臭椿的研究進展與展望

張蔓蔓，鄭聰慧，劉春鵬，徐振華，杜克久

（1.河北農業大學，河北 保定071000；2.河北省林業和草原科學研究院，河北 石家莊050061；3.河北省林木良種技術創新中心，河北 石家莊050061）

臭椿（Ailanthus altissima）又名木礱樹或椿樹，古稱樗，屬苦木科（Simaroubaceae）臭椿屬（Ailanthus），因樹皮及樹葉有苦味，小葉兩側粗鋸齒上的腺體會發出特殊臭味而得名為臭椿。臭椿為落葉喬木，深根性樹種，生長迅速，高可達20m，但壽命較短，生存極少超過50a。臭椿嫩枝有髓，幼時被黃色或黃褐色柔毛（后脫落）；葉為奇數羽狀復葉，小葉對生或近對生，紙質，卵狀披針形，兩側各具1或2個粗鋸齒，齒背有腺體1個，葉面深綠色，背面灰綠色；雄花與雜性花異株且雌雄花以4∶6比例分化、頂生圓錐花序，花淡綠色，覆瓦狀排列；翅果扁平紡錘形，種子扁圓形，位于翅果中間，花期4~5月、果期8~10月。該文擬對臭椿遺傳資源分布、開發利用、遺傳多樣性等方面進行總結，為臭椿后續研究提供思路。

1 臭椿資源分布

全世界約有臭椿屬10~15個種，通過化石記錄可追溯到北半球第三紀，始新世到上新世的歐洲、哈薩克斯坦及西伯利亞，古新世到更新世的北美。其中，臭椿為中國特有樹種，原產于中國臺灣和中國大陸中部與東北部，分布廣泛，北起遼寧、河北，南至江西、福建，東自海濱，西達甘肅，以黃河流域為分布中心，華北、西北地區栽培最多；垂直分布在海拔2000m以下區域，水平分布在北緯22°~43°范圍內，在內蒙古阿拉善南部至赤峰南部一線也有少量自然分布。臭椿在18世紀傳入歐洲和北美后，常為庭蔭樹和行道樹，被贊為天堂樹。臭椿栽培種及變種較為豐富，有臺灣臭椿、大果臭椿2變種。現經長期栽培與遺傳變異，增加千頭椿、小葉臭椿、白材臭椿、紅果臭椿、垂葉臭椿、紅葉臭椿等臭椿栽培種及變種。

2 臭椿開發利用價值

2.1 經濟價值

臭椿木纖維長且占木材總干重含量的40%，是優于白楊的造紙原材料；莖皮纖維是人造棉和繩索的原材料。木材質地堅韌、耐腐蝕、易彎曲不折斷、易加工且紋理順直有光澤，是制作家具、農具、廚具及建筑的優良材料。葉可飼養椿蠶，蠶絲相較于桑樹所產蠶絲成本更低，所織之綢更堅固耐用；葉中提取物還具有果實采后品質保鮮的作用。R Gürbüz[1]等探究兩種不同濃度（0.5%和2.5%）的臭椿葉甲醇提取物，分別添加和不添加添加劑（0.1%阿拉柏樹膠，0.05%檸檬酸，0.05%山梨酸鉀和0.05%抗壞血酸），結果發現，臭椿葉提取物具有較強的保持果實水分、降低腐爛率、保護外觀品質、延緩冷害發生、保持果實硬度、延緩抗壞血酸含量降低的作用。臭椿種仁含油量57%，種籽含油量40%，為半干性油，可在工業上代替亞麻油生產1032醇酸漆，還可以食用，殘渣作飼料、肥料，還具有體外抗氧化、抗菌活性和體內鎮痛、抗炎活性。Hoseini[2]等研究以臭椿籽油為原料制備生物柴油，種子干燥后用索氏提取技術提取油脂，含油量最高約為38%；在醇油摩爾比為8.50∶1、催化劑用量為1.01wt%、反應時間為4.71min的優化條件下，臭椿種子油制備的生物柴油得率為92.26%，符合ASTM D6751標準要求。

