药用植物化感自毒作用及消减措施△

施梦馨，刘莹，官会林，王豪吉，徐武美

云南师范大学 高原特色中药材种植土壤质量演变退化与修复云南省野外科学观测研究站，云南 昆明 650500

中药材及其种养殖业是我国中医药产业健康发展的物质基础[1-2]。药用植物是中药材的主要组成部分，指全部或部分可以直接用作药物或提取药物的植物，是具有治疗特性的生物活性化合物的储存库[3-4]，被视为发现和开发新药物、新疗法的重要自然资源[5]。据估计，全世界约80%的发展中国家人口将植物作为民间药物的来源，以满足其初级保健需求[6]。我国药用植物资源丰富，包括藻类、菌类、地衣类、苔藓类、蕨类及种子植物类等植物类群，涉及约383科2309属11 146种（含亚种、变种），约占中药资源总数的87%[7]，临床常用植物药材有700余种[8]。

当前，野生中药材已不能满足国内外市场需求，人工栽培是解决药用植物供需矛盾的主要途径。2009—2018年，我国中药材种植面积由118.10万hm2增长到341.33 万hm2，年均增长12.52%[9]。然而，药用植物种植业的发展受到连作障碍的严重影响，而化感自毒作用是引起药用植物连作障碍与减产的重要原因[10]。

植物（供体）通过挥发、雨雾淋溶、根系分泌及残茬降解等途径向外界环境释放的次生代谢产物称为化感物质，其影响邻近或下茬同种或异种植物种子萌发和植株生长的现象称为化感作用，当供体和受体为同种植物时，这种作用称为化感自毒作用[11]。土壤是植物化感自毒作用的媒介，植物释放的化感物质在土壤中通过一系列的滞留、转化、迁移等途径逐渐富集，并维持一定的浓度和活性，进而产生化感自毒效应及连作障碍现象[12]。

化感自毒作用在自然界中广泛存在，在蔬菜、药用植物和其他多年生木本植物栽培过程中较为常见[13]；在人工农林复合系统中，化感自毒作用会导致种群退化和更新失败[14]，在生态学研究中也称为负密度制约[15]。化感物质通常是植物次生代谢产物或植物主要代谢途径的副产物，主要由乙酸途径和莽草酸途径产生[16]，可在植物叶、茎、根、种子等部位合成[17]。药用植物常含有大量次生代谢产物，如黄酮、蒽醌、生物碱、萜类、酚酸类等，既具有一定的化感作用，又是植物发挥药效的物质基础，因此，药用植物的化感自毒物质与其有效成分之间有很大的同源性[18]。

1 药用植物化感自毒作用

化感物质进入土壤，会引起土壤理化性质、酶活性与微生物群落的变化，且随着种植年限的延长，土壤积累的化感物质增加，严重影响植物的生长发育[19]。药用植物化感物质包括酚酸类、萜类、生物碱类、有机酸、黄酮类等[20-23]，其中酚酸类和萜类物质较为常见。

研究发现，土壤中酚酸类物质的积累可能是药用植物化感自毒作用的主要成因[24-25]，如苯甲酸等酚酸类化合物对人参Panax ginsengC.A.Meyer、枸杞Lycium barbarumL.种子萌发具有抑制作用[24-26]。焦晓林等[27]在土壤基质中添加皂苷提取物，发现西洋参Panax quinquefoliumL.胚芽生长受皂苷提取物浓度影响，表现为低浓度促进、高浓度抑制。Cui等[28]研究发现，2,4-二叔丁基酚会影响土壤酶活性和微生物群落结构，抑制兰州百合Lilium davidiivar.unicolorSalisb.的正常生长。卢红等[11]研究发现，广藿香Pogostemon cablin（Blanco）Benth.根、茎、叶水提液中的苯甲酸、原儿茶酸、阿魏酸等酚酸类物质对广藿香幼苗具有化感自毒作用，且具有浓度效应，其中叶水提液的自毒作用较显著。

