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德赢vwin登录 的生物学研究进展

发布日期:2021-10-29 10:04:00

[摘要] 德赢vwin登录 Cistanche tubulosa( Schenk) R. Wight 为中药肉苁蓉的基源植物之一,也是肉苁蓉属植物中最易发展大规模栽培的种。为了促进德赢vwin登录 高产稳产栽培技术的研究与推广,本文对德赢vwin登录 的植物学形态特征、寄生生物学特性、分子生物学等方面研究进展进行了概述,并对其进一步研究提出了展望。

[关键词] 德赢vwin登录 ; 植物学形态; 生物学特性; 分子生物学

中药肉苁蓉为列当科植物肉苁蓉Cistanchedeserticola Y. C. Ma 或德赢vwin登录 Cistanche tubulosa( Schenk) R. Wight 的干燥带鳞叶的肉质茎,具有补肾阳、益精血、润肠通便等功效[1]。国内外对肉苁蓉属植物的研究主要集中于肉苁蓉、德赢vwin登录 和盐生肉苁蓉Cistanche salsa ( C. A. Mey) G. Beck [2]。德赢vwin登录 主要分布于新疆南疆的塔克拉玛干沙漠及其周围地区,由于长期的不合理采挖,其野生资源已面临濒危。为保证中药肉苁蓉的原料供应,同时保护野生资源,从二十世纪九十年代开始发展德赢vwin登录 的人工种植,二十多年来已在新疆和田地区种植柽柳并接种德赢vwin登录 达到1. 3 万hm2。为了促进德赢vwin登录 高产稳产栽培技术的研究和推广应用,同时也促进野生资源的有效保护,本文对德赢vwin登录 的植物学形态特征、寄生生物学特性及分子生物学等方面的研究进展进行概述,并对其进一步研究提出了展望。

1 植物学形态特征

1. 1 植物学形态

德赢vwin登录 为多年生寄生草本,植株高20 ~150 cm,少数可达2 m 以上,地上部分高30 ~70 cm,少数可达120 cm。茎肉质,不分枝,基部常呈纺锤形,中上部呈圆柱型,直径5 ~ 15 cm,鲜时白色,干后棕褐色,断面白色。叶乳白色,干后变褐,三角形,长0. 5 ~ 4 cm,宽0. 5 ~ 2 cm,生于茎上部的渐狭为三角状披针形或披针形。穗状花序,长10 ~ 70 cm,少数达110 cm,直径5 ~ 20 cm; 苞片长圆状披针形或卵状披针形,长2 ~ 2. 7 cm,宽5 ~ 11 mm,边缘被柔毛,两面无毛; 小苞片2 枚,线状披针形或匙形,长1. 5 ~ 1. 7 cm,宽1 ~ 5 mm,近无毛。花萼筒状,长1. 5 ~ 1. 8 cm,顶端5 裂至近中部,有的裂片再分裂成2 ~ 3 个小裂片,乳白色,干后变黄白色,近等大,长卵状三角形或披针形,长6 ~ 10 mm,宽2. 5 ~ 3 mm。花冠管状漏斗形,长3. 5 ~ 4. 2 cm,顶端5 裂,裂片在花蕾时多数为紫色至粉红色,少数白色或鲜黄色,干后变棕褐色,近等大,近圆形,长8 mm,宽1 cm,两面无毛。雄蕊4 枚,花丝着生于距筒基部7 ~ 8 mm 处,长1. 5 ~1. 7 cm,基部膨大并密被黄白色长柔毛,花药卵形,长4 ~ 6 mm,密被黄白色长柔毛,基部钝圆,不具小尖头。子房长卵形,花柱长2. 2 ~ 2. 5 cm,柱头扁圆球形,2 浅裂。蒴果长圆形,长1 ~ 2 cm,直径0. 7 ~ 1. 5 cm。种子多数,近圆形,干后变黑褐色,外面网状; 种胚为球型原胚; 珠柄突起处有种孔,直径100 ~ 200 μm。花期4 ~ 6 月,果期6 ~ 8 月[3]。

