伞形科根茎类药用植物早期抽薹的研究进展

梁 婕，王 辉，睢 宁

（浙江中医药大学药学院，杭州 310053）

0 引言

中国有伞形科植物100属610余种[1]，广泛分布于云南、四川、甘肃等地。伞形科药用植物大多为传统中药材，约占伞形科总属数的65%。伞形科药用植物用药部位多样，其中以根及根茎类入药的占绝大多数，种类达100余种[2]。伞形科药用植物中含多种药用成分，常见伞形科药用植物，如白花前胡、白芷、防风具有清热解毒、舒筋止痛的功效，在临床上主要用于治疗心脑血管等疾病[1]。

伞形科药用植物早期抽薹难题一直困扰着中药材生产。在生产栽培过程中由于大量营养物质的积累以及外界环境影响，伞形科药用植物在前1～3年提前抽薹开花，严重时抽薹率达到80%以上，肉质根木质化，植物根系变柴、空心，药用有效成分含量降低，由此给中药材生产造成了严重的经济损失[3]。在抽薹过程中内源激素会发生改变以调节生长发育，如春萝卜赤霉素含量在抽薹过程中存在明显峰值[4]，百合小鳞茎抽薹也受到赤霉素的影响[5]。笔者对伞形科根茎类药用植物早期抽薹过程中内源激素生理生化机理机制进行归纳整理，旨在为解决伞形科根茎类药用植物早期抽薹提供理论参考。

1 抽薹现象

1.1 花芽分化过程

伞形科根茎类药用植物抽薹在花芽分化[6]过程中开始。植物学家通过研究光周期诱导、春化作用以及内源激素与外源调节物质在植物体中的作用机制，进一步提出诱导植物抽薹开花的多因子模型。在光周期途径中，植物抽薹开花受到DNA甲基化的调控[7]，而Constans(CO)基因能够直接激活并促进下游基因Flowering locus T(FT)的表达[8]，加速植物抽薹开花。高等植物体内普遍存在Phy异构体(PhyA～PhyE)[9]，PhyA在一定条件下能够诱导植物开花基因表达[10]，可能引起植物提前抽薹开花。

温度是植物开花的重要信号。与植物开花时间的相关基因中，Flowering locus C(FLC)的超表达或过表达会起到抑制植物开花的效果[11]，Supperssor of co overexpression 1(SOC1)与FT则作为成花促进因子。经过低温诱导，基因附近的组蛋白被修饰，FLC停止表达，升温后植物将发生抽薹[12]。研究表明，在春化作用中花期调节也受到DNA甲基化的影响[13]。Burn等[14]认为春化能够促进DNA的去甲基化，使FLC基因沉默，启动促春化基因的表达，诱导植物提前抽薹开花。Finnegan等[15]通过对反义转基因植物的研究证实了这一观点。

1.2 抽薹生理过程

伞形科根茎类药用植物抽薹大致可分为未分化期、花序原基分化期、花序分化期、花器官原基分化期。未分化期时，植物体内的细胞质均匀分布，细胞器的数量较少，分化程度低。完成分化后，开始进入生殖生长阶段，植物体内的分生组织细胞分裂活动加剧，细胞器数量明显增多，体内的糖代谢、氮代谢活跃，同时有较多蛋白体和脂肪小液滴生成[16]，此时游离氨基酸、可溶性糖等含量增加，生长代谢十分旺盛。植物进入花序分化时期，生殖生长基本完成，复伞形花序初见雏形。到花器官原基分化时期，花序原基、总苞等最终将形成花瓣、花萼、雌蕊和雄蕊，完成抽薹开花过程。抽薹是伞形科根茎类药用植物走向成熟的过程，此时植物体内的细胞器发育成熟，外观形态发生变化。

早期抽薹即在营养体未充分长成前就抽薹开花，提前从营养生长向生殖生长状态转化的过程。发生早期抽薹后单株干质量、体内可溶性糖和蛋白质含量减少，而游离氨基酸含量、过氧化物酶(POD)活性增加[17-19]，进而导致积累的次生代谢产物被逐渐消耗，严重影响伞形科根茎类药用植物的产量和品质形成[20]。未熟早薹现象在防风[21]、当归[22]、白花前胡[23]等多年生根茎类伞形科药用植物中普遍存在。

