林下參生態種植及其蛋白研究現狀

李舒欣，張 浩，王 琪，趙海悅，許世泉*

（中國農業科學院特產研究所·吉林長春·130112）

人參（Panax ginseng C.A.Mey.）為五加科植物，被稱為“百草之王”。自古以來，人參就作為藥用植物被我國廣泛應用，人參根中成分復雜，目前已知有效成分包括人參皂苷、多糖、揮發油、脂肪酸、甾醇、維生素、蛋白質、多肽等，人參中主要活性成分人參皂苷對神經系統、心血管系統以及腫瘤等疾病均具有較好的臨床應用價值，已應用于多種疾病的治療和預防[1];人參蛋白也具有抗癌及抑制細胞增殖作用[2]、抗輻射及增強免疫力作用[3，4]、降血脂作用[5]、抗疲勞作用[6]、耐缺氧及抗氧化作用[7]、神經元保護作用[8]；人參多糖也在臨床應用于糖尿病[9]、病毒性肝炎[10，11]、膿毒癥[12，13]以及腫瘤如肺癌[14，15]、直腸癌[16]、宮頸癌[17]等的治療。

人參具有很高的藥用價值，但野生人參的數量幾近枯竭，已不能滿足人們的需求，園參雖然可以保證產量，但品質及藥用性質遠遠不及野生人參，伐林栽參更不符合我國可持續發展道路，因此，人工播種到林下，無人為干預的林下參栽培方式在人參栽培上逐漸占據重要地位，林下參種植不僅可以保證人參產量，人參品質也與野生山參接近。而在林下參生長過程中，隨時間發展，林下環境也有很大變化，我們需要關注林下環境的改變，避免惡劣環境對產量及品質造成的影響，創造適宜林下參生長的生態環境。本文通過對前人研究生態環境對林下參的影響進行分析，旨在為林下人參種植與森林可持續經營提供科學的依據。

1 不同生態環境對林下參影響

1.1 不同海拔高度對林下參影響

人參具有道地性，人參不僅只能在特定的海拔范圍內生長，而且不同的海拔高度對人參的皂苷、糖類及蛋白等都有一定的影響：張秀麗[18]等研究發現：人參栽培的適宜海拔高度為400～952m，海拔過高或過低都對人參皂苷含量有一定影響，相同海拔不同地區的人參皂苷含量也有所不同;王寅秀[19]研究海拔對人參不同部位多糖的影響發現：當海拔范圍在100～800 m，人參根部的多糖的含量隨海拔的升高而增加，莖葉的多糖含量則減少，而海拔高度在950～1450m，人參根部的多糖含量隨海拔的升高而減少，人參地上部分的多糖含量則反之；霍藝丹[20]等研究發現海拔高度在127～305m，人參粗蛋白的含量隨海拔的升高而降低，海拔高度在400～600m，人參粗蛋白的含量隨海拔的升高而增加，海拔高度700～1410m，人參粗蛋白的含量隨海拔的升高而降低;因此，針對不同皂苷、蛋白及糖類的需求，可以在不同緯度選擇適宜的林下參。

1.2 不同土壤環境對林下參影響

土壤的理化性質及生物學性狀對人參的產量和品質有很大影響，必須選擇適宜的土壤進行人參種植。適宜的林地土壤類型以棕壤和暗棕壤為主，多分布在針闊葉混交林下，由花崗巖、玄武巖等母質經多年風化殘積及植物殘枝落葉混合形成，適宜人參生長[21]。在選擇適宜的土壤類型后，還必須關注土壤養分在林下參生長過程中的變化，土壤養分是否均衡不僅影響人參的生長發育，還可能造成人參的生理性病害，如孫淑梅[22]等認為土壤可溶性鹽增高是導致人參紅皮病發生的重要因素，常維春[23]等認為缺鋅是導致人參花葉病的原因，程海濤[24]研究發現人參在不同生育期，所需的養分也不同，在人參生長發育的過程中，人參不同生育期土壤養分的含量呈現不同的變化。土壤養分會隨時間發展而改變，土壤微生物可以對土壤養分進行調節，可以選擇土壤微生物豐富度高，有益菌群多的林下土壤進行種植。

除土壤類型及養分外，土壤酸堿度的變化也會對人參生長造成影響。李志洪等[25]研究發現在土壤容重范圍為0.67～0.99g/cm3之間進行的田間栽參實驗表明，適當增加床土容重有助于人參生長。土壤酸堿度一般認為適宜人參生長的土壤pH值在5.5～6.5之間，其中高產土壤pH值為5.4～5.7[26]。張亞玉[27]等研究發現，土壤的pH會隨栽參年限的增加逐漸下降。因此，在選擇參地時，需要選擇適宜土壤類型，進行土壤養分含量的測定，避免選擇養分含量不均衡及重金屬含量高的土地，并且考慮土壤養分及酸堿度的動態變化，可以保證不同生育期人參所需養分。

