独一味对高原逆境生境的适应性研究进展*

李廷菊，樊锦雅，古锐，钟世红

（1.成都中医药大学药学院 成都 611137；2.成都中医药大学民族医药学院 成都 611137；3.西南民族大学药学院 成都 610041）

独一味Lamiophlomis rotata(Benth.) Kudo为唇形科独一味属多年生草本植物，以地上部位入药，具有活血止血，祛风止痛之功效[1]。独一味别名达巴、嘎果拉、野秦艽等，是常用大宗藏药，始载于《月王药诊》，以其为主要原料药材的独一味胶囊、奇正伤痛贴等现代制剂在高原藏药产业化开发中占有重要地位。由于独一味需求量大、资源紧缺，本品2000年被西藏自治区红十字会和瑞士红十字会列为一级濒危藏药物种[2]，2013年被收入《中国生物多样性红色名录-高等植物卷》[3]。独一味分布于青藏高原地区海拔3000-5000 m的高寒草地，具有先锋植物特性[4]，其典型生境具有紫外线辐射强、昼夜温差大、土壤肥力、水分变化大、土壤冻融时间长等特点。本文认为，独一味通过独特的植物形态和增强生理抗逆性来适应恶劣的自然生境。有必要从胁迫生态的角度，对该物种生物学、生理学响应特征进行梳理分析，综合阐释独一味对于高寒退化草地的适应性机制，以期为制定独一味野生资源保护策略、开展其野生抚育或仿野生栽培等生产实践提供科学依据。

1 独一味分布区域和生境

1.1 分布区域

独一味生长于海拔3000-5000 m的高原草甸和高山灌丛地带，分布在青海、甘肃、云南、四川、西藏自治区等省区[5]，国外的记载主要分布于尼泊尔、锡金和不丹等国家[6]。孙辉等[5]通过查阅国内独一味标本记录、文献调研和实地走访调查独一味产地，认为独一味主要分布于四川省的泸定、康定、雅江、理塘、道孚、甘孜、石渠、色达、巴塘、阿坝等县；青海省的囊谦、玉树、玛多、达日、班玛、久治、河南、玛沁、甘德等县；甘肃省的玛曲、碌曲、迭部等县，西藏自治区的芒康、昌都、江达、丁青、波密、林芝、那曲、类乌齐、当雄等县。

近年来研究者们采用各类模型与3S技术相结合对独一味适生区进行模拟预测。祝聪等[7]运用地理信息系统提取适宜独一味生长的气候、土壤、地形地貌、群落等环境因子，通过空间叠加分析确定了四川省独一味生长适宜区并实地验证，研究表明，石渠县、德格县、色达县为四川省独一味生长最适宜的3个县，其中最适宜区独一味产量占比70%以上。周传猛等[8]以熵权法模糊物元模型为基础对全国范围独一味适生区进行研究，表明独一味适生区主要集中在青藏高原及其边缘地区。赵文龙等[9]通过环境气候数据模拟未来气候变化对独一味适生区空间分布格局的影响，结果表明，未来气候暖化将使独一味适生区几何中心向西南方向迁移，同时适生区海拔上升，扩大面积约为其退化面积的2倍，各省的适生区面积增加。笔者根据前期川青甘藏四省独一味采样结果，应用MaxEnt模型方法进行了适宜生长区预测，结果表明川青甘三省交接区域为独一味连片适生区域，这与独一味药材主产区调查结果一致。采用模型与技术结合预测近年来为国内外研究者们所青睐，同传统的野外调查法相比，其优点在于可快速获得物种潜在分布信息、效率高。然而该方法有一定局限性，因独一味在草地上常呈斑块化分布，采用3S技术预测的适宜区域远大于独一味实际分布区域，其准确率有待提高。

1.2 生境特征和胁迫生态因子分析

李燕等[10-11]研究表明，独一味适生生境为高海拔地区干旱化、杂草裸地化及干旱地偏碱性环境。孙辉等[5]在实际调查中发现，独一味分布生境为高海拔地带呈现干旱化、杂草化、裸地化生境，土壤草毡层退化或消失，在已退化或正在退化的灌丛草地或湿地群落，以及杂草入侵（橐吾、蓟、狼毒等有毒有害植物扩散）等生境长势良好，分布密度大且集中连片，可作为高原草地退化的指示种。牛童[12]调查表明，独一味在轻度、中度、重度、极度四级[13]退化草地中均有分布，轻度退化草地为禾草类、灌丛植物盖度95%以上，金露梅等灌丛为建群种；中度退化草地中禾本类植物盖度达80%-94%，土壤干旱化，毒草入侵；重度退化草地建群种以毒杂草为主，禾草类少，盖度65%-80%，黑土滩、啮齿动物频见；极度退化草地为黑土滩、裸地或石砾滩，土壤干旱化明显。