1.3 抽薹条件

在伞形科根茎类药用植物个体发育阶段改变温度或光照任一条件，都会对伞形科根茎类药用植物抽薹产生影响。温度主要通过春化作用来调节花期。低温处理能加速菜薹提前抽薹开花，延长低温处理时间对促进抽薹开花影响将更显著[24]。这与低温春化提高植物体内可溶性糖、游离氨基酸以及相关酶的活性及基因表达相关[25]。多年生伞形科根茎类药用植物个体达到一定生育阶段，才具备感受低温春化作用的能力，而低温能够促进合成赤霉素(GA3)，因此GA3可作为一些植物对春化需求的替代品[26]。生长素(IAA)能够通过信号传导调节GA3合成基因的表达，促进GA3的合成[27]。因GA3和脱落酸(ABA)同源于甲羟戊酸(MVA)，有共同的合成前体，主要在根茎等部位合成，所以3种激素在低温下能够相互作用共同调控伞形科根茎类药用植物生长发育。

光是植物进行生命活动不可或缺的环境因子，植物通过信号传导将自身所产生的信号物质运输到茎尖分生组织，启动决定成花的控制基因。植物抽薹受到光周期的调控，增加光照时间会使晚抽薹白菜抽薹开花时间提前[28]，这极大地提高了晚抽薹白菜的育种效率。没有一定的日照长度，植物将始终保持营养生长状态[29]。光敏素是光周期现象的主导因子，一定程度上植物体内的Phy异构体中的PhyA在植物开花过程中受到温光影响[30-31]。

高温或延长光周期都将会对植物生长发育产生胁迫，使早期抽薹率急剧升高，难以控制。应采取有效措施如调节光周期或施加外源性激素等方法来抑制伞形科根茎类药用植物早期抽薹，以免影响伞形科根茎类药用植物的产量及品质，使经济效益低下。

2 植物内源激素的生理作用

植物内源激素是指植物体自身合成用于调节植物生理状态的微量有机化合物。以赤霉素(GA)、生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、细胞分裂素类(CTK)、乙烯(ETH)、油菜素甾醇类(BR)为代表的内源激素在植物生长发育过程中互相调节，共同参与调控物质合成、信号转导等，是植物抽薹开花过程中重要的内源调节因子[32]。

2.1 植物内源激素在植物生长发育过程中的作用

内源赤霉素GA3能够诱导植物抽薹开花、打破植物休眠，该功能与诱导α-淀粉酶、蛋白酶等水解酶的生成，加速消耗贮藏的营养物质有关[33]。GA3抑制植物由花芽生理分化转化为形态分化，这在果树花芽分化研究中得到证实[34]。IAA是唯一具有极性运输特性的激素，对植物主侧根的生长及花器官的形成影响重大[35]。一般认为IAA抑制花芽分化，进入花芽分化期包括叶片、根系各部位的IAA含量持续降低[36]，同时IAA对形成层分生组织活性具有调控作用[37]。细胞分裂素类(CTK)与IAA共同诱导植物细胞分裂，影响植物花器官的形成，其中CTK在木质部中运输的主要形式是玉米素核苷ZR[38]。BR表现出IAA、GA3的某些特性，参与植物花芽分化和抽薹[39]。ABA又称应激激素，主要具有抗胁迫功能。ABA通过响应外界环境胁迫提高过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性来分解体内有害物质，增加可溶性糖、蛋白质的含量[40]，尤其在低温胁迫下，ABA与结合蛋白进行信号传导的能力增强。ABA促进植物花芽分化和抽薹，或存在双重作用[41]，即ABA与GA3拮抗，积累营养物质，有利于成花；另一方面ABA又能够诱导植物休眠使之不能成花。植物体内的内源激素在生长发育时期发挥至关重要的作用，形成“信息网络”进行信号传导。

2.2 植物内源激素调节抽薹的生理机制

植物抽薹开花由各种内源激素共同参与调控，当归、防风、白芷等伞形科根茎类药用植物已展开相关的研究[42]。内源激素作用于开花基因。赤霉素是开花关键信号传导因子，目前已基本明确赤霉素信号转导途径是GA-GID1-DELLA信号通路[43]，其中DELLA蛋白的降解需要依赖泛素-蛋白酶体降解途径[44]。在叶片和茎尖分生组织中，DELLA蛋白分别与不同转录因子互作来调节下游开花基因的表达水平。SPL(squamosa promoter-binding protein-like)与LEAFY(LFY)基因都是编码植物抽薹开花、参与赤霉素途径特有的一类转录因子。赤霉素途径与miR156-SPL途径共同参与调控植物开花[45]，其中LEAFY基因可能通过调控miR156与SPL3的表达量来参与植物成花转变。