2.2 綠化環保價值

樹干高大通直、枝葉繁茂、春季嫩葉紫紅色、秋季紅果滿樹，是觀樹姿、葉色、果色，作為城市行道樹和觀賞樹的優良樹種。如千頭臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle var.myriocephala B.C.Ding et T.B.Chao），樹冠呈球形，無中央主干，側枝多且小枝直立斜展，枝葉濃密；紅果臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle var.erythrocarpa（Carr.）Rehd.），樹冠稀疏，有主干，側枝少且開展或平展，幼葉紅色后變為綠色，開花時子房及幼果鮮紅色，翅果成熟后為鮮紅色或紅褐色；白材臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle var.leucoxyla B.C.Ding et T.B.Chao），樹冠寬大，樹干通直且中央主干明顯，側枝稀少開展，小枝細長近輪生狀分布；扭垂枝臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle cv.′Torti-pendula′，cv.nov.）樹冠傘形，樹干通直，無中央主干，側枝拱形下垂或平展，小枝短小彎曲呈長枝狀扭曲下垂；塔型臭椿（Ailanthus altissima（Mill.）Swingle cv.′Pyramidalis′，cv.nov.）樹冠塔形，中央主干不明顯且側枝和小枝直立斜展；紅葉臭椿（Ailanthus altissima Var）樹冠緊湊，樹干高大通直，成年后樹形呈扁圓形，小枝粗壯，羽狀葉紅艷緊密而整齊，持續期長，花序淡黃色[3]。各種臭椿栽培種及變種有各自的特色，具有特殊的觀賞亮點。

臭椿對臭氧敏感，對土壤重金屬ZnCl2有較強的耐性和富集性，可作為臭氧污染指示植物與土壤修復植物，不僅是大氣污染嚴重地區凈化空氣的先鋒樹種，也是優秀的減噪樹種。臭椿適應性極強，可在除黏土外的各種土壤上生長，耐旱、耐微堿（pH適宜范圍為5.5~8.2），在47.8℃的高溫和-37℃的絕對最低溫度下均能正常生長，有一定的抗高溫和耐寒能力，且適宜荒山造林。李詩瑤[4]等研究發現，臭椿葉表面具有表皮毛、氣孔與溝壑、粗糙等微結構特征，因此滯塵能力較強，吸附粒徑范圍較廣。多項研究表明，臭椿地上部分器官和根部對Cd均有富集能力，每年可去除大于3.71mg/m2，對土壤中Cd的去除能力顯著；以城市污泥與建筑垃圾為原料配制混合基質顯示，低比例（20%、40%）污泥基質最適宜臭椿生長，且基質中重金屬含量越多，臭椿根莖葉中重金屬含量及富集系數越高[5-6]。在養分含量普遍偏低的濱海鹽堿地林地中，白蠟臭椿林和皂角臭椿林等不僅能改變養分在不同土層分布規律及吸收利用，還可以改善鹽堿地土壤貧瘠，蓄肥保墑效果優越；臭椿完整樹冠減噪能力為每米3.15%，對中低、中高、高頻段噪音衰減效果較好，此結果與樹冠孔隙總長度有關[7-8]。

2.3 藥用價值

2.3.1 農藥 臭椿的種子、葉、莖皮、根皮中含有甾醇、萜類、黃酮類、生物堿類、苦木苦味素類及其他揮發性成分，有豐富多樣的藥理和生物活性，因此在農業生產中具有除草、殺蟲、防治植物病蟲害等作用。葉子具有腺體可散發臭味，對昆蟲有抵御和驅逐力，將其搗爛后浸泡的濾液無污染、無危害，可作為蔬菜驅殺害蟲的藥劑。多項研究報道，臭椿樹皮提取物單堿鐵屎米-6-酮和粗生物堿對禾谷鐮刀菌（Fusarium graminearum）、牡丹炭疽病菌（Gloeosporium sp.）、冬瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporumf.sp.benincasae）和黃瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporum f.sp.cucumerinum）有較強的抑制作用；臭椿葉粗提物具有較強的殺蟲活性；臭椿翅果中分離出的葡萄糖苷J和K，對煙草花葉病毒的增殖有一定的抑制作用，半數抑制濃度（IC50）分別為（56.21±1.86）μM和（137.74±3.57）μM[9-11]。雜草的可持續管理是農業面臨的主要挑戰之一，臭椿中的臭椿酮是很好的生物除草劑。Matteo Caser[12]等對臭椿葉、翅果和次生根中提取的臭椿酮進行了植物毒性研究，發現對雜草有較強的抑制作用，為作為園藝作物雜草管理的可持續解決方案提供了支持。薛利娟[13]系統地研究了臭椿根皮的甲醇提取物化學成分，利用平皿法測定發現，化合物對牛筋草的抑制活性為18＞19＞12＞10＞16，對反枝莧的抑制活性為化合物10＞12＞19＞18＞16；多種試驗結果表明臭椿根皮粗提物更適用于單子葉作物田。