独一味分布的高海拔土壤主要分为5类，分别为高山草甸土、亚高山草甸土、高山寒漠土、草甸土、沼泽土[5,10]。随着退化程度加深，土壤趋于干旱化和盐碱化，由酸性土壤逐渐演变为碱性土壤，土壤含水率降低，保水能力减弱，电导率含量升高，盐渍化程度加重[14-15]，湿度、土壤有机质、速效磷、硝态氮、速效钾的含量和土壤紧实度减小[16]；土壤进入冻结和消融日期提前，土壤冻结和消融速度加快，土壤温度变化幅度加大[17]。牛童[12]对独一味不同退化等级草场的土壤相关生态因子测定发现，独一味生长的土壤除极度退化草地为轻壤土外，其他等级退化草地多为中壤土，pH多偏中性；随草地退化程度的增加，高原草甸土壤空隙减小，吸水和保水能力减弱，极度退化草地土壤肥力体现为低氮、低磷、低钾；中度退化草地体现为中氮、磷、钾土壤。

分析认为，高原生境下土壤退化所造成的土壤干旱、肥力降低是独一味的主要逆境生态因子；灌丛和高草丛生境下，顶层层片增大的郁闭度为独一味逆境生态因子；对于独一味幼苗，除上述逆境因子外，群落间物种竞争、春季低温和春冬土壤冻融亦可能为其逆境生态因子[18]。

2 独一味形态特征及对高原逆境的适应分析

2.1 植株形态

独一味为喜阳贴地生长的低矮草本，其植物形态和物候期均体现出耐寒耐旱的特征。独一味植株高仅为2.5-10 cm[19]（图1A）；根及根茎粗壮，呈圆柱形或扁圆柱形，直径7-20 mm，老根枯朽状或已成空洞，形成类似“枯芩”的形态。笔者野外观察发现，一年生独一味幼苗的根即可生长到10 cm以上，成株根长可达50 cm以上（图1B）；独一味叶片多皱而宽大，叶片常4枚，辐状两两相对，菱状圆形、菱形、扇形、横肾形以至三角形，长（4）6-13 cm，宽（4.4）7-12 cm[19]；独一味轮伞花序头状或短穗状，花萼管状，干时带紫褐色，萼齿5，短三角形，先端具长约2 mm的刺尖。

图1 独一味植株及生境

分析认为，低矮的植株和厚实的叶片使独一味能够适应牧群踩踏造成的放牧胁迫；花序短穗状且花萼先端带刺，植株富含环烯醚萜类成分[20]，对草食牲畜的适口性差，能够避免牲畜的啃食，因而独一味也被认为是草地毒杂草[21]；宽大的叶片使种群能够占据较大的盖度，压制群落内其他植物竞争，能够有效的减少阳光和强气流变化造成的土壤水分散失，保障其获得优势种群地位和光热条件（图1C）。调查表明中度和重度退化草地中独一味可成为优势种群[12]。独一味粗壮且超长的根，可以穿透草皮层直达母质层，克服了退化背景下土壤表层、过渡层由于干旱、冻融、养分持续丢失带来的逆境胁迫，因此，在石砾化的极度退化草地中，仍能发现生长良好的独一味植株（图1D）。

2.2 显微形态特征

独一味叶片具有较厚的角质层，上表皮角质层平均值为123-173 µm，下表皮角质层平均值为148-169 µm[12]；气孔下陷[22]；拥有发达的栅栏组织，海绵细胞亦为规整的长条形，排列紧密，发育腺鳞，具有隔热、保水、抗损伤等功能，是植物对强光、强紫外辐射、高海拔强气流变化、生理干旱等环境的适应[23]。

研究表明[12]，轻度、中度和极度退化草地中，独一味通过增加上下表皮角质层厚度、腺鳞密度、栅海比、气孔指数，降低叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、叶片组织结构疏松度适应退化生境，随退化等级加深，其显微结构抗逆特征梯次加强。干旱胁迫下，独一味幼苗气孔指数、腺鳞密度显著增加，栅栏组织排列随胁迫程度趋于紧密且厚度逐渐变大，海绵组织细胞间隙变小且厚度逐渐变小，叶片厚度也随之变小[24]，这与草地退化胁迫变化趋势相似，说明草地退化胁迫与干旱胁迫有相关性。