1.3 溫度及水分對林下參影響

林下參生長量低于園參，其中溫度及光照為重要的限制因子，溫度不僅影響人參葉片的光能利用能力，而且影響其光合效率。徐克章[28]等研究發現，在低溫條件下，光補償點和光飽和點比較低，葉片光利用能力較弱，光合效率也較低，此時溫度是限制因子;在高溫條件下(30～40℃)下，葉片的呼吸作用加強，光補償點升高，光合效率下降。研究表明16～18℃適宜根系生長，20℃左右適宜地上植株生長，當溫度高于30℃或低于10℃時，人參進入休眠狀態，要調節林下參的環境，也可以通過控制郁閉度來調節，一般可將郁閉度控制在 0.6～0.8[28，29]。

水分不僅是植物的重要組成部分，更是植物進行一切生命活動的基礎，林下參不進行人工灌溉，因此，在選擇種植地點時，必須選擇土壤含水量適宜的地區進行種植。人參在不同生育時期需水量不同，在開花期、綠果期和紅果初期根系供水量與人參地上部分需水量變化基本一致，但紅果中期根系供水能力明顯下降，而植株地上部分需水量下降則較少。張超宇[30]研究發現：含水量較低時，土壤酸化程度高，鹽化嚴重，高含水量有助于維持土壤的透氣狀況，利于營養物質的轉化；土壤高含水量有利于維持土壤微生物群落功能多樣性，微生物種類多且分布均勻；土壤含水量會影響土壤酶活性，對各種土壤酶活性影響程度不同，土壤脲酶、蛋白酶和蔗糖酶與水分之間存在相關性，在一定土壤水分含量范圍內，水分含量越高；以白漿土為基質的人參生物量和質量受土壤水分影響顯著，人參的生物量隨著土壤水分的增加而增加，但是在較低的土壤水分條件下，有利于人參單體Rb1、Re和Rg1的積累；人參栽培土壤的含水量控制在26%～29%之間較為有利。

1.4 光照對林下參影響

人參為陰性植物，無柵欄組織，光照過強不適宜生長，光照過弱不利于光合產物的積累，適宜的光照可以有效提高人參產量，光照強度及光質都會對人參生長產生重要的影響。植物的光合特性包括凈光合速率、葉綠素含量、光飽和點、光補償點、CO2飽和點、CO2補償點等指標，徐克章[31]等研究表明，人參葉片凈光合作用速率的變化范圍在1.5~5.0μmolCO2/(m2·s)之間。光合作用的光補償點和光飽和點分別在5~20μE/(m2·s)和 120~480μE/(m2·s)之間。

徐克章[32]研究光照強度、光質以及人參葉片光合速率發現：人參葉片光合作用特性在不同年生和不同生境條件下有較大變化，1年生葉片光合速率明顯低于其它年生葉片，6年生人參葉片光合速率有下降趨勢，不同光照條件下葉片光合作用呈顯著變化，5%~30%LTR蔭棚下人參葉片隨著光強的增加，光合作用特性發生顯著(l%顯著水平)變化；光質對植物形態建成如葉綠素含量和葉綠體超微結構等形成有重要作用，現在園參多采用藍膜及黃膜，而徐克章認為，藍色膜對人參植株莖葉生長有抑制作用，藍色膜下植株提前兩周衰老，藍色膜人參葉片葉綠素含量最高，黃色膜植株生長基本一致，黃膜下葉片衰老時間基本一致，黃色膜下人參葉片葉綠素含量最低，人參葉片厚度和單位葉面積葉肉細胞數目以藍色膜下最高，黃色膜下次之，人參葉片光合效率以藍色膜下最高，黃色膜下最低，在飽和光下，所有光質下葉片光合速率基本一致；溫度不僅影響人參葉片的光能利用能力，而且影響其光合效率，人參葉片光合作用的適宜溫度為15~27℃，而人參葉片光合作用的適宜溫度受生長期間溫度條件的影響，生長期間溫度增加5~6℃，光合適溫相應增加2~3℃。

因此，林下參在種植時，需要選擇適宜的坡度、坡向及郁閉度等，海撥240m以上東西走向山脈的東南、北坡、西坡為好，坡度 25°~55°之間較好，郁閉度可選擇在0.4~0.6。

2 林下參種植技術及現狀

林下參形體十分重要，形體越好的林下參商品價值就越大，一顆有價值的林下參講究根、體、皮、紋、須及珍珠點[33]。要想得到品質好、價值高的林下參，必須對品種、土壤等進行選擇、同時后期管理也非常重要。目前，在林下參的種植過程中，多選擇在針闊葉混交林下種植，從播種到苗期管理需要精心看護，嚴禁人畜進入種植區，封閉管理，第一年不需除草，之后只要保證人參苗不被雜草遮光影響生長即可[34]，當郁閉度≥0.8時，要對上層樹冠進行適當修枝，郁閉度0.6~0.8為宜，當林下參達到15年生以上時即可采收，時間7月到8月為宜[35]。

