雌雄異株藥用植物性別調(diào)控方法研究進(jìn)展

辛 杰， 張榮超， 張永清

(山東中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250355)

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雌雄異株藥用植物性別調(diào)控方法研究進(jìn)展

辛 杰， 張榮超， 張永清*

(山東中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250355)

雌雄異株藥用植株由于性別差異，雌雄株分別具有不同的藥用價值和經(jīng)濟(jì)價值，因此，雌雄異株藥用植株早期性別調(diào)控顯得尤為重要。為滿足不同性別植株種植要求，快速選擇適宜雌雄異株藥用植物性別調(diào)控的方法，從營養(yǎng)繁殖與組織培養(yǎng)、噴施植物生長調(diào)節(jié)劑、調(diào)節(jié)內(nèi)源化學(xué)成分、環(huán)境因子誘導(dǎo)(溫度、光照、養(yǎng)分)及其他等方面，對主要雌雄異株藥用植物性別調(diào)控方法及研究進(jìn)展歸納總結(jié)，展望雌雄異株藥用植株性別調(diào)控的前景。

雌雄異株； 藥用植物； 性別調(diào)控

雌雄異株指在具有單性花的種子植物中，雌花與雄花分別生長在不同的株體上，僅有雌花的植株稱為雌株，僅有雄花的稱為雄株。我國藥用植株資源豐富，銀杏、杜仲、番木瓜、天花粉等常用中藥均來自于雌雄異株植物。不同性別藥用植株具有不同的經(jīng)濟(jì)價值，以種子果實為收獲對象，需要大量的雌株，以根及根莖、莖葉為收獲對象需要大量的雄株。植物性別形成與動物性別分化不同，動物性別在胚胎時期已由性染色體決定，而植物的性別要在生長、分化和發(fā)育成熟后的某個階段才能確定，其性別表達(dá)可能受到激素和環(huán)境因子等的影響[1]。鑒于藥用植物性別形成的復(fù)雜性及生產(chǎn)中藥用植物性別選擇的傾向性，越來越多的研究集中到藥用植物性別調(diào)控上。為滿足雌雄異株藥用植物不同的種植需求，筆者從營養(yǎng)繁殖與組織培養(yǎng)、噴施植物生長調(diào)節(jié)劑、調(diào)節(jié)內(nèi)源化學(xué)成分、環(huán)境因子誘導(dǎo)(溫度、光照、養(yǎng)分)及其他等方面，對主要雌雄異株藥用植物性別調(diào)控方法及其研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，對各方法存在的缺點進(jìn)行歸納，展望雌雄異株藥用植物性別調(diào)控的前景，以期為雌雄異株藥用植物進(jìn)行性別調(diào)控提供理論及技術(shù)支撐。

1 營養(yǎng)繁殖與組織培養(yǎng)

營養(yǎng)繁殖是植物繁殖方式的一種，不通過有性途徑，而是利用營養(yǎng)器官根、葉、莖等繁殖后代。營養(yǎng)繁殖能夠保持某些栽培植物的優(yōu)良特征，且繁殖速度較快。組織培養(yǎng)是指利用無菌操作培養(yǎng)植物的離體器官、組織或細(xì)胞，使其在人工控制條件下進(jìn)行生長和發(fā)育。采用已鑒定為雌株、雄株或兩性株的優(yōu)良品種，利用植物細(xì)胞或組織進(jìn)行大規(guī)模組織培養(yǎng)，最終可批量獲得性狀優(yōu)良的藥用植物體。兩種技術(shù)均能完整地保留母本的所有遺傳信息，其中營養(yǎng)繁殖作為一種簡單有效的性別調(diào)控方式，已廣泛應(yīng)用于雌雄異株藥用植物的性別調(diào)控[2]。

近幾年關(guān)于組織培養(yǎng)、營養(yǎng)繁殖研究較多，采用雌性優(yōu)良株體進(jìn)行營養(yǎng)繁殖和組織培養(yǎng)均可有效控制植物性別。時軍霞[3]、王征等[4]分別研究了杜仲枝條扦插、杜仲組織培養(yǎng)基愈傷組織植株再生體系，兩者分別使杜仲成活率達(dá)96.2%和66.7%，可有效調(diào)控雌株比例。郭曉亮[5]首次研究了栝樓雌雄植株組織培養(yǎng)差異，發(fā)現(xiàn)不同性別栝樓植株愈傷組織誘導(dǎo)和愈傷組織分化培養(yǎng)基存在差異，推測這種差異可能是由于植物本身因性別差異導(dǎo)致的內(nèi)在激素不同，從而對外源激素反應(yīng)程度不同，并分別確定了栝樓雌雄株愈傷組織培養(yǎng)基和愈傷組織分化培養(yǎng)基。錢驊[6]等通過對栝樓不同外植體的選取、消毒方法、愈傷組織誘導(dǎo)、叢生芽誘導(dǎo)、繼代和試管苗生根等相關(guān)條件研究，確定了栝樓組織快繁的技術(shù)方法，并發(fā)現(xiàn)栝樓雌株誘導(dǎo)激素和根部誘導(dǎo)激素存在差異，這與郭曉亮研究結(jié)果相一致。

