北五味子生物學研究進展

陳巍，范志強，魏江春，王東東，范三鵬，胡高升，賈景明

(沈陽藥科大學中藥學院，沈陽 110016)

五味子(Schisandrachinensis(Turcz.) Baill)為木蘭科(Magnoliaceae)五味子屬(Schisandra)藥用植物，其藥用部位為干燥成熟果實，習稱“北五味子”[1-2]。其性溫，味酸、甘，歸肺、心、腎經；具有收斂固澀，益氣生津，補腎寧心等功效，主要用于治療久嗽虛喘、久瀉不止、心悸失眠等[3]?！侗静菥V目》中有記載：“五味子今有南北之分，南產者紅北產者黑，入滋補藥，必用北者為良”[4]。在中國藥典2020年版中，五味子的來源有兩種：五味子(S.chinensis)及華中五味子(S.sphenanthera)，后者習稱“南五味子”[1]。近年，國內外對五味子的研究日漸深入，在大量文獻調研的基礎上，對五味子的資源現狀、栽培和育種技術、組織培養技術、分子生物學研究進行綜述，為五味子的資源開發利用和生物學研究提供理論基礎依據。

1 五味子資源現狀及應用概況

全世界五味子屬植物約50余種，主要分布在中國、朝鮮、日本、俄羅斯遠東和印度等地。中國現已發現五味子約28種，其中藥用植物19種。我國北五味子資源比較豐富，總面積約7000畝，主要在黑、吉、遼三省分布，此外河北、內蒙古等地區也有少量分布。野生北五味子年產量達2200～2500 t[5-9]。自20世紀70年代起，在我國的科研工作者就開始對五味子野生栽培品種進行馴化的研究，經過40多年的摸索工作，野生五味子的馴化和栽培已經被較為系統的掌握，使五味子的大面積人工栽培成為可能[7]。

五味子的藥用歷史悠久，藥用價值高。早在《神農本草》中就有記載，在書中五味子被列為上品，是一味名貴的藥材。五味子在不同版本的《中華人民共和國藥典》和《衛生部藥品標準》等書籍中均有收錄，是應用面廣、市場大的中藥材品種。在2015年版《中華人民共和國藥典》中，有60個成方制劑和單味制劑含有北五味子藥材，而在新修訂的2020年版《中華人民共和國藥典》中收載的成方制劑和單位制劑中含有五味子藥材的處方制劑增加到了103個[1,10]。經過調查發現，北五味子的國內產量超過90%應用在醫藥領域(包括中成藥，飲片和提取物)，規模較大的中成藥品種有生脈飲、天王補心丸、柏子養心丸、石斛夜光丸、五味子顆粒和五味子糖漿等，已經獲得生產批號的廠家約300家左右，北五味子在藥品行業中的需求量屬于穩步提高狀態。其余不足10 %用于釀酒、制汁，生產飲料、酸奶、冰激凌等，還能用于保健品、紡織染料、煙用添加劑、食品添加劑、化妝品、防腐劑等方面[11-12]。在保健品開發方面，國內在北五味子保健品和食品領域的研究和產品較少，目前主要是五味子果酒、猴頭菇羊肚菌五味子膠囊、靈芝五味子膠囊、五味子糕、五味子膏和五味子花粉等幾種規模較小的產品。國外對北五味子的保健品開發較成熟，其原材料及提取物主要來自中國，產品形態以化妝品，保健品和食品為主。

2 五味子栽培育種技術研究現狀

2.1 品種選育

五味子為異花授粉植物，種內存在較多的變異，關于五味子種內變異的研究在20世紀80年代就已經開始，在國內外學者研究的基礎上，并對五味子種質資源進行了系統評價，為五味子品種選育提供了基礎和前提[13]。其中選育出的新品種、新品系有“紅珍珠[14]”“紅瑪瑙[15]”“白五味子[16]”“金五味1號[17]”等。原黑龍江省林副特產研究所建立優良無性系測定園，進行資源收集產量比較分析，選育優良品系等方面的研究，并取得了階段性成果。但由于五味子栽培育種工作起步較晚，其育種研究體系建立的還很不完善，基礎研究相對薄弱。所以，科研工作者首先要調查五味子遺傳變異情況，做好種質資源收集、保存、評價和利用，解決種植資源貧乏問題，建立種質資源庫；同時也要加強對調控機制和遺傳規律等基礎研究，從更深層次探討產量、質量、器官建成和對環境適應性等方面的生理生化機理和基因調控機制，為五味子品種選育提供依據[18]。

