人参化感作用及其研究进展

陈长宝，张瑞，王恩鹏，许永华，王英平，3※

（1.长春中医药大学，长春 130117；2.吉林农业大学，长春 130122；3.中国农业科学院特产研究所，长春 130112）

人参（PanaxginsengC.A.Mey.）是我国传统名贵中药材，《神农本草经》中就有记载，认为人参有“补五脏、安精神、定魂魄、止惊悸、除邪气、明目开心益智”的功效，“久服轻身延年”；《本草纲目》对人参极为推崇，认为它能“治男妇一切虚症”。同时人参也是我国出口额最大的中药材品种，2016年人参及饮片出口额达到1.47亿美元，同比增加26%[1]。2012年卫生部批准5年及以下人工种植的人参为“新资源食品”[2]，极大地促进了人参消费，推动了人参产业的发展。2016年吉林省人参产业总产值达到505亿，人参种植成为吉林省长白山地区农民收入的重要来源之一。

参农在长期的生产实践中发现，人参种植存在连作障碍，栽过一茬人参的土壤要30年后才能再次栽参。已有的研究认为，人参连作障碍是由于栽参土壤理化性质变劣[3～5]、病原微生物累积所致[6]，但改良土壤和彻底灭菌并不能解决人参连作障碍问题，因此，本课题组提出了“化感物质-土壤劣变-病原微生物”的相互作用是连作障碍主要原因的新观点，从化感作用的角度开展人参连作障碍研究[7]。

化感作用是指植物或微生物的代谢分泌物对环境中其他植物或微生物的有利或不利的作用[8]，早在2000多年前就已经有了化感作用的描述。近年来，随着科学技术的进步和精密分析仪器的不断出现，人参领域的研究学者对化感作用的研究逐步活跃起来，从不同学科的角度入手，开展人参化感作用研究，并取得较大进展。本文就人参领域化感作用研究成果作综述，以期为其进一步的研究提供参考。

1 人参化感作用

人参化感作用主要是自毒作用[9]，具体表现为对种子萌发、愈伤组织生长、根系组织活力、幼苗生长、根系酶活性等方面的抑制作用和对根尖组织结构的影响[7，9～13]，在生产上表现为保苗率低、病害严重，严重影响人参的产量和质量。

2 人参化感作用研究方法

选择适宜的实验方法，对于准确快速鉴别化感物质、研究化感物质活性及作用机理、探讨化感作用解除方法，具有十分重要的意义。

2.1 培养皿法

培养皿底部铺2层灭菌滤纸，加入供试液，种子或幼苗置于滤纸上，培养箱中避光保湿培养[12]。培养皿法具有快速、直观、成本低等优点，可以排除土壤成分、微生物等干扰，同时不受季节和气候的影响，是目前人参化感作用研究中最常用的获取生物样品的方法。

2.2 愈伤组织培养法

基本培养基为MS培养基、蔗糖3%、琼脂0.7%。在基本培养基种添加不同浓度的萘乙酸（NAA）、吲哚丁酸（IBA）、苄氨基腺嘌呤（BA）、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）等植物生长激素，用于愈伤组织的诱导和继代培养。培养基pH6.0。高温湿热灭菌（121℃，20min）冷却后接种。人参样品用 0.1%升汞进行表面消毒8min～10min，无菌水冲洗3～4次，将样品切成小段，在无菌条件下接种，进行人参愈伤组织诱导、培养[10]。愈伤组织培养法可以大量、快速获得具有相同基因的样品，可以有效去除由于遗传背景不同带来的干扰。

2.3 水培法和砂培法

选择适宜的培养器皿，用蒸馏水或石英砂代替土壤，添加营养液，利用自然光或人工补光，培养人参植株。该方法适宜培养较大人参植株，可以测定化感物质对植株生长量、植株形态等方面的影响；另外，可以收集培养液，分析根系分泌物和次生代谢产物[14，15]。

2.4 田间试验法

人参化感作用田间试验主要分为老参地研究和新土地添加研究。老参地研究是在老参地土壤中播种、移栽人参，分析老参地土壤对人参生长发育的影响[10]；或者分析老参地土壤中有机物成分，探索化感物质的种类。新土地添加研究是将供试样品加入未栽培人参的土壤中，播种、移栽人参，分析供试样品对人参生长发育的影响。田间试验影响因素较多，不易成功，但可以真实模拟田间的生态环境[16]，最大限度地接近生产实际状况，研究成果能快速转化为实际生产力。

