旱生植物苦豆子研究綜述

張 雨，蘇丹丹，王亞男，鄭長遠，蘇 旭，3，劉玉萍*

（1. 青海師范大學生命科學學院，青海西寧，810008；2. 青海師范大學青海省青藏高原藥用動植物資源重點實驗室，青海西寧，810008；3. 青海師范大學高原科學與可持續發展研究院，青海西寧，810008）

苦豆子（Sophora alopecuroides）又名草本槐或苦豆根，是豆科（Fabaceae）、槐屬（Sophora）的一種多年生草本植物，主要分布于中國內蒙古、河北、山西、河南、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆、西藏等地，俄羅斯、阿富汗、伊朗、士耳其、巴基斯坦和印度北部也有少量分布［1］。苦豆子通常生長于海拔500 ～ 1 600 m 的干旱沙漠和草原邊緣地帶［2］，具有較強的抗寒、抗旱、抗鹽堿、抗風沙等特殊性質，是一種重要的防風固沙植物［3］。苦豆子的根、莖、種子乃至全草皆可以入藥［4］，具抗炎、抗過敏、抗病毒、抗腫瘤等功效，有重要的藥用價值和經濟價值［5］；苦豆渣是一種優質蛋白質，是干旱荒漠地區草食家畜越冬度春的重要補充飼料，開發前景廣闊［6］。通過系統總結苦豆子的研究現狀，然后對苦豆子的自然地理分布范圍進行了調查并對種質資源作了收集，最后對其種質資源收集的重要性進行了探討，旨在為今后苦豆子種質資源的系統研究與合理開發利用提供科學依據。

1 研究現狀

迄今為止，關于豆科植物種質資源收集方面的研究較多［10-13］。譬如，龍玨臣等［11］歷時2 年從重慶地區收集到49份綠豆種質資源，并對綠豆種質資源的枯萎病抗性種質進行篩選，發現9 份中抗材料、3份抗病材料和1 份高抗材料，為后續優良種質開發利用和抗綠豆枯萎病基因發掘提供了理論依據；陽小虎［12］根據本省收集到的135份花生種源為試驗材料，對不同類型花生品種的主要性狀進行調查，得出不同類型花生性狀差異較大，同一性狀在不同類型間的變異系數也有一定差異，且變異范圍越大利用價值越高的結論。已有部分學者［1，7-9］對苦豆子的外部形態特征、化學成分、抗逆生理特征、藥理學和毒理學活性等方面進行了大量研究，取得了一定的成效。但關于苦豆子種質資源收集及相關研究較少［14-15］，僅見陽翠等［14-15］對收集的苦豆子種質資源遺傳多樣性和種子生物學特性進行了研究，認為苦豆子居群間具有豐富的遺傳多樣性，不同居群的生物學性狀間差異顯著。

1.1 外部形態特征

苦豆子是一種多年生草本或亞灌木，株高約1 m，枝條被覆白色或淡灰白色長柔毛或貼伏柔毛；羽狀復葉，基部寬楔形或圓形；花冠為白色或淡黃色，雄蕊10 枚；莢果念珠狀，伸直，具多數種子；種子呈卵球形，稍扁，顏色一般為褐色或黃褐色；花期5 ～ 7月；果期8 ～ 10 月。不同時期的植物志對苦豆子外部形態特征記載略有不同。譬如，1994 年中國植物志編輯委員會編寫的《中國植物志》將苦豆子劃分為原變種和變種，變種別名毛苦豆子，枝和葉密被絨毛，明顯區別于原變種，認為原變種小葉7 ～ 13對，旗瓣形態多變，翼瓣常單側生，稀近雙側生，龍骨瓣與翼瓣外形相近，長約為瓣片的1/2［1］；青海植物志編輯委員會主編的《青海植物志》則認為此植物奇數羽狀復葉互生，具小葉15 ～ 25 對，旗瓣呈倒卵型，花冠為乳黃色或鮮黃色［16］；《中國高等植物彩色圖鑒》編委會編寫的《中國高等植物彩色圖鑒》中則記載為苦豆子小葉11 ～ 27 對，花冠白色或奶白色，同時對其生境和地理分布也做了詳細描述［17］。

1.2 化學成分

研究表明，苦豆子主要化學成分是生物堿和黃酮，另有其它成分如揮發油、有機酸、多糖、香豆素、無機元素、脂肪酸等［18］，其中生物堿含量最大［19］。例如，萬傳星等［20］使用732 強酸性陽離子交換樹脂法、固相萃取法、有機溶劑液液萃取法等制備了苦豆子總堿，發現三種措施制備的苦豆子生物堿單體組分類型一致，同時運用氣相色譜-質譜聯用技術鑒定出13 種生物堿，主要有槐定堿、槐果堿、苦參堿、異槐果堿、野啶堿、Lamprolobine 和槐胺堿，按其結構可將其分為四種類型：苦參堿-四環型、鷹爪豆堿-四環型、金雀花堿-三環型、羽扇豆堿-二環型；肖東等［21］研究認為黃酮是另一大類生物堿成分，如卞海濤等［22］選用硅膠、Sephadex LH-20 等色譜方法從苦豆子中分離鑒定出5 種黃酮類化合物，分別是苦豆雙黃酮苷、5，6-二羥基3，7，35，4 -四甲氧基黃酮、紫鉚查耳酮、β-胡蘿卜苷和3-甲氧基木犀草素。

