化物歧化酶活性，并隨著處理濃度增加抑制作用明顯增強。黃小芳等[35]研究了化感自毒物質對人參根系酶活性的影響，發現苯甲酸能抑制人參幼苗根系過氧化物酶活性，促進過氧化氫酶活性。此外，人參根際土壤提取物被發現能抑制人參種子淀粉酶的活性，降低淀粉水解速率，使種子萌發、幼苗生長過程中物質和能量供應不足，進而抑制幼苗正常生長[17]。劉秀芬等[36]發現，阿魏酸能促進生長素、赤霉素和細胞分裂素積累，并導致脫落酸含量升高。陳長寶等[37]用參根際土壤提取物處理人參的愈傷組織發現，處理組的內源生長素(IAA)的含量顯著低于對照組。還有研究報道，化感物質對植物光合作用和呼吸作用有較大影響?；形镔|會增加氣孔擴散阻力使氣孔關閉，減少葉綠素含量，降低葉片水勢，使三磷酸腺苷酶(ATP)活性受損，阻礙電子傳遞，最終導致植物光合速率下降[38]。最后，化感物質會通過抑制氨基酸運輸、蛋白質合成而影響植物生長。據研究報道，很多酚酸物質都能夠抑制磷與DNA、RNA結合，從而影響核酸和蛋白質合成[39]。

3.3 化感自毒作用與基因表達調控

化感自毒作用實際上是非生物脅迫的一類，必然會引起植物體內特異基因的響應，使某些本來表達量較低的基因被啟動，某些正常表達的基因被關閉。如果能針對這些脅迫響應基因進行篩選和研究，將有助于闡明其表達產物在代謝途徑中的生物學功能，從而為揭示化感自毒作用的分子機制提供參考依據。轉錄組學是一門通過在RNA水平上研究生物體中各基因的轉錄情況及其調控規律來闡述基因功能的科學，可定量分析生物體在受到外界環境影響時不同組織間各個基因的表達量變化。在植物響應逆境脅迫的分子機制研究中，轉錄組學可用于分析對照組和逆境處理組基因的表達差異，從而篩選得到抗逆相關的新基因[40]。Wu等[41]利用高通量測序技術構建了人參根、莖、葉、花miRNA轉錄組數據庫，分析得到大量與環境脅迫相關的miRNAs。Sathiyaraj等[42]在人參ETS數據庫中選取抗氧化基因并進行標記，在非生物脅迫處理后構建了轉錄組數據庫，結果表明，其中相關基因顯著上調、下調，闡述了這些基因在植物抗性調節機制中的作用。Subramaniyam等[43]對茉莉酸甲酯處理后的人參不定根進行轉錄組分析，篩選了人參在茉莉酸甲酯脅迫下的脅迫相關基因及人參皂苷合成途徑相關基因。轉錄組測序目前已成為基因差異性表達檢測以及發現新基因的主流技術。本課題組基于轉錄組學方法，運用高通量測序技術，開展了對自毒物質苯甲酸脅迫下人參差異性表達基因的研究，構建了人參在苯甲酸脅迫后不同時間點的轉錄組數據庫。利用生物信息學方法對轉錄組數據進行組裝和分析，獲得了3697個上調、2828個下調表達的基因。對這些基因進行功能注釋，發現其中上調表達基因主要是抑制酶活性基因、果膠酯酶基因、活性氧基因、過氧化物酶基因、超氧化物歧化酶基因以及MYB、WRKY等轉錄因子，而下調表達基因主要集中在細胞壁合成、離子結合、次生代謝及人參皂苷生物合成等過程[44]。通過構建基因文庫及初步應用，為進一步篩選調控人參響應自毒物質苯甲酸的關鍵基因提供了理論依據，也為后期進一步揭示人參化感自毒作用分子機制奠定了基礎。

4 展望

連作障礙和化感自毒作用一直是國內外植物生態學領域的研究熱點，其中針對大田作物和經濟作物的研究報道較多，而針對藥用植物的化感作用研究相對較少。藥用植物合成的次生代謝產物遍布植物多個器官，因此更容易發生化感自毒作用及連作障礙。人參連作障礙在藥用植物中較為突出，目前，針對人參連作障礙問題，曾經用輪作、土壤滅菌、添加有機肥及綠肥等途徑來解決，但效果均不理想[45]。說明人參連作障礙問題的成因十分復雜。在現有研究基礎上，今后可從以下幾方面繼續開展研究：一是深入研究化感物質之間的相互作用關系。盡管目前已從人參根際土壤提取物中分離、鑒定出多種化感自毒物質，但上述化感物質在連作障礙中的角色關系尚不明確。現有研究多以單個化感物質為研究對象，忽略了化感自毒物質間的協同作用；二是研究人參化感自毒物質的代謝途徑與釋放過程。化感作用產生的原因十分復雜，化感自毒物質形成、供體植株釋放、受體植物接收并產生變化涉及到生理代謝、信號轉導、分子響應等多個過程，明確化感自毒物質的來源，并進一步明確其在植物體內、根際土壤環境中的傳遞方式及作用機制，才能更有效地改進緩解措施；三是繼續針對化感自毒物質的分子調控機制開展研究。通過分析化感自毒物質誘導下人參轉錄組數據差異，已發現大量與人參生長發育、抗病抗逆等密切相關的差異表達基因，但目前對轉錄組數據的挖掘還不夠深入，對響應化感自毒物質的信號通路尚不明確，需要我們繼續研究化感自毒物質在人參中的信號轉導途徑及其分子作用機制，進而針對性地提出人參化感自毒作用及連作障礙緩解措施。

對化感自毒作用的深入研究將有助于人參連作障礙問題的解決，從而改良人參栽培方式、創造更多的經濟價值，同時也有助于實現土地、林地資源可持續發展。此外，人參化感自毒作用機制研究結果對于克服人參屬藥用植物的連作障礙(如：西洋參、三七等)也有著十分重要的指導和借鑒作用。

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AdvancesinAllelopathicAutotoxicityandContinuousCroppingObstacleofPanaxginseng

WANG Zi，LIYong，DINGWanlong*

(InstituteofMedicinalPlantDevelopment，ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalCollege，Beijing100193，China)

This article illustrated the concept，the harm of continuous cropping obstacle and its relationship with allelopathy ofPanaxginseng.Then，combined with advances on plant allelopathy，the development of ginseng continuous cropping obstacle and the mechanism of autotoxicity were discussed from rhizosphere soil environment，plant growth and metabolism，gene expression and regulation etc.Furthermore，further research approach on molecular mechanism of ginseng allelopathic autotoxicity was elucidated.

Panaxginseng；continuous cropping obstacle；allelopathic autotoxicity；molecular mechanism

國家自然科學基金項目(81373911)；中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程(2016-I2M-3-017)

] 丁萬隆，研究員，研究方向：藥用植物栽培及病蟲害防治相關研究；Tel：(010)57833360，E-mail：wlding@implad.ac.cn

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.7.029

2016-10-31)

*[