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《西蜀园林》之特别策划 | 药用保健型园林植物种质资源挖掘和利用研究

花匠小妙招
2024-11-28 15:00

药用保健型园林植物种质资源挖掘和利用研究

——记四川农大高素萍教授团队研究工作

文/四川农业大学风景园林学院园林研究所

风景园林学科是一门致力于人居环境健康与美丽建设的综合性应用学科。园林植物作为造园要素之一是园林空间不可或缺和替代的生命要素，不仅是景观美丽的园林艺术载体，也是人居生态环境安全的重要保障。四川农业大学风景园林学科自建立来，高度重视园林植物相关研究，尤其在地方特色种质资源，如，观赏竹、天彭牡丹等的挖掘和利用研究方面具有一定的优势。随着生态文明建设的进一步推进，园林植物单一的观赏功能已不能满足人们对生态环境安全和美好生活的需求。如何在观赏价值基础上，挖掘复合生态修复，环境净化，药用保健等价值园林植物种质资源，是当今风景园林学科中园林植物培育与应用研究的一个新兴方向。

四川农大风景园林学科在多功能型园林植物种质资源挖掘和利用方面开展了近十年的相关工作，重点开展了园林植物的生态修复和恢复以及药用保健功能两个方向的资源挖掘和应用系统研究。其中，以高素萍教授为代表的团队，立足于药用保健功能的园林植物资源的发掘和应用，重点选择不仅具有花期长，观赏价值高的花卉苗木，而且要有很高的药用或保健功能的园林植物。除此之外，选择自然界稀少的冷色调花卉为研究切入点，重点关注灌木或亚灌木或藤本植物，以满足人们对稀有色彩向往的愿望和弥补园林绿化市场对木本，包括灌木和藤本苗木的迫切需求。经过近8年的历程，在资源收集，生物学特性、高效繁殖、栽培、次生代谢、异型自交不亲和、新品种选育等方面开展了系统研究工作，在蓝花丹、岷江蓝雪花两种代表性药用保健型园林植物研究工作中取得了一定成果，下面以两种植物为例，总结近年来团队的研究工作和成果。

一、研究概况

白花丹科(Plumbaginaceae)下分两个族，白花丹族和补血草族，其中白花丹族有3属26种，我国仅8-9种，另外，引进栽培1种。大多数种为小灌木、半灌木。三属中的白花丹属和蓝雪花属含有白花丹素（萘醌）和氢化白花丹苷。团队对白花丹族的白花丹属和蓝雪花属的种进行收集，按照团队确立的研究切入点，初期重点选择了蓝花丹、岷江蓝雪花2种进行相关研究。选择原因除了满足以上对材料的要求外，还因两个种在亲缘关系和地理位置上的远缘关系。白花丹属(Plumbago)的蓝花丹(Plumbago auriculata Lam.)原产南非南部，蓝雪花属的岷江蓝雪花（CeratostigmawillmottianumStapf.）我国特产。由于这种远缘关系，为下一步远缘杂交新品种培育奠定了基础。以下简单介绍2种植物的生物学生态学特性。

蓝花丹，引种栽培我国长江以南多地，在四川盆地花期约为5-10月。近年来，因其独特少见的淡蓝紫色花冠，深受消费者喜爱，被越来越多的引种栽培和应用，逐渐成为现代园林植物造景中的新宠儿。此外，蓝花丹植株尤其是根部含多种功效的活性成分白花丹素。白花丹素是白花丹科植物次生代谢产物萘醌衍生物，自然条件下主要分布于根部。近年来，国内外相关研究表明，白花丹素在体内和体外对多种肿瘤细胞均具有明显的生长抑制作用。如，肾癌、乳腺癌等肿瘤有显著医学治疗作用。此外，研究发现白花丹素具有广谱的抗细菌、真菌效果，并被用作抗HIV感染药物。因此，蓝花丹是一种集高观赏和药用价值于一身的多功能型园林观赏植物。然而，目前国内无论是对该植物的景观应用还是生物医药应用都未能形成规模。其首要原因是资源短缺，其次是缺乏规模化栽培的关键技术研究。蓝花丹是一种自交不亲和植物，自然结实率极低（20%）。种子少，价格昂贵，曾涨到3～6 元/颗，仍供不应求。美国泛美种子公司是全球最大的也是蓝花丹唯一的商业化制种公司，因种子难以获得，已于2016年全面停止了蓝花丹种子的生产和销售。加之该植物较高的医学价值，全球范围内，为获取其白花丹素主要存在部位根，对该属植物的过度开采，使其野生种群数量急剧下降，种质资源遭受着毁灭性的打击。