3 独一味种群生态学特征及对高原环境逆境的适应分析

独一味生长的群落主要为高山灌丛和高山草甸[25-26]，伴生植物包括金露梅Potentilla fruticosa、珠芽蓼Polygonum viviparum、毛茛Ranunculus japonicus、甘松Nardostachys jatamansi、黄帚橐吾Ligularia virgaurea等。独一味在不同退化草地中均呈现出相似的“铃型种群模型”龄级特征：y=anxn+an-1xn-1+…+a1x+b，这是一种衰退型的种群，其种群更新的机制值得进一步研究[12]。

不同退化草地中独一味群落地位和种群特征具有较大差异[12,23]，以金露梅为代表的灌丛生境下，由于与高大草本和灌丛竞争，独一味不易形成优势种群，幼株少，植株大型化且具有较高的开花比例，此种生境下的独一味可能是种群拓展中孑遗的植株，或因获得有利生态位得以生存；中度和重度退化草地是独一味最适生境，独一味可集中成片分布形成优势建群种，表现出侵占性、爆发性和集合性种群特征，但后者地上部分叶展距大，开花植株比例较高，分析认为后者在重度退化生境中群落竞争小，占据有利的生态位而表现出大型化趋势，其作为先锋植物在重度退化草地中的种群拓展具有积极的生态保护意义；在极度退化草地中，独一味密度低，植株大型化且具有较高的开花比例，其生存策略可能与轻度退化草地相近，独一味通过深根抵御干旱与低肥胁迫。

Liu等[27]采用随机扩增多态性DNA（RAPD）和简单序列重复区间（ISSR）两种基于聚合酶链反应的技术，对青藏高原8个独一味种群的遗传多样性和种群分化进行了研究，结果表明，独一味种群间的基因流相对较低，地理群间和地理群内存在显著的遗传分化，这可能与独一味集合种群特征相映证。

4 独一味繁殖与更新及对高原逆境的适应分析

独一味可通过种子进行繁殖，种子为小坚果倒卵状三棱形，表面不具有翅或毛、倒钩或粘液等，鲜种子千粒重7-8 g，干种子千粒重3.4-3.5 g[28]，完全成熟后从干燥的果实中散落，依靠重力进行传播，种皮具有良好的透水性，具有浅休眠生理特性[29-30]。

种子大小在植物生活史中处于核心的地位，是植物生活史的核心特征之一[31]，在环境胁迫下，植物的繁殖受种子大小影响，通过生产大而少的种子来增加子代的存活能力或者小而多的种子来分散胁迫伤害[32]。前期观察发现，独一味生长群落中存在较多的禾本科植物[25-26]，其种子细小而密，扩散能力强，具有较强的拓植能力，使得小种子物种在较大的空间范围内，更易成为广布种。而独一味与禾本科植物种子差异较大，其种子大而少[33-36]，由于大种子具有较丰富的营养物质，会发育成较大的幼苗，这也就保证其在资源、营养等缺失的情况下生存，也能忍受动物的取食和践踏，还能忍受各种环境因素干旱、冻害等的胁迫，并且在较厚的枯枝落叶层中萌发并且存活下来。在与其他植物竞争的过程中，小种子能快速繁殖和扩散，以广布种的形式生存下来，而大种子植物仅能到达一部分生境和空斑，但是一旦定居下来便可以利用其竞争能力，排除掉其它物种，维持自身在特定的生境中或群落中的丰富度，而成为群落的优势种[31]。

目前，关于独一味种子萌发已有较多研究，影响种子萌发的因素很多，多以光照、温度、浸种时间和激素等影响为主，如王改花等[37]将不同浓度梯度的赤霉素（GA3）、高锰酸钾（KMnO4）、萘乙酸（NAA）、细胞分裂素（CTK）和牛粪水浸液处理独一味种子，分析并对比其萌发特性，除萘乙酸外，种子发芽率和发芽势最优处理分别为0.07% KMnO4溶液、200 mg·L-1的GA3溶液、0.1%细胞分裂素、0.09 g·mL-1+2 mL H2O牛粪水浸液；罗桂花等[38-39]研究发现，温度是影响独一味种子发芽率和发芽势的最显著因素，其最佳萌发条件为温度25℃、50 mg·L-1GA3浸种24 h。在此基础上，增加光照因素发现，黑暗条件下发芽率和发芽势最好。

独一味每年4月根茎芽萌发生成地上植株，8-9月地上植株开始变黄、枯萎，9月种子成熟。其植株的更新与根茎芽的生长密切相关，植株的大小也与根茎芽数目呈正相关[25]。野外调查表明，独一味能够很好的适应采收胁迫，采收独一味地上部位后植株多数不会死亡，第二年地下部分多个根茎芽萌发，形成分枝，在地面呈簇生状态，多数不开花。