植物体内的萜类物质主要经甲羟戊酸（MVA）途径和2-甲基赤藓糖醇-4-磷酸（MEP）途径合成[16]。三萜皂苷是人参、西洋参根系分泌物中的主要化感物质，是含有多组分的代谢产物[29]。张金燕等[30]向三七Panax notoginseng（Burk.）F.H.Chen 水培液中添加不同浓度的三七须根粉碎物，随处理时间和浓度的增加，三七根细胞开始皱缩甚至破碎，细胞结构被破坏。周艳等[31]研究发现，皂苷类物质对三七的苗高和主根长具有抑制作用，同时三七总皂苷会导致幼苗超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性降低，对三七幼苗产生化感抑制作用。Ren等[32]研究表明，三萜皂苷通过抑制根的伸长影响甘草Glycyrrhhiza uralensisFisch.幼苗的生长。

2 化感物质对药用植物生长发育的影响

2.1 影响光合作用

光合作用是植物生长和代谢活动的基础，易受化感自毒作用影响[33]。叶绿素是植物光合作用的重要物质基础，氮、镁、铁等元素是叶绿素的重要组成成分，然而化感自毒作用通过影响植物对矿质元素的吸收抑制叶绿素合成[33-34]。例如，苯甲酸等酚酸类物质可降低广藿香叶片总叶绿素含量、抑制幼苗光合作用，从而影响作物生长[11]。香豆酸与丁香酸可抑制地黄Rehmannia glutinosaLibosch 光合作用，影响其地上部的生长[35]。郁继华等[36]研究发现，化感物质会降低植株光系统Ⅱ（PSⅡ）的最大光化学效率和非循环电子传递量子效率。因此，化感物质可通过抑制叶绿素的合成及光电子传递影响植株的光合作用及生长。

2.2 影响水和矿质元素吸收

化感自毒物质在土壤中不断积累，通过影响植物根系生长抑制植物根系对营养元素和水分的吸收与利用[37-38]。化感物质引起的生长素积累可导致植物根系生长缺陷[39-40]。例如，胡麻Linum usitatissimumL.残茬水提液可抑制自身根系的生长，并抑制根系对矿质元素与水分的吸收。植物根系分泌的有机酸等化感物质会释放出H+，导致土壤酸化，抑制三七根系对钙、镁、磷等营养元素的吸收，从而影响三七生长[41]。同时，化感物质可经细胞膜上的靶位点将胁迫信号传递到细胞内，破坏细胞膜，进而影响植物对离子和水分的吸收[16]。因此，化感物质可抑制植物根系生长，进而影响其对水分和矿质元素的吸收利用。

2.3 影响细胞膜结构

活性氧（ROS）是植物在多种生物和非生物胁迫下产生的副产物[42]，可导致细胞膜产生氧化损伤。化感物质可导致ROS 过量产生，诱导氧化损伤产生自毒作用[43]。研究发现，根系分泌的化感物质会引发脂质过氧化的增加，导致ROS 在根系中广泛积累[44]。研究表明，保持SOD、过氧化氢酶（CAT）、POD 活性的平衡，有利于维持植株体内的氧化还原稳态[45]；然而，化感自毒物质通过改变植物体内SOD、POD 等抗氧化酶的活性引发氧化胁迫[46]。化感物质可影响兰州百合抗氧化酶活性，破坏细胞结构和功能，从而抑制自身生长[47]。何银生等[48]研究发现，川党参Codonopsis tangshenOliv.连作根围土浸提液能够显著降低其幼苗体内SOD 和POD 活性，并且对川党参幼苗体内抗氧化酶活性的抑制作用随浸提液浓度增加而增强。谢敏等[49]研究发现，党参Codonopsis pilosula（Franch.）Nannf.根际土中化感物质codonopilate A 会引起其根尖细胞中ROS 积累，导致党参根的生长受到抑制。此外，用蒙古黄 芪Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge.var.mongholicus（Bge.）Hsiao 根系分泌物处理其幼苗后，体内的SOD、POD 及CAT 活性均降低，ROS动态失衡，细胞膜结构损伤[50]。任凤英等[51]研究了党参根系水浸液对不同作物的化感作用，发现党参根系水浸液对当归Angelica sinensis（Oliv.）Diels、党参及黄芪幼苗的SOD、POD 活性均有抑制作用，幼苗体内丙二醛（MDA）含量增加，且党参繁殖期根系水浸液化感自毒作用最强。因此，化感自毒物质会影响抗氧化酶活性，改变药用植物体内ROS 平衡，导致MDA、ROS含量增加，细胞膜结构因过氧化而被破坏，植株生长受到抑制。