岷江蓝雪花野生种群主要分布岷江流域等西南地区，因首次发现于岷江河谷而得名岷江蓝雪花。花深蓝紫色，在四川花期6-10月。它在民间早已为少数民族用药，具有活血、止痛等功效。岷江蓝雪花作为野生药用观赏植物，除了紫色系花，花期长，根部也含有白花丹素，也是一种药用保健型观赏植物种质资源。

除此以外，两种植物都是长短异型花柱，前者自交不亲和，后者未见报道，这就意味着具有极高的理论研究价值。从栽培管理来讲，两个种都是栽培简单，生长迅速，病虫害较少，管理简单粗放的植物。

二、研究工作

团队研究从问题入手，分析问题，解决问题。目前两种植物研究与应用存在是：

（1）异性自交不亲和机理不明，（2）种苗资源严重不足，影响到花卉苗木市场价格及景观和医药应用推广，（3）未见不损伤植物获取根的方法。

团队针对以上问题，先后开展了蓝花丹、岷江蓝雪花的基础、应用基础和应用三方面的研究工作。

（一）基础研究

在基础研究方面，首先从(1) 种子生物学；(2) 开花生物学；(3) 花粉、种子采集与储存技术；(4) 花期调控—修剪措施对开花的调控等方面入手，收集蓝花丹和岷江蓝雪花的基本信息。随后，围绕蓝花丹异型自交不亲和特性，分别在形态、结构、生理、代谢、蛋白和基因不同水平上探索其机理。研究了(1) 长短花柱的多态型与自交不亲和关系；(2) 花粉与花柱受精障碍与异型自交不亲和关系研究；(3) 异型自交不亲和反应与激素、酶等相关生理学研究；(4) 异型自交不亲和反应的组织化学与代谢组学研究；(5) 异型自交不亲和反应的转录组学研究。与此同时，围绕白花丹素的生物合成，分别从根的获取，含量及时空分布，生物调控等方面进行研究，如，开展了(1) 发根脓杆菌诱导不定根及其白花丹素调控研究；(2) 叶片直接诱导生根的研究；(3) 环境胁迫对白花丹素含量的影响研究；(4) 不同年龄及空间的白花丹素含量比较研究；（5）白花丹素代谢途径的研究等相关工作。

（二）应用基础研究

围绕新品种选育，团队开展了(1)化学诱变剂诱导多倍体的研究；(2) 远缘杂交：属间杂交（蓝花丹×岷江蓝雪花），种间杂交[蓝花丹×雪花丹（蓝花丹变种）]；(3) 种内不同型杂交授粉：蓝花丹的L型× S型；(4) 自然选育等工作。

高效繁殖方面，重点用组织培养、扦插繁殖建立高效繁殖技术体系，着重开展蓝花丹、岷江蓝雪花(1) 单芽-丛芽-生根；(2) 无菌茎段-生根；(3) 有菌茎段-生根；(4) 无菌叶片-生根；(5) 炼苗技术-无土炼苗-无土运输技术等高效快繁体系关键技术体系的攻关研究。

（三）应用研究

应用研究重点围绕园林景观配置中涉及的：(1) 配置造景，(2) 修剪、造型，(3) 立体配置，如，门廊、墙面、花架等配置，(7) 墓园配置造景，(8) 微型盆栽等内容进行相关研究。

三、研究初步成果

针对以上三方面的问题，团队研究取得的重要成果体现如下：

1. 异性自交不亲和机理研究方面的成果体现在，对蓝花丹花柱多态性与自交不亲和关系研究结果表明，长短花柱空间上的不同并不是自交不亲和的障碍。通过超微结构观察到受精障碍发生在花粉与柱头结合的阶段，其机理正在做组织化学与蛋白方面的研究。