5 独一味抗逆性生理响应研究

Ma等[40]研究表明，独一味可通过多种方式适应高原环境胁迫，硫化氢（H2S）在这一过程中起着核心作用。H2S是增强植物对环境胁迫耐受性的重要信使，它参与响应非生物胁迫、发育和生长的生物过程。随海拔升高，参与H2S生物合成的蛋白质水平和酶活性显著增加，H2S积累也随之增加。外源H2S处理可提高抗氧化酶活性，降低活性氧（ROS）损伤，提高s-亚硝基谷胱甘肽还原酶（GSNOR）活性，降低活性氮（RNS）损伤，激活下游防御反应，最终导致蛋白质降解、脯氨酸（PRO）和糖积累。而且，这种防御反应可以通过应用H2S生物合成抑制剂来逆转[41]。同时高原光照可能增强独一味抵抗逆境能力，在逆境中通过调节体内PRO、丙二醛（MDA）和可溶性糖（SS）等渗透物质以减轻伤害，有利于生物量积累；独一味含有的环烯醚萜苷成分，可协调植物与植物、植物与植食性昆虫、植物与周围环境之间的相互作用[42]。

5.1 抗旱性

独一味对干旱的适应性强，干旱条件下可通过改变植株形态、调节自身抗氧化系统和渗透调节系统以及积累次生代谢产物来抵抗干旱所造成的损伤。赵灿[4]研究表明，干旱会抑制独一味地上部分的生长，通过增加根横切面导管数和木质部面积来提高水分输送效率，促进地下部分的生长和根系木质部的发育，说明该植物为适应干旱胁迫在资源分配和形态特征方面做出调整；干旱胁迫下，独一味通过积累大量脯氨酸（PRO）来调节渗透压，增强超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活力来抵抗氧化，通过调节叶绿体基粒位置以充分利用有限光能，同时促进地下部分次生代谢产物的积累以适应干旱。

5.2 抗寒性

独一味幼苗对0℃及以上低温有较强的适应能力。在细胞水平上，蔡子平[43]研究发现一年生独一味幼苗在冬季最冷月，SOD、CAT和POD三种酶活性明显下降，细胞膜受破坏程度最大，丙二醛累积达到最大，以此来适应低温条件。低温胁迫下，喷施2次15 mmol·L-1CaCl2可以提高野生独一味成株和幼苗的抗寒性，且成株的适应性和抵抗能力较幼苗强[43-45]。同时喷施1.0-7.5 mmoL·L-1的外源水杨酸也可显著改善独一味幼苗的抗寒性，其中7.5 mmoL·L-1和5.0 mmoL·L-1的水杨酸喷施效果最好[43]，表明施用外源钙和水杨酸均对独一味抗寒性有积极作用。

在分子水平上，赵佳等[6]对独一味种子染色体倍性的鉴定及分析表明，与低海拔亲缘关系较近的植物如糙苏属相比，高海拔植物多为二倍体，表明二倍体更能适应高海拔地区寒冷缺氧的环境，其耐寒机制可能是由于二倍体植物在细胞分裂过程中同源染色体没有分开而形成，经过长期的自然选择和生存竞争而得以存活。

5.3 草地退化

5.3.1 光合生理

叶绿素是光合色素的主要组成部分，主要作用是吸收光和产生还原力，是反映作物光合能力与氮素营养状况的重要指标，直接影响光合潜力。研究表明[12]，随退化程度加深，独一味中叶绿素A、叶绿素B含量呈现先降低后升高的趋势，类胡萝卜素含量则一直升高。推测在轻度退化草地和灌丛生境下，独一味受郁闭胁迫，为吸收光能而生产更多叶绿素；而在极度退化生境下，独一味受水肥、温度等胁迫，可能通过增加叶绿素合成更多的碳水化合物，以满足自身需要。

5.3.2 抗氧化防御系统和渗透调节系统

在草地退化逆境下，独一味可通过调节体内的抗氧化酶和渗透调节物质以适应外界变化。对不同退化程度草地中独一味各项指标测定显示[12]，叶片中的抗氧化酶SOD、POD、CAT含量随退化程度加深呈先上升后减少的趋势，表明中度退化生境下，独一味可增加抗氧化酶活性进行适应；重度退化生境下，酶活性较低，可能除酶促调节外，还通过形态来进行适应；而PRO含量未出现成倍大量积累的现象，且3种退化程度草地叶片中渗透调节相关指标均无太大差异，表明独一味在逆境下渗透调节系统未受到太大影响。