2 噴施植物激素和生長調(diào)節(jié)劑

一般認(rèn)為，性別表現(xiàn)被成花物質(zhì)的形成和積累支配，激素對性別的調(diào)控主要是通過激素調(diào)控成花物質(zhì)的水平而引起性別的改變[7]。國內(nèi)外許多研究已表明，內(nèi)源激素、生長調(diào)節(jié)劑的含量和(或)比率與性別分化存在一定的聯(lián)系[8-10]。相同激素在不同植物性別分化的調(diào)控作用不盡相同，有時甚至是相反的，如赤霉素在玉米中促雌，而在黃瓜中則促雄[11-12]。

植物激素包括生長素(IAA)類、赤霉素(GA)類、細(xì)胞分裂素(CTK)類、脫落酸(ABA)和乙烯。常用的植物生長調(diào)節(jié)劑有萘乙酸(NAA)、乙烯利(CEPA)、比久(Bg)、矮壯素(CCC)。

2.1 促雌誘導(dǎo)

用100 mg/L的NAA噴施30 d齡番木瓜幼苗，間隔30 d噴施2次后發(fā)現(xiàn)，NAA對木瓜幼苗具有促雌作用。在番木瓜幼苗2葉期，采用ZR進(jìn)行性別誘導(dǎo)處理，雌花誘導(dǎo)率達(dá)90%，為對照組的3倍。也有研究報道，用100 μg/g NAA處理幼苗可以使雌株的百分率由46%提高到62%[13]。

在番木瓜苗期及營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)入生殖生長階段各噴施乙烯利，240～960 mg/L乙烯利處理可誘導(dǎo)90%的植株開出雌花。采用噴施CCC處理番木瓜的幼苗，適當(dāng)濃度的CCC處理可減少群體中雄株的百分率。20～80 mg/L的整形素對番木瓜具有促雌誘導(dǎo)作用[14]。

田硯亭等[15]用GAs(1 000 mg/L)和Ethly(1 000 mg/L)對銀杏冬芽進(jìn)行激素處理，銀杏植株在90 d苗齡期后開始性別分化，激素處理可以改變銀杏的性比。其中，赤霉素具有誘雄作用，乙烯利具有誘雌作用。

溫銀元等[16]研究發(fā)現(xiàn)：銀杏試管苗在90 d時性別已分化。赤霉素和乙烯利可改變銀杏試管苗雌雄株數(shù)的比例，且與激素的濃度有關(guān)，當(dāng)GA-3濃度為10 mg/L時，雄株的比例最大，為86.67%；乙烯利濃度為5 mg/L時，雌株比例最大，達(dá)90%。

強曉霞[17]從大麻幼苗3葉期開始進(jìn)行激素調(diào)控發(fā)現(xiàn)，6-BA具有促雌作用，濃度(30～120 mg/L)越高，促雌作用越明顯，然而其促雌作用只限于大麻幼苗早期。低濃度IAA(30 mg/L)對大麻3葉幼苗促雌作用顯著。采用15 mg/L的6-BA處理去除不定根的大麻幼苗，6-BA能促進(jìn)大麻雌株發(fā)育。房郁妍[18]采用6-BA、3AA、IAA處理大麻幼苗，均可使大麻雌株比例提高70%以上，有望在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。

劉蕓[19]等在栝樓生長發(fā)育各階段，采用高效液相色譜技術(shù)分別對雌雄植株葉片內(nèi)源激素及多胺含量進(jìn)行分析，高含量的IAA有利于栝樓的雌花發(fā)育。

2.2 促雄誘導(dǎo)

