盐碱地特色中药农业新理念思考与实践

孙良丹

(华北理工大学 医学部,河北 唐山 063210)

引言

2023年5月习近平总书记在河北考察时强调,“开展盐碱地综合利用,是一个战略问题,必须摆上重要位置。要发挥科技创新的关键作用,做好盐碱地特色农业这篇大文章”,“要坚持人民至上、生命至上,研发生产更多适合中国人生命基因传承和身体素质特点的‘中国药’,特别是要加强中医药传承创新发展”。2023年12月1日习近平总书记在《求是》杂志上发表了题为《切实加强耕地保护抓好盐碱地综合改造利用》的重要文章,对盐碱地治理和利用再次作出重要指示。因此,贯彻落实总书记重要指示精神,是高校有组织科研面向“盐碱地综合利用”和“中医药创新发展”重大产业需求的积极响应。

基于对盐碱地治理和中药研发的双重思考,作者在国内外首次提出了“盐碱地特色中药农业”新理念,搭建了“盐碱地生态改良耐盐碱中药材种植有效成分识别与提取耐盐碱中药材药效鉴定、高值化应用靶向炎症与免疫疾病干预策略”双向研究模式。即通过盐碱地改良途径种植中药,进行靶向炎症和免疫疾病干预靶点的有效成分识别与筛选,进而推动药食同源新产品的产业化升级;反过来以炎症和免疫疾病防治为目标,通过对耐盐碱中药材有效成分地识别、高效提取,进一步指导耐盐碱中药材种植,形成双向盐碱地综合利用创新科技研发范式。

1 “以种适地”和“以地适种”相结合是解决盐碱地综合利用的重要举措

1.1 盐碱地综合利用现状与难题

盐碱地治理利用是全球性难题。据联合国教科文组织和联合国粮农组织不完全统计,世界盐碱地面积约为9.54亿公顷,并以每年100～150万公顷的速度增长,严重制约农业生产和生态经济发展[1]。我国作为世界第三大盐碱地分布地区,盐碱地主要分布在我国的东北、华北、西北以及东部沿海地区,面积约为9 913万公顷。其中河北省盐碱耕地总面积为78万公顷,占河北省总耕地面积的10.4%,对作物生长与土壤生态具备一定的潜在威胁[2]。开展盐碱地综合改造利用,充分挖掘盐碱地开发利用潜力,将有助于充分提高盐碱地的种植收益与生态效益。盐碱地治理措施主要包括物理改良、化学改良、生物改良三种,其中物理改良通过改变耕层土壤物理结构、降低蒸散量、增加深层渗漏量来调节土壤水盐运动,如强化水利工程沥盐排盐、高标准农田建设综合治盐,具有覆盖面广、操作性强等优点,但是存在治理成本高、水资源制约严重、工程大等缺点;化学改良则通过添加不同化学物质改良土壤,具有见效快、可选化学物质多、配方灵活等优点,但是具有改良后盐碱地稳定性差、持续时间短、效果单一等缺点,同时还有可能发生二次污染。而生物改良则是通过种植不同耐盐植物进行土壤改良,具有绿色环保的优点,但高耐盐新品种育种仍然是提升盐碱地生产能力的重要限制因素[3]。

在盐碱地改良利用过程中,耐盐碱作物品种开发推广与精深加工主要集中于粮食作物、饲料粮与林果蔬菜种植3个方面。在粮食作物的种植优化研究方面,有学者开展浅层轻度咸水冬小麦农田灌溉试验,分析咸水灌溉对冬小麦产量和土壤盐分含量变化的影响,为河北滨海盐碱地咸水资源安全利用、土壤健康和粮食安全提供科学依据[4]。在饲料粮品种选择方面,有学者研究不同苜蓿品种在河北滨海盐碱区的光合性能及产量性状的变化差异,验证了苜蓿营养品质对秋眠型和刈割茬次及其交互作用的响应关系[5-6]。在林果蔬菜种植品种培育方面,开发了海兴碱梨、秋雪蜜桃、南齐茴香、茶棚甜瓜、碱地西瓜等不同品种,进一步推动资源整合、信息共享、联合创新,不断提升精细化加工[7]。