2.解决种苗资源短缺的成果体现在，已建立了蓝花丹和岷江蓝雪花两个种的稳定高效无菌快繁体系，与实生苗相比，缩短培养时间约6-8个月，平均增值系数增加5-8倍。长期保持3000株左右生根无菌苗，随时可用于炼苗或其它用途的转化。已栽培组培苗2300盆，其中具有商品苗性状的有800盆以上，组培苗出瓶2～3个月条件适宜时即可开花，生产成本降低30～50%。目前可使蓝花丹继代次数达到22代性状仍保持稳定。确定了蓝花丹硬枝扦插最适的时间、枝条类型、基质及最适生根剂。同时，总结了种子、花粉的采集储藏技术。

3.探索出一条不伤活体植物获得不定根的方法，即：寻找出蓝花丹无菌叶片直接繁殖不定根的配方，为白花丹素提取的原材料获取提供了一条新途径，该成果对保护蓝花丹野生种质资源具有重要意义。

除此以外，为了进一步开展新品种研发工作，团队继续收集了野生资源，目前收集本科植物2属5种，它们是蓝花丹、白花丹、紫花丹、雪花丹和岷江蓝雪花。

育种的探索工作也在逐步推进，通过染色体核型分析,确定了蓝花丹染色体数目（2n=12）及形态结构,核不对称系数为59.41%, 属于微小染色体。通过多倍体诱导，初步检测出4倍体，目前在做纯化和嵌合体分离工作。得到了属间（蓝花丹×岷江蓝雪花）和种间（蓝花丹×雪花丹）杂交种子，目前正在对种子进行种子生物学及F1代可育性研究。

获得了三个重大项目的支持：特色功能型观赏植物种质资源发掘关键技术研究与示范（类别三），四川省科技计划项目（2013年—2015年）。园林新秀蓝花丹无菌快繁体系建立及工厂化栽培关键技术研究（重点），四川省应用基础研究（2016年—2020年）。突破性竹类（花卉）育种材料与方法创新，省科技支撑计划（2017年—2020年）。

学术成果，共申请3项国家发明专利，5个实用新型专利。发表相关学术论文20篇，其中CSCD-C收录论文8篇，外文期刊2篇；博士论文1篇幅，硕士学位论文8篇，会议论文1篇。投稿5篇SCI论文，正在审稿中。

四、应用展望

今后对药用保健型园林植物的应用具有广阔空间。如，以上两种植物，其应用价值可体现在景观营建、高附加值生物医学产业、园艺疗法、城市生态修复四个方面。蓝花丹、岷江蓝雪花首要价值在于美景的营建，如作盆栽点缀居室、阳台；植于林缘、草坪，与其他观赏植物进行组合造景；以及用于城市建筑物、道路、墙体绿化。在高值化生物医学产业利用方面，白花丹素已被应用于治疗风湿性关节疼痛，血瘀闭经，跌打损伤，肿毒恶疮，疥癣等，未来在抗肿瘤、抗肥胖、抗肝纤维化、抗菌、抗炎、防止脑缺血等方面亦表现出巨大的潜力。但仍需在其毒性、相关药物制剂、临床应用，生物合成技术，以及药理机制等方面进行更深入全面的研究。园艺疗法是康复治疗与保健手段的一个热点话题。 20 世纪 30 年代英国贝曲医生认为岷江蓝雪花可以帮助那些总是怀疑自己的能力、意志不坚定、极易受到别人影响的人找到自信。现英国Healingherbs 药草公司等生产的cerato(即岷江蓝雪花) 花精在世界很多地方能买到。而与岷江蓝雪花同科的蓝花丹是否有相同功效，需进一步研究确认。植物生态双修是近年来国际上兴起的一种有潜力、低成本的以太阳能为能源的绿色修复技术。目前，超富集植物大多数个体矮小、生长缓慢、生物量小且常常位于偏远山区，对气候有一定的要求，不宜广泛推广。蓝花丹和岷江蓝雪花萌蘖能力和抗逆性强、管理简单粗放、病虫害少，若可以作为重金属植物修复的材料将会有很大的利用价值。因此，对它们的富集能力和耐受性的研究也是未来研究的工作。

总之，园林植物的价值除了观赏，还应该挖掘其修复生态环境、药用保健等方面的价值。只有兼具复合功能的园林植物才具备未来市场竞争力。因此，在此抛砖引玉，以期有此兴趣的同行，加强交流，共同探讨！为建设美丽的人居生态环境和促进人们生活健康而努力研究！

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