Suranant S[20]采用GA-3噴施誘導(dǎo)番木瓜幼苗，雖不能改變雄雌株的比例，但可使雄性特征出現(xiàn)早于其他兩種性型，因而可通過適時噴灑GA-3，達(dá)到早期鑒別雄株的目的。強曉霞[17]從大麻幼苗3葉期開始進(jìn)行激素調(diào)控時發(fā)現(xiàn)，GA-3具有促雄作用，隨著濃度的增加(50～200 mg/L)，促雄效果明顯，一直到大麻幼苗5葉期，GA-3的促雄作用都很明顯。于靜娟[21]等發(fā)現(xiàn)，外源玉米赤霉稀酮(ZEN)處理可提高大麻的雄株比例，同時降低性別決定關(guān)鍵時期的CTK含量。推測，可能是ZEN通過降低細(xì)胞分裂素的含量促進(jìn)大麻的雄性表達(dá)。

2.3 調(diào)節(jié)內(nèi)源化學(xué)成分

性別分化是植物生長和發(fā)育過程的重要組成部分，植物的性別表達(dá)除受植物激素調(diào)控，也可能被其他的化學(xué)成分調(diào)控。研究表明，多胺可參與植物細(xì)胞分裂、DNA凝聚及激素的調(diào)控等[22]。

栝樓雌株葉片中亞精胺(Spd)含量極顯著高于雄株；精胺(Spm)含量在營養(yǎng)生長期雄株顯著高于雌株；腐胺(Put)含量在營養(yǎng)生長期雄株顯著高于雌株，而在雌株進(jìn)入生殖生長后雌株顯著高于雄株。表明，高含量的Spd有利于栝樓雌花發(fā)育，而高含量的Put和Spm有利于雄花發(fā)育[19]。孫奇檢測不同品種番木瓜雌雄株內(nèi)Put含量變化時發(fā)現(xiàn)，在雄株現(xiàn)蕾時，雌株中的Put含量高于雄株的，并推測含量變化趨勢可能與番木瓜性別分化有關(guān)[23]。

3 環(huán)境因子誘導(dǎo)

環(huán)境因子對植物體內(nèi)激素的產(chǎn)生與代謝有一定影響。環(huán)境對激素平衡的這種影響可間接控制植物性別分化，即環(huán)境條件可通過調(diào)節(jié)植物內(nèi)源激素的代謝等來影響植物性別的分化[24]。主要包括溫度、光周期和養(yǎng)分。

3.1 溫度

有關(guān)研究表明，低溫特別是夜間低溫可促進(jìn)大麻雌花的分化，而高溫促進(jìn)雄花的分化[24]。溫度也是影響番木瓜花型的主要外界因素，在一定溫度范圍內(nèi)溫度與雄性比例呈正相關(guān)，其誘導(dǎo)變化是雌型兩性花到長圓型兩性花，再到雄型兩性花，反之又逐漸增加雌性程度[25]。

3.2 光周期

光對花的性別有很大影響，光照強度和光照長度兩方面都很重要，但一般光照長度更重要。一般來說，短日照處理誘導(dǎo)短日植物多開雌花，誘導(dǎo)長日植物多開雄花；長日照誘導(dǎo)長日植物多開雌花，誘導(dǎo)短日植物多開雄花。

強曉霞[17]從大麻3葉期開始不同光周期處理，自然日照(12 h)和短日照(8 h)處理對大麻性別調(diào)控?zé)o顯著影響，但人工長日照處理使大麻向雄性分化。辛培堯[26]研究不同真葉期的大麻在短日照處理(每天8 h自然光照、16 h黑暗)下的開花所需時間、生長狀況及性別表達(dá)的變化情況，短日照處理可促使大麻提前開花，大麻3～4對真葉期是進(jìn)行短日照處理的最佳時期；短日照處理對大麻的性別分化無顯著影響。

李廣華[27]認(rèn)為，縮短日照或延長日照，可能引起性別逆轉(zhuǎn)，在秋季到第二年春季的時間內(nèi)，尤其在12月于溫室中播種大麻，會有50%～90%的雌株逐漸出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，最后全變成雄株，這與前兩者研究結(jié)果不同。

3.3 養(yǎng)分

瓜類植物的性別分化受氮素水平的影響。在發(fā)育早期，如給予充足的氮素，可以促進(jìn)雌性化，相反，在低氮素水平下，雄花相對增加。有研究表明，同時改善氮素營養(yǎng)和水分條件可促進(jìn)生長素的合成，降低赤霉素含量[28]。Brantley[29]等發(fā)現(xiàn)，在雌雄同株的甜瓜中，如氮肥水平高，則雌花增加。給予硝酸鉀和硝酸鈣作為氮肥，同時給予長日和短日處理，結(jié)果不論在哪種日照條件下，氮源都可使雌雄花比例改變。氮肥可改變植物性別的影響在雌雄異株植物大麻中也有報道[30]。