1. 2 组织结构

屠鹏飞等[4]最先对肉苁蓉属植物肉质茎的组织结构进行了系统研究,此后付桂芳等[5]对荒漠肉苁蓉和德赢vwin登录 的茎、叶、花的组织构造进行了报道,李志军等[6]对德赢vwin登录 的异常构造的发生进行了研究。由于屠鹏飞等的研究内容发表在有关专著中,为了便于阅读,本文对德赢vwin登录 茎组织构造进行详细介绍,并对其叶、花的组织结构进行简要介绍。德赢vwin登录 肉质茎组织特征( 图1) : 表皮为一列扁平类长方形、类椭圆形薄壁细胞组成,外被角质层,有些部位表皮细胞和角质层脱落。后生皮层由十多列类圆形、类长圆形细胞组成,壁木栓化,外侧挤压破裂,有些部位与表皮细胞一起脱落。皮层狭窄。中柱维管束散生,外韧型,最外侧维管束单个散生,内侧常3 ~ 6 个维管束成群,韧皮部向心,木质部向外,排列成梅花形,横切面每一个维管束呈卵圆形; 韧皮部由薄壁性细胞组成,茎上部有少量纤维,中下部无纤维,韧皮纤维呈长条形,长至600 μm,宽11 ~ 43 μm,壁厚1 ~ 5 μm。无纹孔和孔沟; 木质部由导管和木薄壁细胞组成; 导管主为网纹和具缘纹孔导管,少螺纹和孔纹导管,网纹、具缘纹孔、孔纹导管分子长80 ~ 270 μm,直径25 ~ 55 μm,壁厚2 ~ 5 μm,具缘纹孔导管纹孔呈网

状或梯状排列, 螺纹导管分子长270 ~ 500 ~800 μm,直径13 ~ 20 μm,壁厚2 μm。茎上部韧皮部外侧和木质部内侧孔纹细胞易见,有些部位连接成环,木质部内侧孔纹细胞长方形至长条形,纹孔、孔沟明显,纹孔狭椭圆形,排列成网状或交叉; 茎中下部木质部内侧孔纹细胞类圆形,壁略增厚,纹孔、孔沟明显。皮层和中柱基本组织中含有大量淀粉粒,单粒,类球形、卵形、椭圆形,直径10 ~ 70 μm,脐点星状、人字形、一字形、裂隙状,层纹不明显[4]。

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德赢vwin登录 肉质茎异常构造的形成: 德赢vwin登录 肉质茎的维管束散生,而且随着茎的增大,不断分化新的维管束,这种类型的维管束在双子叶植物茎的组织构造中是极罕见的。研究表明,其维管束主要发生在两个部位。首先是中柱外侧,相当于中柱鞘的部位,细胞分化,先形成韧皮部,然后向内分化木质部,向外分化韧皮部,形成新的维管束,使茎不断变粗,所以在中柱外侧可见仅有韧皮部的维管束( 图2-A) ; 其次为中柱内侧,在韧皮部外侧的薄壁细胞,恢复分生能力,形成新的维管束,分化过程也同样先分化韧皮部,然后再向外分化木质部,向内分化韧皮部,从而形成韧皮部向心、木质部向外的维管束群,此类维管束分化的结果,使中柱部分的细胞相互挤压而成脑纹状结构[4]( 图2-B) 。德赢vwin登录 叶的组织结构: 为等面叶,上表皮为一层扁平多边形细胞,叶肉组织不分化,均为海绵状组织。维管束无限外韧型,具束中形成层,多6 ~ 13 束,均有侧分枝,无髓部。上表皮无气孔,下表皮具有大量的平轴式及不等式两种气孔[5]( 图3) 。