林下參種植歷史悠久，至今已有400多年，現在我國林下參種植面積已經超過50萬公頃，產業發展迅速[36]。東北三省是人參的主產區，主要栽培區在東南部至東北部的山區和半山區，南到遼寧省寬甸縣石柱子，北至黑龍江省勃利縣一帶[37]。林下參種植在我國的收益可觀，白山市為我國人參主產區之一，據統計2017年，全市發展面積達3.9萬公頃，產值達27.8億元，解決了1.3萬人的就業問題[38]。然而林下參種植的過程中還存在諸多問題，如保苗率低、鼠害及病害發生嚴重，病害如人參黑斑病、繡腐病及疫病等發生嚴重，其中危害最大的病害是人參銹腐病，但大部分參農沒有掌握治療銹腐病的有效方法，缺少相應的預防措施，常有林下參在種植數年后突發感染銹腐病，導致大面積死亡，造成重大經濟損失。因此，在林下參栽培過程中，需要以預防為主，及時去除病株，精心看護，防止鼠害及野生動物災害，綜合防治。

3 人參蛋白差異表達

現代生物科技飛速發展，基因組學研究已經非常深入，但仍有一些基因組學無法回答的問題，科學家們進一步提出了后基因組計劃，蛋白質組研究是其中一個很重要的內容。人參差異蛋白的研究方興未艾，人參蛋白的差異研究主要包括不同產地人參差異蛋白表達研究以及不同酶類差異表達的蛋白研究兩個方面，在不同產地人參差異蛋白表達的研究中，主要使用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳 （SDSPAGE）指紋圖譜等技術進行分析。侯元等[39]采用薄層等電聚焦技術鑒定人參水溶性蛋白；曹立亞等[40]采用同一技術對凍干參、鮮參、生曬參及紅參中水溶性蛋白進行了比較分析；姜先剛等[41]使用SDS-PAGE指紋圖譜技術對人參水溶性蛋白進行分析鑒定；幺寶金等[42]也采用這一技術對園參、野山參、西洋參中水溶性蛋白成分進行比較研究，結果表明3種人參水溶性蛋白的SDS-PAGE圖譜及凝膠分析圖譜存在很大差異，可以通過這一技術對園參、野山參、西洋參進行鑒別和質量評價。而霍藝丹等[20]采用凱氏定氮法研究人參粗蛋白量隨海拔高度的變化規律，結果顯示同一海拔同一地區4年生人參粗蛋白量高于5年生；海拔127~305m人參粗蛋白量隨海拔升高而降低；海拔400~600m人參粗蛋白量隨海拔升高而增加；海拔700~1410m人參粗蛋白量隨海拔的升高而降低。這些都表明不同的生長條件和環境下人參將誘導表達不同的蛋白質。

近年來，由于高通量蛋白質組學的儀器、試劑、技術的大力發展使得同時識別和比較疾病發生，以及與疾病治療相關的蛋白表達水平變化成為可能[43]。其中相對和絕對定量同位素標記(isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ)技術是美國應用生物系統公司在 2004年推出的一項新的體外同位素標記技術[44]。使用該技術可以尋找差異表達蛋白，并分析其蛋白功能，同時可以對1個基因組表達的全部蛋白質或1個復雜的混合體系中的所有蛋白質進行精確定量和鑒定。如今，iTRAQ技術已經在蛋白質組學的定量研究中得到了極其廣泛的應用[45]。Rui Ma等學者[46]將二維凝膠電泳技術與iTRAQ技術結合，表征人參生長過程中的蛋白變化，對人參生長過程皂苷的代謝及積累在蛋白表達方面提供了新的見解，該技術可精確靈敏鑒定蛋白含量及種類，在人參蛋白差異性表達篩選中有很大的應用前景。

4 林下參生態種植展望

人參是傳統名貴中藥材，在中醫臨床應用中具有悠久的歷史，目前針對人參的研究大多為其藥用機理以及活性物質的研究，在栽培方面研究較少。

林下參栽培模式可以保證栽培人參具有類似于野生人參價值，是現在人參種植的主要模式，目前林下參栽培研究雖然有一定的歷史，但多數為單一及少數環境因子對林下參種植環境的影響研究，隨著林下參種植業的發展，林下參種植規模越來越大，面臨的問題也會越來越多，確定林下參生長的諸多適宜條件迫在眉睫。每個環境因子都對林下參的生長有重要影響，但生態環境對林下參的生長的影響，不是單一生態因子的結果，需要對生態環境進行綜合考慮，包括海拔、坡向、坡度、植被、土壤、環境溫濕度、郁閉度等因子的綜合影響，才能準確判斷環境因子對于林下參的影響。雖然林下環境不可控因子較多，但是隨著科技的發展，林下局部環境因子可進行動態監測，一些生理指標也可簡單方便進行測量，目前數據處理軟件與分析方法的完善，都為林下參生態環境綜合研究提供了技術支持。相信隨著科技的發展，林下參生態環境的研究將會進入全面發展的階段。