5.3.3 根系分泌物

根系分泌物是指植物在生长过程中，根系的不同部位向其生长介质释放出种类繁多的一系列物质总称，其中包括一些低分子量有机物质、高分子的黏胶物质、根细胞脱落物，还有一些气体、质子和养分离子等，根系分泌物在根际化学生态中起着至关重要的作用，是碳转移到土壤中的关键[46]。在连作、植物竞争、草原退化环境胁迫条件下，植物根系分泌物无法缓解外界环境胁迫时，植物根系分泌的物质会抑制周边植物生长[47]。赵灿[4]通过对中度、极度退化生境独一味采用原位收集法收集根系分泌物及测定总有机碳和总氮分泌速度，表明在相同分泌时间内，中度退化生境有机质种类、总氮和总碳分泌量高于极度退化生境，并分析到2,2’-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)这类酚酸类成分，说明随退化程度加深，根系分泌物呈现抑制作用。

5.3.4 对碳和氮的影响

在植物生态系统中，碳、氮作为生态化学计量学研究生态系统能量和化学元素平衡的重要元素，土壤中氮、碳的总含量是检测土壤肥力的重要指标[48]。对不同退化草地的植株和土壤的总碳、总氮测定表明[4]，独一味总碳和总氮含量总体表现出随退化程度增加而降低的趋势，说明在极度退化的裸石滩、沙地中，独一味能适应和抵抗土壤营养缺失带来的胁迫。

6 结论与展望

独一味主要分布于青海、甘肃、四川、西藏自治区、云南等省区海拔3000-5000 m的高原退化草地和灌丛；退化生境下土壤干旱、肥力降低可能为其主要逆境生态因子，灌丛和高草丛生境下，顶层层片增大的郁闭度为独一味逆境生态因子；独一味贴地生长、宽厚的叶片和发达的根系等形态特征和发达的栅栏组织、增厚的角质层等显微特征均体现出其耐寒性和耐旱性；中度和重度退化草地是独一味最适生境，独一味可集中成片分布形成优势建群种，表现出侵占性、爆发性和集合性种群特征；与伴生植物相比，独一味在群落植物中种子较大，通过扩散到达适宜生境或空斑，利用其竞争能力成为群落的优势种；成株能够很好地适应采收胁迫，采收地上部位后第2年地下部分多个根茎芽萌发，分枝在地面呈簇生状态，多数不开花。

干旱条件下，独一味通过改变地上地下生物量配比，增加根横切面导管数和木质部面积来提高水分输送效率，增大栅海比、减小叶片厚度减少水分散失，增强自身抗氧化系统和渗透调节系统活力，积累地下部分次生代谢产物来抵抗干旱所造成的损伤；独一味可通过调节自身酶系统来适应低温条件，同时与独一味为二倍体植物更能适应高寒环境相关；不同退化草地下，独一味适应机制同抗旱性机制相似，独一味通过生产更多叶绿素来满足自身需要，随退化程度加深，根系分泌物呈现抑制作用，总碳、总氮含量随退化程度增加而降低。鉴于此，表明独一味已经对高寒草地胁迫形成了良好的形态和生理适应。基于独一味在高原逆境的适应性，为促进独一味野生资源保护及可持续利用，笔者建议开展以下工作：

（1）研究独一味抗逆性遗传基因并培育新品种：目前研究仅开展常规生理生化指标检测及植株表观形态观测，对寒冷、干旱等多种逆境的基因表达调控和分子生物学研究尚为空白。随着分子生物学、基因工程的发展，有必要建立稳定高效的植物遗传转化体系，筛选优良的抗逆基因，培育出更具适应性和抗逆性独一味品种，为其栽培产业发展提供基础。

（2）探寻独一味适宜栽培模式：独一味作为一级濒危藏药，产业需求量大，栽培技术文献报道颇多，但未见成熟栽培基地。笔者认为，困扰独一味产业发展的问题是其栽培成本，目前独一味药材价格浮动在每公斤15-22元，若在其原产地建设大田既不符合环保要求，栽培管理成本也极为高昂。因此，应依托独一味抗逆特点，探索一套适合青藏高原牧区生产力条件与环保要求的栽培模式。一方面，通过集约化育苗提高独一味成苗率和壮苗率，模拟逆境环境提高种苗抗性，为产业发展提供稳定种苗供应；另一方面，探索药牧结合的生态种植关键技术，笔者认为重度退化草地可作为独一味仿野生栽培或野生抚育地，通过种苗移栽、适度放牧胁迫和可持续采收等措施提高独一味种群密度和群落优势地位，提高单位面积产量，促进重度退化草地生态恢复，提高草地经济价值，以期实现生态保护与经济效益双赢。