1.3 逆境生理特征

苦豆子生長于荒漠、半荒漠、草原邊際較濕潤的區域，如半固定沙丘和固定沙丘的低濕處、湖盆沙地綠洲邊緣及農區的溝旁和田地邊緣［23］。王彥琴等［3］使用NaCl溶液和PEG-6 000模擬鹽脅迫與干旱脅迫，設置不同的濃度梯度，分別對苦豆子種子和幼苗實施鹽脅迫與干旱脅迫處理，認為苦豆子為一種極強耐鹽和耐旱植物，為荒漠區生態防護林選材提供了依據，也為耐鹽、耐旱功能基因的發掘提供了實驗材料。

1.4 藥理學與毒理學活性

苦豆子性寒、味苦、有毒，具備清熱解毒、消炎止痢、止痛、祛風、殺蟲等效用。最新研究表明，苦豆子具有抗炎、抗心律失常、抗癌、鎮痛等多種藥理作用［12，24-26］。譬如，楊樹鑫［27］等通過研究苦豆子生物堿的抗腫瘤機制，發現苦豆子生物堿以細胞凋亡過程中重要的調控分子或路徑如細胞抗調亡因子Bcl-2、半胱氨酸蛋白酶Caspase 蛋白家族等為靶點發揮抑癌作用；劉學楠等［28］通過不同方法制備苦豆子提取物，建立HPLC 化學指紋圖譜，對苦豆子提取物進行毒性評估，為分析其毒性作用機制奠定了基礎；李生虎等［29］以小鼠為試驗動物，探討了苦豆子生物堿氯仿、正丁醇萃取組分的毒性，發現苦豆子生物堿對小鼠半數致死量是衡量藥物急性毒性大小與效應力強弱的重要指標，為苦豆子生物堿的臨床用藥提供了理論依據。

2 種質資源收集

2.1 種質資源收集方法與結果

因種質資源表現形態與材料類型分類不同，其收集數量、時間及要求也各不相同。譬如，植物種子的收集通常在種子成熟后按千粒質量大小確定收集數量；珍稀名貴植物種子的收集應根據實際情況確定收集量；離體植物材料的收集往往選擇遺傳穩定性強、再生能力強、成活率高的少量組織，一般以含有頂端分生組織的器官培養物或胚性培養物為首選；植物標本的收集應在花、果跨度期，保證植物各部位完整，采集量根據實際情況確定［30］。

通過查閱大量文獻資料及現存放于中國科學院植物研究所標本館、西北農林科技大學生命科學學院植物標本館、中國科學院西北高原生物研究所青藏高原生物標本館、中國科學院沈陽應用生態研究所東北生物標本館、中國科學院新疆生態與地理研究所標本館中館藏的苦豆子臘葉標本，并對該物種的生境、經緯度、海拔等信息詳細記錄；同時，查閱中國數字植物標本館的苦豆子電子標本信息作為補充，確定苦豆子在相關采集地的生境條件、分布范圍和特點，按照群體遺傳學采樣方法對苦豆子進行野外調查和采樣，即居群之間直線距離至少20 km，每個居群隨機采集3 ～ 13 個個體，個體之間間隔20 m 以上，野外采集生長良好且健康的苦豆子新鮮嫩葉、種子及完整個體，適宜條件保存好帶回實驗室，并記錄各居群的經緯度、海拔高度、生境、伴生種等信息。2019 ～ 2020 年，項目組對苦豆子的野外自然地理分布區進行了較為全面的野外調查和群體遺傳學采樣，結果共采集到苦豆子種質資源18個自然居群、86個個體的DNA分子材料和成熟種子（表1）。憑證標本存放于中國科學院西北高原生物研究所青藏高原生物標本館（HNWP）。

表1 苦豆子野外采樣信息Table 1 Field sampling information of Sophora alopecuroides

2.2 種質資源收集意義

植物種質資源收集可以進一步保存，挖掘和改良植物的優良遺傳基因，為后期選育提供信息和材料支持，也可為群體遺傳結構、遺傳多樣性、群體歷史動態等研究提供良好的條件［31］。通過對苦豆子主要自然地理分布區種質資源的全面野外考察，并在群體水平上收集了苦豆子的植物標本、DNA 分子材料和成熟種子，本次種質資源材料的收集對今后系統探討苦豆子的表型多樣性、遺傳多樣性、群體遺傳結構、染色體倍性、物種起源與適應性進化、物種形成機制以及抗逆生理機制等均具有重要意義。同時，苦豆子作為藥用植物，其種質資源遺傳多樣性的研究對于分析藥用植物親緣關系、尋找可替代的中藥材物種等提供重要的種質材料。

3 結語

苦豆子具有重要的藥用價值和生態價值，分布區域較廣，種質資源極為豐富。目前，有關苦豆子的研究主要在生物學特性、生理特性、化學成分、藥用價值、飼料加工和其他資源化利用途徑等方面，但對其種質資源的研究甚少。植物種質資源作為植物遺傳基因的載體，是生物多樣性極其重要的構成因素，是植物進化及培育適應不同環境與用途植物新品種的重要物質基礎。在此次苦豆子種質資源收集的基礎上，我們將來可開展的研究工作主要包括：一、通過群體水平上外部形態性狀特征的統計及其與生態因子的相關分析，闡明引起該物種形態變異的主要表型性狀和生態因子類型；二、基于cpDNA 和nrITS 序列的群體遺傳學數據，探討苦豆子的群體遺傳結構、遺傳多樣性、遺傳變異地理分布式樣及群體歷史動態，解析該物種響應第四紀氣候歷史變遷機制；三、利用分子標記、低拷貝核基因、轉錄組、簡化基因組乃至全基因組數據探討苦豆子的適應性進化和物種形成機制，明晰該物種形成的主要驅動力及物種形成模式，同時篩選耐逆適應關鍵功能基因，并對關鍵功能基因進行功能驗證。