坚持生态和生产、治理和利用、短期与长期相结合,坚持“以种适地”和“以地适种”相结合,坚持治水、改土、改种协调推进,分区分类分析盐碱地开发潜力和支撑条件,与高标准农田建设相衔接,以现有盐碱耕地改造提升为重点,统筹推进耕地后备资源开发利用,强化科研支撑条件,强化多途径利用,大力发展盐碱地特色农业,是以盐碱地综合开发和可持续利用为目标的中国举措[8]。而“以种适地”的关键在于突破盐碱地生物育种核心问题,由主要治理盐碱地适应作物向更多选育耐盐碱植物适应盐碱地转变,加快选育耐盐碱特色品种,加强适宜盐碱地作物品种开发推广,坚持“宜耕则耕、宜林则林、宜草则草”,有效拓展适宜作物播种面积,积极发展深加工[9]。总之,盐碱地综合治理的关键“卡脖子”问题在于缺乏突破性耐盐碱和综合性状优良品种[10]。

1.2 盐碱地改良与耐盐碱作物培育经验总结

“以地适种”主要从“改土”入手,即通过各种改良措施降低土壤盐碱含量;“以种适地”主要从“改种”入手,即通过各种手段选育耐盐碱的农作物。作者及其华北理工大学研究团队从“改土”和“育种”两方面着手,在滨海盐碱地改良方面进行了诸多研究,形成了具有独立自主知识产权的原位精准盐碱地改良”技术。腐植酸能够和其他辅助剂的钙、铁离子结合,促进地表20～30 cm的细颗粒土壤形成大颗粒团粒结构,降低了细颗粒土壤的毛细现象,大大改善了蒸发水分携带盐分到地表面和逐渐积聚形成的盐渍化;同时,腐植酸能吸附土壤中可溶性盐,降低土壤电导率,减少土壤中游离的盐分,从而降低土壤盐浓度,让作物免受盐渍化的侵害。而利用石墨烯巨大的比表面积、良好的吸附性能、优良的电子传输等性能,建立腐植酸基石墨烯生态改良剂,能够改善土壤的物理(土壤孔隙度、体积密度和持水量)、化学(pH、电导率、营养元素)和生物(微生物量和矿化或降解程度)参数,对作物的养分吸收、生理作用以及防御机制具有积极地影响;既能对不同土壤的田间水容量、空气容量、渗透性和孔隙度产生积极地影响,又可以通过增加植物生长所需的矿质营养来提高土壤肥力;腐植酸还是促进种子萌发和植物生长的刺激剂,对植物的养分吸收和营养元素的运输起到积极的作用,也对植物的根系构型和周边土壤环境改善产生积极地影响,提高植物对逆境胁迫的耐受性[11]。在耐盐碱药用植物培育方面,通过药用植物对盐胁迫的形态和生理的响应规律研究,基于由愈伤组织盐胁迫诱导技术、诱变加盐胁迫筛选技术、杂交育种以及分子辅助鉴定相结合构成的盐胁迫定向诱导和筛选技术,实现了中药材耐盐、优质育种效率地提升[12],并对选育的碱地蒲公英新品种进行了有效成分分析和中药质量标准的评价工作[13]。

2 耐盐碱-高药效协同机制研究是解决盐碱地生物育种核心问题的关键

2.1 环境胁迫促进道地中药形成的机制是解析耐盐碱-高药效协同机制的基础

“以种适地”和“以地适种”相结合,有助于拓宽冀地盐碱地综合利用的途径,进一步提升中医药的经济与生态效益。从生理上看,盐胁迫对植物的生长和繁衍的影响主要是由渗透胁迫和离子伤害造成的,植物的耐盐碱性主要是通过合成渗透调节物质、提高抗氧化酶活性、对离子的选择性吸收及pH平衡和诱导抗盐碱相关基因表达来实现的。已有研究显示,黄芪等耐盐碱中药在应对逆境时会发生一系列生理变化,不仅能使植物更好地适应生长环境,还可促进次生代谢物的合成与积累,增加药材的药效活性成分[14-16]。同样,耐盐碱植物常具有改良土壤的能力,能够通过吸收土壤中的盐分和其他有害物质,减少土壤中的盐碱浓度,改善土壤的理化性质和结构。这一过程有助于提高土壤的肥力,增加土壤的有机质含量,从而提供更适宜于作物生长的土壤环境,不仅有助于提高作物的产量和质量,还对土地的可持续利用和生态平衡产生积极影响[17-19]。