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德赢vwin登录 花的组织结构: 子房表皮细胞由一层整齐扁平多边形细胞组成,略角质化,皮层由数十层薄壁细胞组成,心皮的胚珠着生于每一无限外韧型的维管束上,珠柄较长,每一心皮的维管束数约2 ~ 3 束。开花与未开花有明显变化,四心皮单雌蕊,侧膜胎座,未开花时将子房不均分成5 ~ 7室不等,开花后将子房呈不均匀地分成8 室不等( 图4) ; 空心花柱表皮由一层扁平的多边形细胞组成,皮层由数十层薄壁细胞组成,偶尔形成大的细胞腔隙,2 束对生周木型维管束,腺组织由一些细胞壁增厚的薄壁细胞的腺体组成,与子房相对应的成多束( 图5) ; 开花与未开花略有变化,偶从实心的花柱到空心的花柱变化。柱头的表皮细胞均延长成乳头状[5]。

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2 寄生生物学特性

2. 1 种子休眠与萌发

种子休眠是长期自然选择的结果,是植物在系统发育中所形成的抵抗不良环境条件的适应性[7]。德赢vwin登录 种子休眠是其对沙漠环境长期适应的结果。近年来由于肉苁蓉需求量不断增加,野生资源已无法满足需求,开展了人工种植德赢vwin登录 的研究[8-10],但接种率普遍较低,这主要是因为德赢vwin登录 是寄生植物,其种子具有休眠特性,其萌发机制尚需进一步明确,自然条件下,需要寄主释放的信号物质刺激才能萌发[11]。故打破德赢vwin登录 种子休眠,提高其萌发率成为人工种植德赢vwin登录 的关键。近年来,有关德赢vwin登录 种子休眠与促进萌发的研究很多。王华磊等[12-13]研究指出氟啶酮处理可打破德赢vwin登录 种子休眠,ABA 可能参与德赢vwin登录 种子休眠的调控。乔学义等[14]研究认为氟啶酮能有效刺激肉苁蓉种子萌发和吸器发育。赵东平等[15, 23]研究认为,酚酸处理对德赢vwin登录 种子发芽有明显影响,且与酚酸的浓度及种类有关,2,6-二甲氧基对苯醌对芽管膨大形成吸器的诱导作用显著。马东明等[16-17]研究了德赢vwin登录 种子脱离寄主条件下的离体萌发和吸器形成的形态学,认为德赢vwin登录 的种子萌发刺激物质可能为还原性氢醌类物质。杨重军等[18]认为适宜浓度的乙酰胆碱可促进肉苁蓉种子萌发,并改变了内源IAA 和ABA 含量。可见,氟啶酮、酚酸、2,6-二甲氧基对苯醌、氢醌类物质等对种子萌发均有促进作用。另外,闫妍等[19]研究表明,德赢vwin登录 花序不同部位的种子萌发率有所不同,花序中部蒴果种子萌发率显著高于基部和上部,原因为不同的有效积温所导致。

2. 2 寄生过程和机理

明确德赢vwin登录 寄生过程是揭示其寄生关系建立的重要内容。德赢vwin登录 种子萌发时胚根从软化的内种皮种孔端伸出,接着形成芽管状物,继而发育出初生吸器,厚的带状表皮分化出若干吸根毛,在初生吸器顶端带状表皮围成窝状,表皮上的褶皱和窝内分布有乳头状突起,吸根毛和乳突是黏着寄主根、刺穿寄主皮层发育为内生吸器最终建立寄生关系的基础[20]。王华磊等[21]研究提出其寄生过程遵循种子萌发长出芽管,接触寄主根形成吸器并侵入寄主根,德赢vwin登录 幼体出现3 个阶段( 图6) 。苗中芹等[22]研究认为德赢vwin登录 吸器侵入寄主根是一个主动过程,并有机械力的参与,吸器顶端分化出侵入细胞侵入寄主根的皮层、中柱,与寄主的木质部相连,最后完成幼苗的建成。为了更好地观察德赢vwin登录 的寄生过程,张金霞等发明了木箱-玻璃板法,这种方法可以在不伤害德赢vwin登录 种子和柽柳根系的情况下,直观地观察到德赢vwin登录 寄生的整个过程,为进一步明确德赢vwin登录 寄生过程和寄生机理提供了一种研究模型[24]。德赢vwin登录 侵入寄主柽柳根的机理研究是提高德赢vwin登录 接种率的关键问题。赵东平等[23]测定了德赢vwin登录 芽管形成过程中果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶的活性变化,呈先增加后降低的趋势。苗东琴等[25]研究指出,德赢vwin登录 吸器侵入寄主根的过程中有果胶酶和纤维素酶的参与,离体的芽管、吸

