獨一味對高原逆境生境的適應性研究進展*

李廷菊，樊錦雅，古銳，鐘世紅

（1.成都中醫藥大學藥學院 成都 611137；2.成都中醫藥大學民族醫藥學院 成都 611137；3.西南民族大學藥學院 成都 610041）

獨一味Lamiophlomis rotata(Benth.) Kudo為唇形科獨一味屬多年生草本植物，以地上部位入藥，具有活血止血，祛風止痛之功效[1]。獨一味別名達巴、嘎果拉、野秦艽等，是常用大宗藏藥，始載于《月王藥診》，以其為主要原料藥材的獨一味膠囊、奇正傷痛貼等現代制劑在高原藏藥產業化開發中占有重要地位。由于獨一味需求量大、資源緊缺，本品2000年被西藏自治區紅十字會和瑞士紅十字會列為一級瀕危藏藥物種[2]，2013年被收入《中國生物多樣性紅色名錄-高等植物卷》[3]。獨一味分布于青藏高原地區海拔3000-5000 m的高寒草地，具有先鋒植物特性[4]，其典型生境具有紫外線輻射強、晝夜溫差大、土壤肥力、水分變化大、土壤凍融時間長等特點。本文認為，獨一味通過獨特的植物形態和增強生理抗逆性來適應惡劣的自然生境。有必要從脅迫生態的角度，對該物種生物學、生理學響應特征進行梳理分析，綜合闡釋獨一味對于高寒退化草地的適應性機制，以期為制定獨一味野生資源保護策略、開展其野生撫育或仿野生栽培等生產實踐提供科學依據。

1 獨一味分布區域和生境

1.1 分布區域

獨一味生長于海拔3000-5000 m的高原草甸和高山灌叢地帶，分布在青海、甘肅、云南、四川、西藏自治區等省區[5]，國外的記載主要分布于尼泊爾、錫金和不丹等國家[6]。孫輝等[5]通過查閱國內獨一味標本記錄、文獻調研和實地走訪調查獨一味產地，認為獨一味主要分布于四川省的瀘定、康定、雅江、理塘、道孚、甘孜、石渠、色達、巴塘、阿壩等縣；青海省的囊謙、玉樹、瑪多、達日、班瑪、久治、河南、瑪沁、甘德等縣；甘肅省的瑪曲、碌曲、迭部等縣，西藏自治區的芒康、昌都、江達、丁青、波密、林芝、那曲、類烏齊、當雄等縣。

近年來研究者們采用各類模型與3S技術相結合對獨一味適生區進行模擬預測。祝聰等[7]運用地理信息系統提取適宜獨一味生長的氣候、土壤、地形地貌、群落等環境因子，通過空間疊加分析確定了四川省獨一味生長適宜區并實地驗證，研究表明，石渠縣、德格縣、色達縣為四川省獨一味生長最適宜的3個縣，其中最適宜區獨一味產量占比70%以上。周傳猛等[8]以熵權法模糊物元模型為基礎對全國范圍獨一味適生區進行研究，表明獨一味適生區主要集中在青藏高原及其邊緣地區。趙文龍等[9]通過環境氣候數據模擬未來氣候變化對獨一味適生區空間分布格局的影響，結果表明，未來氣候暖化將使獨一味適生區幾何中心向西南方向遷移，同時適生區海拔上升，擴大面積約為其退化面積的2倍，各省的適生區面積增加。筆者根據前期川青甘藏四省獨一味采樣結果，應用MaxEnt模型方法進行了適宜生長區預測，結果表明川青甘三省交接區域為獨一味連片適生區域，這與獨一味藥材主產區調查結果一致。采用模型與技術結合預測近年來為國內外研究者們所青睞，同傳統的野外調查法相比，其優點在于可快速獲得物種潛在分布信息、效率高。然而該方法有一定局限性，因獨一味在草地上常呈斑塊化分布，采用3S技術預測的適宜區域遠大于獨一味實際分布區域，其準確率有待提高。

1.2 生境特征和脅迫生態因子分析

李燕等[10-11]研究表明，獨一味適生生境為高海拔地區干旱化、雜草裸地化及干旱地偏堿性環境。孫輝等[5]在實際調查中發現，獨一味分布生境為高海拔地帶呈現干旱化、雜草化、裸地化生境，土壤草氈層退化或消失，在已退化或正在退化的灌叢草地或濕地群落，以及雜草入侵（橐吾、薊、狼毒等有毒有害植物擴散）等生境長勢良好，分布密度大且集中連片，可作為高原草地退化的指示種。牛童[12]調查表明，獨一味在輕度、中度、重度、極度四級[13]退化草地中均有分布，輕度退化草地為禾草類、灌叢植物蓋度95%以上，金露梅等灌叢為建群種；中度退化草地中禾本類植物蓋度達80%-94%，土壤干旱化，毒草入侵；重度退化草地建群種以毒雜草為主，禾草類少，蓋度65%-80%，黑土灘、嚙齒動物頻見；極度退化草地為黑土灘、裸地或石礫灘，土壤干旱化明顯。