2.2 栽培生理研究

五味子為雌雄同株，異花授粉，影響五味子產量的因素主要是雌花的數量，但由于雌花分化比率的不穩定性，導致五味子穩產性差，常出現大小年現象[19]。因此，通過研究五味子花芽分化規律、影響花芽分化的因素和花芽分化臨界期，并以此為依據來調控其花性的分化，提高雌花分化率，實現五味子的豐產穩產[19-21]。

當前研究表明，五味子不同枝類花芽的雌花分化率的存在較大的差異，葉叢枝花芽的雌花分化率為0，而中長枝類花芽的雌花分化率較高，達43.2 %[20]。另外，五味子不同節位的枝條花芽在分化數量和分化質量上也有較大差異，高節位的花芽較低節位花芽分化數量和質量略高。五味子地下橫走莖對五味子的產量也有一定的影響。由于五味子地下橫走莖是一種變態莖[22]，其根系不發達，在生長過程中會與地上部分競爭營養物質，其數量可以影響到五味子的產量。在地下橫走莖的生長過程中，可以采用人工去除的方法，減少橫走莖的數量，增加五味子的產量[23-24]。在五味子栽培過程中，架勢的方式對五味子的生長也有一定的影響，張慶田等[25]研究表明棚架五味子葉片的光合速率高于籬架栽培的五味子。

2.3 植物營養研究

植物生長發育過程中，植物營養元素起著重要作用，是指導五味子種植中合理施肥的基礎。近年來，對北五味子研究報道較多，但五味子營養元素理論研究這一方面報道卻較匱乏。在五味子氮元素的研究中發現，不同供氮水平和不同氮素形態比例都在一定程度上影響著五味子的生長發育。隨著氮供給的增加，五味子莖葉氮含量、可溶性蛋白含量、葉綠素含量都呈現先升高后降低的趨勢[26]，五味子苗木在不同生長時期對不同氮素形態的吸收存在明顯差異[27-28]。在鉀元素的研究中，于志民等[29]報道黑龍江省三大產區野生北五味子植株鉀含量大小順序依次是：果實>花>葉>根和莖。在磷元素中，叢毓等[30]研究發現，五味子磷元素在展葉期到漿果生長初期含量下降，漿果生長中、后期磷含量明顯提高，葉片中磷含量達到高峰，平均提高了0.76 %，果實成熟后期至植株枯萎，葉片中磷含量明顯降低。

3 五味子組織培養技術研究現狀

近年來，關于五味子組織培養研究的中文報道已有40余篇，為五味子優良品種快速繁育和開發利用提供了有益的技術資料。五味子組織培養研究主要集中以下在三個方面:一是以莖段為外植體誘導叢生芽，通過生根培養，實現快速繁育。外植體通常來自于春芽萌發后的幼嫩莖段或冬芽水插新稍。陳雅君[31]等以帶腋芽的嫩莖(春芽萌條)為外植體，在含有6-BA和ZT的MS培養基上誘導腋芽萌發，并將腋芽轉接到含有6-BA、NAA和ZT的增殖培養基上，成功誘導產生叢生芽，并通過誘導生根，獲得了再生植株。顧地周等[32]以冬芽水插條的萌發新稍為外植體，芽苗誘導率為92 %。李興亮[33]以五味子冬芽水插新稍進行誘導叢生芽，叢生芽健壯，成活率高；二是以五味子子葉、下胚軸、腋芽萌稍或冬芽為外植體，在激素培養基上誘導形成胚狀體，并在無激素培養基上培養成苗。陳愛華等[34]以五味子種子萌發后的子葉及下胚軸進行誘導，并建立了五味子體細胞胚快速繁育技術。李千等[35]以冬芽誘導愈傷組織，分化出胚狀體用于快速繁育，建立了胚狀體快速繁育途徑；三是以幼嫩莖段、春芽萌條、冬芽、葉、葉柄、果柄、種子、子葉和下胚軸等植物組織為外植體，進行愈傷組織的誘導，誘導產生的愈傷多用于藥物生產研究，少數為獲得胚性愈傷組織來進行快速繁育。趙國凡等[36]以幼嫩莖段和葉片為外植體，在MS培養基中附加適宜濃度的NAA和KT，成功誘導出愈傷組織，誘導率達100 %。張順捷等[37]以葉片、嫩莖和葉柄為外植體誘導愈傷，通過分化培養基和生根培養基，成功誘導生根，三種外植體中葉片愈傷誘導率相對較高，但嫩莖段誘導愈傷分化率高于葉片。