此外，其他植物的化感作用研究中还经常用到阶梯栽培法、根渗出液循环栽培法、植物盒法、试管苗法等[17]，这些方法在人参化感作用研究中，也可根据不同的实验目的、实验材料来加以选择性借鉴。

3 人参化感物质研究

根据孔垂华[18]对化感作用的基本特征的描述，人参化感物质的特征可以总结为相互作用的主客体均是人参；相互作用的化学物质是人参的次生代谢物质，而且必须有适合的途径进入环境中，不包含在人参体内变化的次生代谢物质；化感物质主要用于影响自身的生长发育。人参化感物质是人参化感作用研究的热点之一。

3.1 化感物质来源

研究结果表明，人参化感物质主要来源于根系分泌物（次生代谢产物）[10]和根、落叶、残体的腐解物这两种物质。在植株的生长过程中，根系分泌物与根、落叶、残体的腐解物等物质分布在植株附近土壤中[19]，其中，水溶成分浓度随着雨水淋溶时间推移而降低，非水溶成分（特别是小分子、弱极性物质）在根部土壤中逐渐积累，当达到一定浓度后，对植株本身产生毒害作用，表现为化感自毒。

3.2 化感物质种类

Rice[20]把高等植物中的化感物质分为简单的水溶性有机酸、直链醇、脂肪醇、脂肪醛和酮；脂肪酸和聚乙炔；简单的酚、苯甲酸及其衍生物；肉桂酸及其衍生物；香豆素类；单宁；萜类和甾族化合物；氨基酸和多肽；生物碱和氰醇；简单的不饱和内酯；醌类；黄酮类；糖苷硫氰酸酯；嘌呤和核苷以及其他化合物等15类，其中酚类和萜类是高等植物的主要化感物。

陈长宝等[21]对根际土壤有抑制活性的组分进行了物质组成分析与分子结构鉴定，初步确定人参部分化感物质组成成分为棕榈酸甲酯等酯类、9，12-十八（烷）酸、（Z，Z)-十五（烷）基酸等酸类、双环（10，8，0）二十烷、（Z）、二十三烷、5，6-四亚甲基四氢-1，3-嗪-2-硫-4-环己烷、二十五烷等55种物质，其中有机酸类是主要的化感物质。这一研究结果得到多位学者相关研究的支持[22～26]。

3.3 化感物质提取、分离、检测方法

早期对化感作用的研究主要集中在对现象的描述、对有益化感作用的利用、对有害化感作用的解除等宏观方面，随着将植物化学学科的理论和技术应用于化感研究，相关研究进入到对化感物质的探寻阶段。有关人参化感物质提取方法的研究报道，主要有超声法、回流法、渗漉法、浸提法、腐解法等方法[17]，在其他高等植物的化感作用研究中也有采用夹层法、常温吸附法等方法[27]。提取溶剂包括水、甲醇、乙醚等，根据化感物质的极性来筛选，通常采用两种或多种不同极性的试剂对同一样品分别提取的方法，将样品中的化感物质进行充分提取。化感物质的分离、纯化方法根据其理化特性进行选择，主要包括萃取法、层析法、离子交换树脂法、大孔树脂法、聚酰胺凝胶法、重结晶法等。对于大多数化感物质可以采用质谱+已知化合物数据库的方法进行鉴定，对于分离得到的新化合物可采用质谱、核磁共振、红外光谱、X晶体衍射等技术确定其分子式和化学结构[14，21，28]。

陈长宝等[21]采集栽参土壤用蒸馏水超声提取浓缩后通过XAD-4大孔吸附树脂柱，依次用水、20%甲醇和90%甲醇洗脱，收集各洗脱液并浓缩得人参根际土壤提取物，采用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）对分离得到的样品进行成分鉴别分析。RobertWNicol等[28]报道，通过利用Tang＆Young设计的根系分泌物收集系统，从西洋参根际土壤中收集根系分泌物，经过高效液相色谱-电喷雾-质谱（HPLC-ESI-MS）法分析确定这些根系分泌物中含有皂苷成分。王玉萍等[14]采用全营养水培方法培养西洋参，每3天更换1次营养液，将更换下来的培养液通过预先处理好的XAD-4树脂柱，以吸附其中的疏水性物质，而后用200mL甲醇洗脱，得淡黄色洗脱液；将洗脱液在50℃水浴中减压蒸干，得到褐色的西洋参疏水性根系分泌物，采用GC-MS联用方法对此疏水性根系分泌物的化学成分进行分析和鉴定。