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器均分泌果胶酶和纤维素酶,其含量随着芽管和吸器生长呈增加趋势。在吸器和寄主根的侵染结构界面,侵入细胞也分泌果胶酶和纤维素酶,并在吸器和寄主根相邻的胞间层、寄主细胞壁周边部位分布,导致寄主细胞间连接被解除和细胞的降解( 图7) 。研究结果加深了对德赢vwin登录 侵入寄主柽柳根的机理认识,但分泌降解酶所需的环境条件和调控措施仍需深入探讨。

2. 3 生长环境

德赢vwin登录 生长于海拔高度约1200 m 水分较充足的柽柳丛中及沙丘地,常寄生于多枝柽柳Tamarixvamosissima Bunge、多花柽柳T. hohenackeri Bunge、塔克拉玛干柽柳T. talamakanensis M. T. Liu 和密花柽

柳T. arceuthoides Bunge 的根部。土壤的固相、液相和气相组成了德赢vwin登录 寄生生长的环境,影响德赢vwin登录 的生长发育状况。土壤固相决定于土壤容重和土壤密度,通常用孔隙度表示土壤固相的通气状况,不同土壤类型间存在差异[26]。杨太新等[27]研究,在沙子、沙土和壤土3 种类型土壤中,德赢vwin登录 在土壤相对水分含量40% ~ 60% 时生长迅速,沙土和壤土水分含量超过80% 时德赢vwin登录 出现腐烂; 在沙子、沙土和壤土中,德赢vwin登录 适宜生长的固、液、气三相比分别为1∶ ( 0. 11 ~ 0. 16) ∶( 0. 52 ~ 0. 57) ,1∶0. 23 ∶0. 57 和1 ∶0. 31 ∶0. 67,沙土三相比1∶0. 38∶0. 43 和壤土三相比1∶0. 52∶0. 46 为该土壤类型德赢vwin登录 腐烂的三相比临界指标。郭玉海等[28]研究指出,黑暗、相对湿度100%、温度为20 ~ 30 ℃是德赢vwin登录 寄生的适宜环境条件。

2. 4 干物质积累和成分变化

近年针对德赢vwin登录 干物质积累的研究也屡有报道。杨太新等[29-30]研究,德赢vwin登录 干物质积累呈“S”型动态变化,9 月份干物质积累增加最多,生长12 个月单株干物质量可达138. 58 g; 不同接种时间的德赢vwin登录 ,随着接种时间的推迟,年内干物质积累量显著降低。杜友等[31]研究认为,多效唑具有通过抑制柽柳生长、提高柽柳光合速率和增加柽柳同化物向德赢vwin登录 的分配而提高德赢vwin登录 生物量的作用。骆翔等[32]研究认为,德赢vwin登录 寄生优化了柽柳同化物在器官间的分配,促使更多的同化产物向德赢vwin登录 分配; 德赢vwin登录 呼吸可能是导致柽柳-德赢vwin登录 总干重降低的一个原因。郭东峰等研究认为,寄生肉苁蓉的柽柳与未寄生植株间水分利用效率的不同,可能是寄生肉苁蓉的柽柳植株生长速度缓慢、生物量降低的一个重要原因[33]。郭雄飞等[34]研究认为,德赢vwin登录 各部位