4 其他

在植物畸形學(xué)中，關(guān)于性別逆轉(zhuǎn)和間性均有報道。已知摘心、切割、修剪、病原菌、寄生等對于性別改變均有影響。花藥黑粉菌侵染雌雄異株白剪夏羅，具有導(dǎo)致其促雌性化的作用。螨類的寄生可引起雌雄異株的柳屬性別轉(zhuǎn)化。切割天南星的球莖使其重量變小，可促進(jìn)雄性化等。木瓜雄株摘頂可促進(jìn)其開雌花[7]。除上述方法外，還可采用人工授粉的方法對相關(guān)植物進(jìn)行性別調(diào)控，如番木瓜有3個基因型，采用人工授粉進(jìn)行特定基因型選育，可大大提高后代性別比例[31]。

5 展望

目前，雌雄異株藥用植物研究主要集中在雌雄不同植株生理生化指標(biāo)的差異、早期幼苗雌雄鑒別、化學(xué)成分變化等方面[32-35]，對于藥用植物有效性別調(diào)控措施尚處于初步研究階段。營養(yǎng)繁殖雖然操作簡單，但實際大規(guī)模栽培生產(chǎn)需要大量的優(yōu)良植株組織。比如，栝樓的繁殖需要利用大量的雌性栝樓塊根，相對于種子繁殖的簡便快捷，這無疑提高了藥用植物的栽培難度和經(jīng)濟(jì)成本。植物組織培養(yǎng)要求條件高，不適于大規(guī)模育苗和生產(chǎn)。因?qū)嶋H栽培種植中環(huán)境不可調(diào)控性，環(huán)境因子調(diào)控同樣不適于大規(guī)模的育苗和生產(chǎn)。目前，激素調(diào)控因其準(zhǔn)確的調(diào)控時間及激素噴適量，廣泛應(yīng)用于藥用植物的性別調(diào)控。

總結(jié)上述各調(diào)控方法，對雌雄異株藥用植物性別調(diào)控提出建議：

1) 目前，性別調(diào)控在瓜類蔬菜苦瓜、黃瓜栽培種植上應(yīng)用較多，其研究范圍涉及內(nèi)源激素、外源激素、化學(xué)物質(zhì)及環(huán)境因子等各方面[36-40]，可借鑒其成熟方法與技術(shù)進(jìn)行雌雄異株藥用植株性別調(diào)控研究。

2) 目前雌雄異株藥用植物主要研究集中在激素作用研究，而對于其內(nèi)在的調(diào)控機理研究甚少，應(yīng)當(dāng)著重從分子水平上研究藥用植物性別分化的時空表達(dá)過程，進(jìn)一步加強分子生物學(xué)水平的性別調(diào)控機制研究。

3) 激素處理之后，對藥用植物藥效、產(chǎn)量的影響以及藥效變化可能導(dǎo)致的副作用等均尚未有研究。因此，在進(jìn)行藥用植物性別調(diào)控的同時應(yīng)當(dāng)開展藥用植物藥效價值檢測，以達(dá)到藥用價值和產(chǎn)量的雙監(jiān)控。

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(責(zé)任編輯： 孫小嵐)

Advances in Sex Regulation Progress of Dioecious Medicinal Plants

XIN Jie， ZHANG Rongchao， ZHANG Yongqing*

(CollegeofPharmacy，ShandongUniversityofTraditionalChineseMedicine，Ji’nan,Shandong250355,China)

In view of gender differences，dioecious medicinal plants have different medicinal and economic value，therefore，early sex regulation of dioecious medicinal plants is very important. In order to meet the different requirements of the plants grow and quickly select a suitable method of medicinal plants dioecious sex regulation, the authors mainly summarized methods and advance of sex regulation from the vegetative propagation and tissue culture， spraying plant growth regulators， regulating endogenous chemical composition， environmental factors inducing (temperature， light， nutrients)， and other aspects， and prospected the sex regulation of dioecious medicinal plants.

dioecious; medicinal plants; sex regulation

2014-11-17； 2015-06-17修回

山東濟(jì)南市科技發(fā)展計劃項目“山東道地藥材長清栝樓種質(zhì)資源收集、整理與良種選育研究”(200906028)

辛 杰(1987-)，女，在讀博士，研究方向：中藥質(zhì)量與資源研究。E-mail：xinjiezhongyao@126.com

*通訊作者：張永清(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事中藥鑒定和中藥資源研究。E-mail：zyq62203@126.com

1001-3601(2015)07-0379-0129-04

S333.6+9； Q948

A

園藝·中藥材

Horticulture·CHinese Herbal Medicimes