4 人参化感作用机理

在高等植物中，化感作用机理主要可以总结为6个方面[29]：1）影响抗氧化酶系统及细胞膜透性[30，31]；2）影响水分和营养物质吸收[32，33]；3）影响植物中的激素[33]；4）影响细胞分裂、伸长以及亚显微结构[34]；5）影响光合作用和呼吸作用[35～37]；6）影响基因表达和蛋白质的合成[38，39]。李丽等[40]将西洋参化感自毒作用发生机制总结为6个方面：1）对细胞膜结构和功能的影响；2）对激素的影响；3）对营养物质吸收的影响；4）对呼吸作用和光合作用的影响；5）对酶活性的影响；6）对相关基因表达的影响。

5 人参化感作用种质资源评价研究

目前，对于化感作用种质资源研究主要集中在水稻、小麦、番茄等作物以及蔬菜大宗品种上。朱红莲等[41]建立了土培、砂培、特征性次生物质标记和田间试验等4种化感潜力评价方法，并利用这4种评价方法对225份中国水稻种质资源进行了化感潜力评价。许勇[42]应用浸提法、蛭石共培法、盆栽法和田间鉴定法研究了小麦对不同杂草的抑草化感力，并选择出了对牛繁缕抑制力高的10-28、N57小麦品系和抑制力低的10-174、K品系；对看麦娘抑制力高的N74品系和抑制力低的10-54、N260、N362品系。耿广东等[43]以莴苣为受体材料研究了番茄不同品种间化感作用的差异，结果表明，番茄不同品种间化感作用的差异较为明显，并通过综合隶属函数值评价了品种间的化感作用大小，最后对不同番茄品种进行Q型聚类分析，分析的结果与综合隶属函数值得出的结果一致。

新品种“中农皇封参”在老参地（二茬土、三茬土）品比试验中，表现出较强的抗连作特性，与对照品种相比，保苗率、抗病性均有显著性差异[44]。其它有关人参化感作用种质资源、品种选育方面的研究报道较少。

6 存在的问题和研究展望

我国人参种植的传统模式是“伐林栽参”，连续转场对森林和生态环境破坏严重。随着人们对生态保护的日益重视和“天保工程”的实施，该模式受到限制，多地已禁止“伐林栽参”，人参种植模式转变为“林下仿生护育”和“农田栽参”两种模式。人参“林下仿生护育”对生态无破坏，但人参生长年限长，一般需达到15年才能做货；保苗率低，单根重较小，总体产量低，不能满足常规食用市场需求，适宜生产高档人参。“农田栽参”模式已成熟，人参产量和质量均有较大幅度的提高，已接近“伐林栽参”的水平。“农田栽参”除了具有生态保护方面的优势外，还具有生产场地交通便利，适宜机械化、规模化、标准化生产的特点，有利于降低日益升高的人工成本、保障原料稳定供应和保证产品质量良好，因此“农田栽参”是今后人参种植产业发展的重点方向。

我国农田面积广阔，但人参道地产区“宜参农田”数量有限，“农田栽参”同样面临连作障碍，如何高效利用有限土地资源，降低由于生产转场带来的成本压力，实现人参产业的可持续发展，是我国人参科研人员面临的重大科技命题。

随着施肥、植保、控水调光等技术的提高和新肥料、新棚膜等投入品的更新换代，进一步凸显了化感作用在“农田栽参”连作障碍影响因素中的地位。对于如何破除人参在“农田栽参”模式下化感自毒作用，作者认为首先要加强人参化感作用机理方面的研究，重点突破化感物质运输途径和作用靶点。现有人参化感作用研究重点集中在化感物质分析、化感作用表现等方面，人参化感作用机理、特别是自毒作用机理研究较少，致使人参化感作用破除技术研究缺乏基础理论指导，进展缓慢，取得的成效不足以支撑产业发展。采用生物化学、分子生物学的理论和技术，结合人参生理学研究，探明化感物质运输途径和作用靶点，从阻断运输和靶点结合竞争等方面考虑人参化感作用的破除。其次要开展具有抗化感作用人参种质资源筛选，选育具有抗化感作用的人参新品种。具有特殊生理表现型的人参新品种的选育是解决生产难题的根本途径，借鉴水稻、小麦、番茄等作物研究经验，利用我国人参种质资源变异类型丰富多样、野生资源相对较多的优势，开展人参种质资源的化感潜力评价，选育抗化感品种，将资源优势转变为产业优势，对于解决人参化感自毒问题，实现人参连作具有事半功倍的作用。

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