3 化感物质对土壤环境的影响

3.1 影响酶活性

化感物质可通过影响土壤环境影响植物生长。土壤酶活性反映了土壤酶催化物质转化的能力，对土壤中物质能量代谢、土壤质量具有重要指示作用[52-54]。Wang 等[55]研究发现，化感物质会抑制土壤中脲酶的活性，限制尿素水解为CO2和NH3，产生对地黄幼苗有毒害作用的亚硝酸盐和氨。曹诗佳等[56]研究了不同浓度对羟基苯甲酸对广藿香根际土壤酶活性的影响，发现对羟基苯甲酸对广藿香根际土壤酶活性具有抑制作用，且随着对羟基苯甲酸浓度升高，土壤多酚氧化酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等活性均降低，抑制了土壤中氮、磷养分的转化，不利于广藿香生长。因此，化感物质会通过影响土壤酶的活性，影响土壤中氮、磷等养分循环，从而抑制药用植物的正常生长。

3.2 影响土壤微生物区系

化感物质会直接影响植物自身的生长发育，也会通过改变土壤微生物群落，间接影响植物生长。黄炜[57]研究发现，2,4-二叔丁基苯酚通过改变植物根际栽培介质酶活性，导致植株根际微环境恶化，加重兰州百合的病害发生率，从而抑制植株生长。地黄根系渗出液能够明显降低土壤微生物多样性，并导致微生物群落结构失调[55]。此外，研究表明人参皂苷会促使土壤中尖孢镰刀菌相对丰度增加，加重土传病害的发生[58]。三七不断向土壤中释放酚酸类化感物质，随着三七连作时间延长，土壤pH降低，微生物群落由“细菌主导型”转变为“真菌主导型”[59]。太子参Pseudostellaria heterophylla（Miq.）Pax ex Pax et Hoffm.根系分泌的酚酸对致病尖孢镰刀菌菌丝的生长，以及孢子的产生和萌发具有促进作用[60]。因此，化感物质对微生物群落结构具有重要影响，可使土壤中有益微生物数量逐渐减少，病原菌数量逐渐增加，加重土传病害发生，抑制药用植物生长（表1）。

表1 典型药用植物化感物质和自毒作用

4 药用植物化感自毒作用的消减措施

4.1 选育优良栽培品种

选育对化感自毒作用有较强抵抗能力且活性成分含量较高的品种，是消减药用植物化感自毒作用的重要措施。兰州百合和湖北百合等野生种对病原镰刀菌有较好的抗性，对化感自毒作用有较强的抵抗能力[71]。Yeasmin 等[72]研究发现，欧洲芦笋Asparagus officinalisL.品种UC157 较美国芦笋品种Gijnlim 的化感自毒作用小。因此，筛选抗性品种可有效缓解药用植物化感自毒作用，减少化学农药施用量，提高药用植物的产量和品质。