针对中药资源,研究表明仅有少数品种能够在盐碱地存活并发挥药用价值,如枸杞、滨藜、罗布麻、北沙参等中药[20-23],其能够减少土壤中的盐碱浓度以改善土壤质量,还可促进次生代谢物的产生来增加药材的药效活性成分。中药(或药用植物)种植受产地天气、地理和自然条件影响极大,对生长环境要求极高。在生长发育过程中,受光照、温度、水分、土壤理化性质、微量元素含量、微生物、病虫害、食草动物和人工干扰的影响较多,所以中药资源具有周期长、药效差异大、活性成分未知等特点[24]。另外,中药材从野生转为栽培是导致药材质量下降的主要原因,由于次生代谢产物的生态作用与药材活性成分药理作用的生物学本质是一致的。因此,在逆境胁迫状态下次生代谢产物具有较高的药理活性,药材质量最佳,即环境胁迫促进了道地中药的形成[25,26]。然而,环境胁迫促进道地中药的形成机制不明,即耐盐碱相关信号与药效合成途径关键通路信号互作机制不明。

2.2 华北理工大学植物基因组学平台建设搭建了中药高药效合成途径研究平台

测序技术的升级迭代促进了植物生长发育调控以及响应环境胁迫的表观遗传学研究,基因组尺度的表观修饰动态变化研究和特定因子介导的时空特异性表观修饰研究,在作物起源驯化、种质创新、育种改良研究中起到了重要的推动作用[27]。通过转录组测序对差异基因的挖掘,能够筛选出核心调控网络和关键候选基因;通过代谢组学研究,将候选基因与表型进行关联;通过酶表征数据,对酶基因的性质进行确认。然后,利用结构生物学对获得的酶进行改造,再应用合成生物学的方法,将生物合成途径和关键酶整合到工程菌底盘中,从而异源高效生产各种目标天然产物。这一系列的研究方法,已经成为药物植物天然产物的生物合成研究的通用策略[28,29]。

作者研究团队在作物基因组学、生物信息学、组学数据库搭建方面取得了一系列原创性成果[30],在国际上首次成功破译多种作物的高质量基因组信息,并率先完成了流苏马兜铃、乳香、雪胆基因组测序,积累了丰富的植物基因组结构与功能研究经验,并搭建了世界上第一个用于存储和分析药用植物基因组的综合数据库网站,储存有160种药用植物和对应的195个不同版本的基因组和相关的255种中草药信息[31],不仅为药用植物基因组结构和功能研究提供了分析平台,对药用植物资源的开发也具有重要的现实意义和实用价值。前期筛选了酸枣、连翘、艾草、紫苏、祁木香、菊花、决明子、黄芩等40多个品种进行盐碱地种植,发现黄芩、知母、射干、板蓝根、苦参等中药材品种适宜盐碱地环境,并根据中药材种植农艺学性状、产量等指标建立了盐碱地中药材评价体系;对盐碱地不同土层的盐碱度、pH值、营养成分和土壤微生物进行了测定,为开展盐碱地中药材种植与推广提供了基础性数据。

3 靶向炎症与免疫疾病的干预策略为解析药用植物有效成分提供了新的思路

炎症免疫性疾病是一组可引起多器官、多系统损害的慢性炎症疾病,其特点是具有共同的炎症机制和免疫失调,其具体病因和发病机制尚未明确,与遗传易感性和环境因素有关。这类发病率高、伴发疾病多、经济负担重、迁延不愈的疾病,是影响全世界乃至我国人民正常生活并造成重大负担的疾病之一。因此,对此类疾病相关靶点药物的开发一直是新药研发的一个热点领域。作者前期通过群体遗传学研究、全基因组芯片研究、人类白细胞抗原(human leukocyte antigen, HLA)区域高通量测序以及跨种族大样本量Meta分析等,解析疾病基因组变异图谱,发现银屑病、特应性皮炎、白癜风、系统性红斑狼疮等40 多种疑难重症的 300多个易感基因及诊断靶点,构建中国人群蛋白截断变异图谱和结构变异图谱;构建中国人群HLA 全区域精准变异图谱;靶向炎症与免疫疾病发现了一批疾病风险预测、疾病预警遗传标记和新药研发、临床干预的潜在靶点,为推动相关疾病基础研究转化临床应用提供依据[32,33]。