2.3.2 醫藥 臭椿被認為是一種傳統草藥，樹皮、根皮、枝和果實已應用于中藥。現代藥理學研究證明，臭椿含有的苦味苦木素類、臭椿酮等化合物具有止血、燥濕、消炎、清熱及殺蟲等功效，還有抗瘧疾、過敏、潰瘍、腫瘤、艾滋等作用，可治療出血、癲癇、哮喘、胃病、癌癥和蛔蟲病等多種疾病。臭椿酮可誘導非小細胞肺癌A549、H1299和H1975細胞基因發生改變，并對H1299、H1975細胞造成DNA損傷，下調RPA1蛋白抑制非小細胞肺癌DNA復制，在小鼠實驗中可以抑制小鼠瘤塊生長、延長小鼠生存期，并可能通過同時抑制Akt磷酸化和Src磷酸化，從而抑制非小細胞肺癌H460細胞遷移和侵襲與抑制表達細胞周期相關蛋白Cyclin D1；臭椿酮不僅對鼻咽癌細胞CNE-2表現出呈濃度和時間依賴性增殖抑制作用，阻滯細胞周期G2/M期并誘導細胞凋零，表現出顯著的抗腫瘤活性，還對結直腸癌細胞SW1116增殖產生抑制作用并誘導細胞凋亡，通過失活PI3K/Akt信號通路來誘導人黑色素瘤A375細胞凋亡，研究成果均表明臭椿酮可有效抑制癌細胞的生長[14-18]。臭椿的樹皮和葉子甲醇提取物廣泛用于治療腸道蠕蟲感染。S.Lehmann[19]等發現臭椿初生莖皮甲醇-水（7：3，v/v）提取物對秀麗隱桿線蟲生殖細胞和生殖軸造成嚴重損害，導致卵母細胞不發育或發育不良，從而激活線蟲對應激反應中起重要作用的轉錄因子DAF-16。Ye-Qing Du[20]等在臭椿根皮中發現的8對8，4′型氧新木脂素映體（1a/1b-8a/8b），其中4a、4b、8b對H2O2誘導的人神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞氧化應激的神經保護作用，表現出中等程度的神經保護活性。臭椿籽油因其高水平的不飽和脂肪酸的存在和顯著的抗氧化能力，可以作為一種鎮痛和抗炎劑使用。El Ayeb-Zakhama A[21]等研究證實1g/kg種子油具有較高的鎮痛作用（91.31%）和抗炎作用（85.17%），抗氧化活性較強，具有一定的抗菌活性。

3 遺傳多樣性

近年來，國內外對臭椿應用方面進行了一系列的研究，取得了大量的研究成果，但臭椿栽培種及變種的基因組和遺傳資源仍然不足，Ferer[22]等通過同工酶頻率對北美的臭椿居群內部進行分析，研究北美臭椿居群間的遺傳分化；與原產地中國居群相比，北美居群臭椿長得更高，有更大的葉面積，北美臭椿沒有表現出顯著的遺傳分化或者近交衰退現象；研究顯示，兩個來源地的臭椿同工酶頻率相同，表明原產地中國臭椿與移居的北美臭椿遺傳多樣性相同。楊紅花等[23]利用RAPD技術確定組培紅葉臭椿（Ailanthus altissima Var）具有較高的遺傳穩定性，郭旭琴等[24]通過設計正交試驗建立了穩定的臭椿SRAP-PCR反應體系（模板DNA 2.5ng/uL、引物0.6umol/uL、Mg2+1.75mmol/uL、10×PCR Buffer 2.5uL、Taq酶0.3U/uL、dNTPs 0.3mmol/uL），徐卉[25]對SRAP反應體系進行優化，建立了適合臭椿的反應體系，即模板DNA（50ng/uL）1.5uL、引物（10uM）1.2uL、Mg2+（25mM）0.9uL、1×Loading Buffer 2.5uL、Taq 酶0.5uL、dNTPs（10mM）0.6uL、ddH2O 12.8uL， 利 用SRAP技術對由泰安、聊城、濟南、北京4地組成的臭椿雌、雄株和紅果臭椿基因池進行凝膠電泳分析，確定存在遺傳差異性。Saina J K[26]等以Illumina pairedend RNA sequencing（RNA-seq）為基礎，對臭椿的轉錄組進行了分子標記，并開發了13個EST-SSRs（表達序列標記-簡單序列重復序列）。此外，還利用小麥的葉綠體基因組，建立了10個多態葉綠體微衛星（CpSSR）標記，結果顯示，轉錄組數據產生87797個單基因，其中64891個（73.91%）基因在至少一個蛋白質數據庫中被成功注釋；對于cpSSR標記，每個標記檢測到的等位基因數（N）從cpSSR 12處的3個到cpSSR 8處的12個不等，無偏單倍體多樣性指數（URE）在0.111~0.485之間，單倍體多樣性指數（H）在0.101~0.444之間，平均無偏單倍體多樣性指數（HOU）為0.274；在165個個體中，共在10個位點上鑒定出65個不同的cpSSR等位基因；ESTSSRs的等位基因數為2.143~9.357，觀察雜合度和預期雜合度分別為0.312~1.000和0.505~0.826，此研究所開發的分子標記將有助于臭椿種群的遺傳多樣性、群體結構、長距離基因轉移和花粉基因流分析。Charalambos[27]等利用IlluminaMiSeq平臺應用一種基于NGS的方法來識別臭椿微衛星標記，從奧地利東部篩選出3個群體，在19個新發現的微衛星位點上進行遺傳變異，測試只考慮等位基因長度和同時考慮擴增片段中的單核苷酸多態性（SNP）兩種不同的基因分型方法，結果顯示，當采用后一種方法時，所有遺傳多樣性參數的數值較高，遺傳分配的分辨率也較高，所開發的標記為臭椿種群的基因分型提供了一種經濟有效的工具，所提出的方法對于非模式森林樹種的中通量基因分型應用具有較高的應用價值，拓寬臭椿種群遺傳學研究的視野。