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有效成分含量的差异悬殊,有效成分主要分布在肉质茎基部。骆翔等[35]研究认为,接种有德赢vwin登录 的柽柳根随着德赢vwin登录 的生长而增粗,其初生导管有黄色粘性物质阻塞,这些阻塞物中含有糖类和脂类物质,随着管花肉苁蓉的生长而消失。关于德赢vwin登录 活性成分变化,杨太新等[29-30]研究指出,德赢vwin登录 松果菊苷含量以生长5 个月时最高,之后逐渐降低,吸器韧皮部可能是德赢vwin登录 松果菊苷的次生代谢部位。刘淑红等[36]指出德赢vwin登录 的松果菊苷和毛蕊花糖苷含量均以11 月最高,12 月半乳糖醇含量最高,不同部位的松果菊苷和毛蕊花糖苷含量均差异显著,基部含量最高。郭东峰等[37]研究了矿质元素在德赢vwin登录 不同部位的分布规律,结果显示,矿质元素的横向分布和纵向分布中,Na、K 含量最高,其次为P 和Ca; 除Na外,其他几种元素含量从外层到内层逐渐降低; K含量从顶端到基部逐渐降低,P、Ca、Fe 和Mn 含量两端高中间低; Al 含量基部最高( 0. 82%) ,Mg、Zn含量顶端最高,其他部位差别不大。

3 分子生物学及其他

3. 1 遗传多样性

目前,国内外学者对于德赢vwin登录 的分子生物学研究相对较少。然而,在产业化生产时如何防止其物种的衰退,以及如何尽快恢复有限的野生居群,保存珍贵的野生种质资源,是实现其可持续利用的关键。崔光红等[38]采用随机扩增多态性DNA 方法对德赢vwin登录 的4 个野生居群和2 个人工栽培居群的123 个个体进行了遗传多样性研究,结果显示: 用10 个随机引物共扩增出清晰谱带87 条( 图8) ,野生居群平均多态位点百分率27. 59,各居群多态位点百分率19. 54 ~ 25. 29,其中安迪尔居群的最高为25. 29,2 个人工栽培居群的多态位点百分率仅为13. 79 和11. 49; 用UPGMA 法聚类得出,4 个野生居群聚为一类,2 个人工栽培居群聚为一类( 图9) 。结果表明野生居群与人工居群间已发生了遗传分化,栽培德赢vwin登录 遗传背景单一,故对野生德赢vwin登录 的保护十分重要。

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3. 2 RAPD 分析

王长林等[39]用筛选出来的16 个10-mer 寡聚核苷酸引物对寄生于8 种柽柳上的德赢vwin登录 遗传物质进行了RAPD 分析,寄生于8 种不同柽柳上的德赢vwin登录 遗传多态性为66. 7%,德赢vwin登录 不同居群之间存在有较丰富的遗传多样性,其中以刚毛柽柳和中国柽柳上寄生的德赢vwin登录 最为特别。结果表明,生长区域比寄主柽柳对德赢vwin登录 遗传物质的影响较为明显,异地引种对保持德赢vwin登录 较高的遗传多样性有利,德赢vwin登录 种内居群间遗传物质差异远小于肉苁蓉属植物种间的遗传差异。

3. 3 试管苗培养

马东明等[40]用去果皮的德赢vwin登录 种子对柽柳试管苗进行接种,建立德赢vwin登录 种子与柽柳的离体接种体系,体视显微镜观察接种情况表明,通过寄主柽柳的离体快速繁殖得到的试管苗与德赢vwin登录 种子的共培养能够建立德赢vwin登录 -柽柳接种复合体( 图10) ,为研究柽柳-德赢vwin登录 相互关系提供了有效的实验体系。

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4 展望

关于德赢vwin登录 植物学形态、种子萌发、吸器形成和寄生过程的形态学研究已多见报道,然而决定德赢vwin登录 种子萌发、专性寄生的信号物质及寄生关系建立的机理还有待进一步深入探讨。如何建立适宜的德赢vwin登录 寄生环境,提高其田间种子萌发率和接种率仍是发展人工栽培的重点。德赢vwin登录 分子生物学研究为其濒危资源保护和种质资源创新提供了新思路。今后应将保护德赢vwin登录 野生资源和发展人工栽培相结合,加强德赢vwin登录 寄生机

理的理论探讨和提高田间接种率的技术研究,探求人工栽培实现高产优质的调控途径,合理开发利用德赢vwin登录 资源。

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