4.2 合理施用有机类肥料

有机肥是我国传统农业的主要肥料，可有效改善土壤生态系统，维持生态平衡[73]。有机肥富含多种营养元素，能起到培肥保墒的作用，适用于各种作物[74]。同时，施加有机肥能增加土壤微生物多样性、改善微生物群落结构、提高土壤酶的活性、降低病原菌数量，从而改善土壤环境[75]。李俊华[76]研究发现，施用微生物有机肥能有效调节土壤微生物区系、抑制化感自毒作用，从而改善土壤环境，促进棉花Gossypium herbaceumL.根系的生长和产量的提高。周武等[77]研究表明，施用有机肥能减少苯甲酸等化感物质的分泌，从而抑制药用植物三叶青Tetrastigma hemsleyanumDiels et Gilg 的化感自毒作用，提高其产量和品质。药用植物种植过程中，由于其对不同营养元素的吸收利用存在差异，导致土壤养分失衡[78]。因此，合理施用有机肥能及时补充多种矿质元素，维持土壤养分平衡，有效缓解化感自毒作用导致的药用植物减产。

生物炭作为新型土壤改良材料，具有改善土壤理化性质、增加土壤养分含量、提高土壤酶活性、吸附化感物质、调节微生物群落等作用[79]。施用生物炭能促进药用植物叶绿素的合成，有利于植物进行光合作用[80]。杨莉等[81]研究发现，利用稻壳、椰壳及玉米秸秆制成的生物炭提高了土壤pH，增加了土壤养分含量和酶活性，促进了连作人参幼苗的生长。施用烟秆炭可有效降低三七连作土壤化感物质含量，显著提高连作三七存活率[82]。Saha 等[83]研究表明，施用生物炭能增加穿心莲Andrographis paniculata（Burm.f.）Nees 活性成分总酚、黄酮的含量。此外，施用生物炭可有效吸附西洋参根系分泌物，减轻根腐病害[84]。因此，生物炭是良好的土壤改良材料，能有效吸附化感物质，促进其在土壤中的分解转化，从而缓解化感自毒作用对药用植物生长的不利影响。

4.3 建立合理的耕作制度

合理的耕作制度可有效改善土壤理化性质、增加微生物多样性、提高作物产量和品质[85]。王悦等[86]研究发现，轮作和套作可在一定程度上提高丹参Salvia miltiorrhizaBge 根际土壤微生物多样性，调节土壤微生物群落组成，促进丹参植株生长。此外，无花果Ficus caricaL.与薄荷Mentha haplocalyxBriq.套作可提高薄荷种子萌发率，促进化感物质分解与薄荷生长[87]。赵雅萌[64]研究发现，黄花蒿Artemisia annuaL.与三七套作能抑制尖孢镰刀菌在土壤中的繁殖，有效缓解三七根腐病害。刘贤文等[88]研究表明，马铃薯Solanum tuberosumL.与玉米Zea maysL.轮作能有效减少土壤中化感物质的含量，缓解化感物质对土壤微生物的胁迫，提高土壤细菌多样性。洋葱Allium cepaL.与孜然Cuminum cyminumL.间作，可降低土壤中化感物质阿魏酸、香草酸、对羟基苯甲酸的含量[89]。因此，合理的耕作制度可改善土壤环境，消减药用植物化感自毒作用。

5 总结

化感作用已成为植物化学生态学领域的研究热点，当前针对粮食作物和部分经济作物的研究较多，而针对药用植物的研究相对较少。上述研究表明，大多数药用植物均存在化感自毒作用，已严重影响到中药材种植业的可持续发展。当前，针对药用植物的自毒作用以理论研究为主，应用研究相对较少。通过筛选抗性品种、改良作物种植土壤、施用生物炭等有机物料与微生物制剂、作物间套作等，可有效缓解药用植物自毒问题。未来研究需进一步阐明化感物质在土壤中的积累及转化机制、揭示化感物质对病原微生物与药用植物的影响机制、因地制宜研发多种药用植物自毒作用消减技术，促进我国中药材种植业可持续发展。