生长素的分布及信号传导对药用植物的品质形成至关重要。IAA在细胞间动态变化方向与PINFORMED(PIN)蛋白的极性定位相关[46]。抽薹不仅需要IAA，同时也需要IAA响应因子。特定基因的表达调控在生长素的响应过程中具有决定性作用。ARF转录因子可能作为调控枢纽，联络不同激素的信号通路。生长素响应因子ARFs结合应答元件AuxREs，间接影响开花基因的表达[47]。生长素响应抑制因子Aux/IAAs则是与ARFs直接作用，起到抑制生长素响应的作用[48]。ARF5/MONOPTEROS(MP)参与调控植物抽薹开花[49]，是启动花生长的重要调节因子。在高水平的IAA中，MP通过染色质重塑参与转录调控，促进花原基的启动。PIN1的极化也受到MP的调控，茎中MP的表达影响IAA的分布[50]，猜测MP的表达是植物抽薹过程中的关键因子。

ABA的积累或DELLA蛋白活性的改变是植物早期抽薹开花影响因素之一。在ABA诱导的转录中，ABA信号的负调控蛋白因子HAB1和SWI/SNF染色质重构复合体的核互作，成为ABA应答基因调控的必要条件。PYR/PYL作为ABA的受体，在揭示ABA的信号转导及其调控机制中发挥着重要作用[51]。调节信号通路中的蛋白磷酸酶2Cs(PP2Cs)是ABA信号网络中心的“开关”，PYR/PYL/RCAR的ABA受体[52]通过ABA依赖性方式调节PP2C家族中A亚家族成员。组成型光形态建成1(constitutively photomorphogenic 1，COP1)蛋白也能够通过调节PP2Cs分支影响ABA的信号通路[53]。ABA响应基因的胁迫诱导染色质重塑状态可遗传至后代，利用各种逆境条件，增加植物体内ABA含量，从而抑制IAA、GA3含量可达到控制植物生长进程，抑制花芽的分化、抽薹的目的。

3 抽薹对根系生长的影响

3.1 根系生长结构变化

根系生长因早期抽薹受到一定的限制且对根系形态结构有较大影响[54]。伞形科植物根系属直根系，主根表面具有由许多散生皮孔分泌的挥发油类等成分，具有降血压、镇静、解痉的效果[55]。因抽薹后期生长中心由地下转移到地上，根系中的有效营养成分被逐渐消耗，药用活性成分明显减少，木质部主要表现出严重的纤维化，次生木质部和韧皮部面积比例减小[56]，薄壁细胞木质化的同时数目减少。

未抽薹当归根系中的次生韧皮部和次生木质部的比例为2:1，抽薹后比例则变为1:10[16]。此外，虽然当归在抽薹过程中根部干物质的积累随当归生长生殖在后期保持增加趋势，但当归过早抽薹，根部干物质被逐渐消耗，则呈现干枯柴性大、断面绿褐色的现象，不可入药。白芷在抽薹前韧皮部外侧有裂缝，导管呈放射状分布[57]，抽薹后根部多呈海绵状或空心，主要存在于根部分泌结构中的挥发油成分明显减少。白花前胡有无抽薹在根系结构与药用活性成分上也存在显著差异[58]。在生产过程中，早期抽薹一旦发生便会造成大幅度减产，及时解决早期抽薹问题，对根茎类药用植物的产量及品质形成十分关键。

3.2 根系物质代谢变化

植物体内糖类物质含量与早期抽薹关系密切，高糖水平加速花芽分化，根系物质代谢变化，诱导植物抽薹开花[17]。吲哚乙酸氧化酶和淀粉磷酸化酶主要参与调控植物糖代谢，为植物花芽分化和抽薹开花提供能量，抽薹后的淀粉磷酸化酶活跃，吲哚乙酸氧化酶活性则明显降低。

植物体内游离氨基酸的含量在一定程度上能够反映氮代谢变化。可溶性蛋白质与游离氨基酸的含量在当归由营养生长状态向生殖生长状态转化过程中呈上升趋势[59]，可能与花芽分化过程中蛋白质合成代谢加强有关。当归抽薹开花结束后蛋白质有所消耗，因此在抽薹开花过程中可溶性蛋白质与游离氨基酸的含量略有下降。抽薹植株各部位可溶性蛋白磷比值较高，说明蛋白质多以磷酸化形式在抽薹过程中出现[34]。