4 五味子分子生物學研究現狀

從近年來文獻報道看，目前五味子的分子生物學研究還相對滯后，現在已經開展的分子生物學研究多集中在南、北五味子的鑒別，以及遺傳多樣性研究方面，并在相關方面取得了一定的成果。張慶田等[38]通過CTAB方法對五味子基因組DNA進行提取，并使用RAPD技術對其基因組DNA進行多態性擴增，利用3對引物可將10個五味子品種區分開，為在分子水平上對五味子種質資源進行評價以及保護和利用提供一些參考信息。苑廣信等[39]則通過RAPD技術篩選出的引物，可區分北五味子和南五味子。伊旭等[41]采用RAPD法從100個隨機引物中篩選出20個優良引物，并用這20個引物在長白山區56個樣地的五味子材料中擴增出125條帶，其中62條為多態性條帶，多態率為49.6%，56個北五味子群體的遺傳距離為0～0.56，顯示出豐富的遺傳變異。雖然目前已經有大量關于五味子遺傳多樣性的研究報道，但依舊不能滿足其分子生物學研究。

高通量測序技術又稱為新一代測序技術，能一次并行對幾十萬到幾百萬條DNA分子進行序列測定和一般讀長較短等為標志[40]，而且它可以對一種生物、組織或者細胞器的基因組、轉錄組或代謝組進行全面、深入的分析，因此又被稱為深度測序。應用高通量測序技術對華中五味子紅果及果皮和白果及果皮進行了轉錄組分析[41-42],獲得了26.4 GB原始數據(NCBI登錄號:SSR4449123)，使用Trinity進行從頭轉錄組組裝發現92415個轉錄本，產生71443個unigenes。陳春宇[43]等利用廣泛靶向代謝組學和高通量測序技術對果實成熟過程中的三個時期，即綠果期、淺紅果期和深紅果期的五味子果實進行分析。在轉錄組分析中共獲得81095個Unigenes，代謝中分析中共鑒定出736個化合物，利用WGCNA(Weighted gene co-expression network analysis)分析，構建了木脂素和黃酮性狀與基因之間的關聯，篩選到17個參與木脂素生物合成的重要基因和8個參與黃酮生物合成的重要基因。

5 展望

五味子為名貴常用中藥材。近年來，五味子相關藥品及保健品日益豐富，伴隨著相關產品開發，五味子藥材需求量逐年攀升，由于野生資源匱乏，目前市場供應主要依靠人工栽培。但五味子栽培育種工作起步較晚，相關研究體系建立仍不完善，基礎研究薄弱，目前大部分以實生苗建園，品種混雜嚴重，加之栽培技術不夠成熟，很難實現高產穩產。應盡力完善的五味子栽培育種體系，跟進五味子的品種選育。另外，五味子現有的分子生物學研究還相對滯后，主要集中在對轉錄組和代謝組的宏觀研究中，暫無對五味子有效成分關鍵酶途徑的解析以及相關轉錄調控的研究，科研工作者應加大對五味子次生代謝產物生物合成途徑和轉錄水平的研究，以為五味子育種和增產增收提供理論依據。此外，與五味子品種鑒定相關的研究成果還停留在實驗室階段，亟待將這些成果轉換成相應的產品，應用于市場，以指導五味子的真偽鑒定。