果色是一個重要的遺傳多樣性指標。但臭椿相關研究尚少，聊城大學有關學者曾在紅果臭椿開花后第15d、30d、45d、60d、75d、90d分別采集翅果，測定各時期翅果粗脂肪、可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白的含量，保護酶活性，以及葉綠素a、葉綠素b、和花色素苷含量的變化規律，結果表明，紅果臭椿翅果花青苷含量在生長初期及生長后期達到48.11mg/g，脫落期降到3.91mg/g，比初果期高2.31mg/g，普通臭椿花青苷含量基本不變[25]。該研究未涉及類胡蘿卜素及花色素苷以外的類黃酮素，也未測定花色素苷的具體組分及挖掘其積累的調控基因，同時，也未考慮環境因子、礦質元素、內源激素等對花青苷的影響。

4 臭椿研究展望

臭椿是一種具有多種開發利用價值的優良鄉土樹種，對臭椿育苗栽培技術及生物學特性等基礎研究較多。近年來，越來越多的學者研究臭椿提取物藥理活性，抗逆性成果也越來越多，選育了紅葉臭椿、紅果臭椿等多種觀賞價值較高的臭椿變種，但對臭椿的研究還不夠系統和深入。良種選擇多通過選優和引種，雜交育種、照射育種、化學誘變多倍體育種等鮮見報道，多分析臭椿生物學特性、生理特征對逆境的抵抗能力，并未深入到抗逆機制的研究，研究較多的為臭椿提取物化學特性，從中鑒定分離出許多化合物，揭示其在藥用、油用等方面的作用。目前，研究人員越來越關注林木基因組與遺傳資源的研究，而臭椿在這方面研究較少，資源不足。

因此，為了推動發展臭椿這一優良鄉土樹種在用材、藥用、油用、綠化觀賞、造林、抗污染、抗逆等方面的應用，對于臭椿的探索可在以下幾方面進行：（1）在選優和引種的基礎上，結合雜交育種、多倍體育種、生物技術育種等多種方式，培育良種，營造良種臭椿林。（2）深入研究臭椿抗逆性，挖掘相關抗蟲、抗鹽堿等抗逆基因，解析其抗逆機制。（3）深入探究防治蟲害時，生防制劑與殺蟲劑的協同作用；利用轉基因、基因編輯等生物技術培育抗病蟲害品種，減少物理化學防治病蟲害造成的負面影響。（4）深入開發臭椿提取物化學特性，進一步開發成為新型藥物、農藥、生物燃料等。（5）形態標記結合DNA分子標記技術，開發分子標記，分析臭椿遺傳多樣性、群體結構、長距離基因轉移和花粉基因流，補充臭椿遺傳資源。（6）基于代謝組和轉錄組，解析紅葉、紅果臭椿等彩色臭椿色澤形成機理，培育出更多特異品種，提升臭椿觀賞價值，增加園林綠化的選擇性。