提高过氧化氢酶(CAT)与过氧化物酶(POD)活性能够增强植物提供抗氧化能力。CAT作为保护性酶，能加速植物体内有害物质H2O2分解，保证植物体正常生命代谢。POD是过氧化物酶体的标志酶，IAA的氧化与POD的活性有关[60]，能够介导乙烯(ETH)的合成，抑制植物开花。在抽薹过程中POD与CAT活性始终保持较高水平，参与催化体内多种反应的发生。

3.3 根系激素变化

比较不同伞形科根茎类药用植物不同器官中的激素含量，发现PIN-FORMED(PIN)家族成员在抽薹开花过程中调节IAA，对根系中生理生化物质的影响显著[61]。将防风在抽薹过程中不同部位内源激素含量的动态变化[62]对比分析发现，根系中的GA3与ABA含量最低，IAA含量为中等水平。这是由于幼嫩叶片和顶端分生组织代谢产生的大部分营养物质被运输至基部如发育中的根等贮藏器官[63]，所以根系中IAA含量较叶片中IAA含量高。通过KEGG通路富集[33]分析发现，GA3响应的差异表达基因富集于GA3与IAA通路，长链非编码RNA的转录调控可能连接GA3与IAA通路。相同生长时期，当归中根的GA3含量较高[64]，其他研究中同样发现未抽薹当归根系中赤霉素GA3含量较高[65]。由于根系中的GA3分布不均，根系作为储藏营养物质的主要部位，在发生抽薹生长后便通过叶柄转运至叶片中，进一步得出GA3含量的增加有利于当归的抽薹的结论[66]。在水稻研究中，“APC/CTE系统塑造水稻株型”概念被提出[67]，发现根生长关键促进因子OsSHR1发挥作用是以ABA为主要内源激素来参与信号传导、基因调控过程的。根系中内源激素的变化涉及基因表达、表观遗传等，利用不同测定方法能够较直观地比较出内源激素含量上的差别，但对于根系内激素变化机理则需进一步挖掘。

3.4 根系药用成分变化

伞形科根茎类药用植物根系中药用成分为香豆素、色原酮、多糖类、挥发油等[68]，主要分布于皮部及次生韧皮部的油室中，可用于药用植物的综合品质评价。发生早期抽薹后，植物根系次生生长异常会产生大量的挥发油，但无油室可供贮藏，以致根系的柴性增强，品质大大降低。调查不同产地的正品防风发现，挥发油主要成分均为人参醇，且含量相似，占挥发油总量的50%左右。根系侧枝中的色原酮类成分含量较高，但抽薹后防风色原酮类成分含量急剧下降，4种色原酮类成分含量仅为抽薹前含量的10%[69]，抽薹防风的解热作用只有未抽薹防风的50%左右，镇痛作用同比下降70%～80%。多糖类药用成分因早期抽薹植物体内不同部位含量也发生了改变[70]。未早薹当归根系中的多糖含量随生长发育不断增加，叶片为供应根系营养物质，多糖含量呈递减趋势。早薹当归根系中多糖含量基本保持稳定，叶片中多糖含量则呈现先减后增的趋势。

不同生长发育时期，药用植物的药用活性成分存在高度动态性，其药效也会受到药用成分动态变化的影响。白花前胡维管形成层以外部分的香豆素类成分总含量最高，主根部分次之，维管形成层以内部分以及叶片中的香豆素含量较低[23]。由于白花前胡内在基因表达发生改变，香豆素生物合成的关键酶受到影响，从而导致白花前胡抽薹后有效成分含量发生差异，降低了白花前胡的药效[71]。

4 展望

当前对伞形科根茎类药用植物早期抽薹现象的研究尚停留在表观层面，在分子基因层面并仍有待探索。如能与激素生物学与信息科学、物理化学等交叉领域结合，研究伞形科根茎类药用植物抽薹过程中激素发挥其生物学效应的分子基础，阐明激素调控植物器官形成和早期抽薹基因的分子机制，全面深入认识伞形科药用植物早期抽薹的基本规律，有效解决早期抽薹造成的伞形科根茎类药用植物产量、品质下降问题，运用数学模拟等方法建立根系植物激素生长的动力学模型研究，这将为研究伞形科根茎类药用植物内源激素调控提供新的思路。

对于解决早期抽薹的研究大多从栽培条件，如合理种植或改变环境因素等方面展开，但效果不佳。已有研究表明，外源性激素在一定程度上能够抑制药用植物早期抽薹现象的发生，可以将外源性激素应用于伞形科根茎类药用植物中，筛选适合伞形科根茎类药用植物生长的最佳浓度，以期达到既能够保证伞形科根茎类药用植物的安全性又能够达到抑制早期抽薹的效果。