中药具有天然调节炎症和免疫系统作用机制。以十大冀药(酸枣仁、连翘、金银花、苦杏仁、黄芩、柴胡、天花粉、山楂、苍术、知母)、八大祁药(祁菊花、祁山药、祁紫菀、祁沙参、祁薏米、祁芥穗、祁白芷和祁花粉)为例,酸枣仁提取物能够通过调节T淋巴细胞亚群平衡,抑制血清肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素(Interleukin-1β,IL-1β)、IL-2和IL-6炎症因子释放,改善免疫功能,从而缓解睡眠剥夺引起的焦虑行为[34]。连翘及其主要活性成分通过作用于免疫器官脾脏和胸腺,T、B淋巴细胞、自然杀伤(Natural Killer cell, NK)细胞、巨噬细胞等,缓解机体炎性反应,维持免疫系统的稳定性[35]。金银花-连翘药通过对核受体的活性、转录因子活性、细胞因子受体结合、细胞因子生物功能等通过多靶点、多通路干预银屑病进展[36]。苦杏仁苷对卵白蛋白诱导的哮喘小鼠辅助性T1细胞(HelperTcell 1, Th1)/Th2免疫失衡具有调节作用[37]。黄芩素可通过阻断转化生长银子(Transform growth factor-β1, TGF-β1)/结缔组织生长因子(Connective tissue growth factor, CTGF)信号通路,减轻小鼠皮损组织炎症反应、抑制皮损组织血管新生,进而改善银屑病样皮损[38]。柴胡、天花粉及其方剂在临床银屑病治疗方面具有突出效应[39, 40]。仓术提取物能够有效抑制TNF-α诱导的人角质形成细胞增殖,可能具有潜在的治疗银屑病的作用[41]。知母对咪喹莫特诱导的银屑病模型小鼠的治疗作用与细胞凋亡有关[42]。多组学联合分析或数据挖掘方法也提示,酸枣仁、山楂也是临床用于各种类型银屑病的重要组成药剂之一[43,44]。菊花、沙参、白芷也被证实在临床上有助于银屑病的治疗。盐胁迫研究也显示,连翘[46]、金银花[47]、黄芩[48]、柴胡[49]、仓术[50]、知母[51]、菊花[52]、紫菀[53]、沙参[54]等冀产药材具备一定的耐盐碱潜力,盐胁迫能够促进其生理特性的改变,促进其次生代谢产物的生成,同时对低浓度盐胁迫具有一定的耐受性和适应性,适用于轻、中度盐土区绿化或植被恢复用途。

虽然对“十大冀药、八大祁药”为代表的冀产药材抗盐胁迫的种植研究取得了一定的进展,但是仍存在优势品种不明确、互作机制不清晰、种植技术不规范等制约因素,亟需进一步深入探讨和研究。同时, “十大冀药、八大祁药”为代表的冀产药材多数在临床和动物实验中显示出调节免疫功能的作用,但是其治疗炎症和免疫疾病的有效成分和有效靶点仍未所知,作用机制探讨不够深入,中药复方、中药单体作用机制和靶向不明,严重的制约了中药制剂的进一步创新与发展。因此,融合冀产中药的道地属性与其耐盐碱特性,综合开发耐盐碱冀产中药的优势品种,深入挖掘其药用属性与生态属性的响应因素,将有助于进一步提升耐盐碱冀产中药的综合开发与应用价值。

4 结论

基于“由治理盐碱地向盐碱地综合利用转变,由传统农业向现代中医药农业转变”的思路,作者将二者相融合,创新性提出“盐碱地特色中药农业”理念:

(1)通过耐盐碱中药材推广种植,利用其富含次级代谢物的优点协助盐碱地改良,形成抗逆、优质、高产、高效的现代生态健康中药种植,研究“植物-土壤”交互作用机制,为盐碱地综合利用提供新的思路,将种植中药材的良田置换出来,为国家保三大主粮耕地的战略决策提供支持。

(2)通过药用植物对盐胁迫的形态和生理的响应规律研究,构建盐胁迫定向诱导和筛选技术,提升药用植物(中药)耐盐、优质育种效率,筛选耐盐碱的优质药用植物(中药)品种,构建药用植物(中药)耐盐碱基因和其有效成分共表达调控网络,搭建基因组学数据资源共享及分析平台,为耐盐碱中药材培植提供丰富的数据和基因资源注释信息。

(3)通过方便、快捷、性价比高的生态种植集成关键技术,构建中药植物栽培技术体系;实时、无损、可现场部署遥感技术和无损检测技术,构建盐碱地改良监测、预警和评估体系;共享、精确、高通量的基因组测序技术,靶向分析药用植物(中药)耐盐碱基因和有效成分合成途径;精准、科学、特定靶向的体内外药效鉴定技术,研发炎症和免疫疾病干预新靶点,向上游指导耐盐碱中药材的筛选和种植,推动“中医药+产业”;向下游以研发功能食品和药食同源新产品为目标,形成滨海地区特色盐碱地耐盐碱中药植物精深加工和高值化利用产业,对于增加农民收入,巩固脱贫攻坚,实现乡村振兴具有重要的科学意义和经济价值。