獨一味分布的高海拔土壤主要分為5類，分別為高山草甸土、亞高山草甸土、高山寒漠土、草甸土、沼澤土[5,10]。隨著退化程度加深，土壤趨于干旱化和鹽堿化，由酸性土壤逐漸演變為堿性土壤，土壤含水率降低，保水能力減弱，電導率含量升高，鹽漬化程度加重[14-15]，濕度、土壤有機質、速效磷、硝態氮、速效鉀的含量和土壤緊實度減小[16]；土壤進入凍結和消融日期提前，土壤凍結和消融速度加快，土壤溫度變化幅度加大[17]。牛童[12]對獨一味不同退化等級草場的土壤相關生態因子測定發現，獨一味生長的土壤除極度退化草地為輕壤土外，其他等級退化草地多為中壤土，pH多偏中性；隨草地退化程度的增加，高原草甸土壤空隙減小，吸水和保水能力減弱，極度退化草地土壤肥力體現為低氮、低磷、低鉀；中度退化草地體現為中氮、磷、鉀土壤。

分析認為，高原生境下土壤退化所造成的土壤干旱、肥力降低是獨一味的主要逆境生態因子；灌叢和高草叢生境下，頂層層片增大的郁閉度為獨一味逆境生態因子；對于獨一味幼苗，除上述逆境因子外，群落間物種競爭、春季低溫和春冬土壤凍融亦可能為其逆境生態因子[18]。

2 獨一味形態特征及對高原逆境的適應分析

2.1 植株形態

獨一味為喜陽貼地生長的低矮草本，其植物形態和物候期均體現出耐寒耐旱的特征。獨一味植株高僅為2.5-10 cm[19]（圖1A）；根及根莖粗壯，呈圓柱形或扁圓柱形，直徑7-20 mm，老根枯朽狀或已成空洞，形成類似“枯芩”的形態。筆者野外觀察發現，一年生獨一味幼苗的根即可生長到10 cm以上，成株根長可達50 cm以上（圖1B）；獨一味葉片多皺而寬大，葉片常4枚，輻狀兩兩相對，菱狀圓形、菱形、扇形、橫腎形以至三角形，長（4）6-13 cm，寬（4.4）7-12 cm[19]；獨一味輪傘花序頭狀或短穗狀，花萼管狀，干時帶紫褐色，萼齒5，短三角形，先端具長約2 mm的刺尖。

圖1 獨一味植株及生境

分析認為，低矮的植株和厚實的葉片使獨一味能夠適應牧群踩踏造成的放牧脅迫；花序短穗狀且花萼先端帶刺，植株富含環烯醚萜類成分[20]，對草食牲畜的適口性差，能夠避免牲畜的啃食，因而獨一味也被認為是草地毒雜草[21]；寬大的葉片使種群能夠占據較大的蓋度，壓制群落內其他植物競爭，能夠有效的減少陽光和強氣流變化造成的土壤水分散失，保障其獲得優勢種群地位和光熱條件（圖1C）。調查表明中度和重度退化草地中獨一味可成為優勢種群[12]。獨一味粗壯且超長的根，可以穿透草皮層直達母質層，克服了退化背景下土壤表層、過渡層由于干旱、凍融、養分持續丟失帶來的逆境脅迫，因此，在石礫化的極度退化草地中，仍能發現生長良好的獨一味植株（圖1D）。

2.2 顯微形態特征

獨一味葉片具有較厚的角質層，上表皮角質層平均值為123-173 μm，下表皮角質層平均值為148-169 μm[12]；氣孔下陷[22]；擁有發達的柵欄組織，海綿細胞亦為規整的長條形，排列緊密，發育腺鱗，具有隔熱、保水、抗損傷等功能，是植物對強光、強紫外輻射、高海拔強氣流變化、生理干旱等環境的適應[23]。

研究表明[12]，輕度、中度和極度退化草地中，獨一味通過增加上下表皮角質層厚度、腺鱗密度、柵海比、氣孔指數，降低葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、葉片組織結構疏松度適應退化生境，隨退化等級加深，其顯微結構抗逆特征梯次加強。干旱脅迫下，獨一味幼苗氣孔指數、腺鱗密度顯著增加，柵欄組織排列隨脅迫程度趨于緊密且厚度逐漸變大，海綿組織細胞間隙變小且厚度逐漸變小，葉片厚度也隨之變小[24]，這與草地退化脅迫變化趨勢相似，說明草地退化脅迫與干旱脅迫有相關性。

3 獨一味種群生態學特征及對高原環境逆境的適應分析

獨一味生長的群落主要為高山灌叢和高山草甸[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、黃帚橐吾Ligularia virgaurea等。獨一味在不同退化草地中均呈現出相似的“鈴型種群模型”齡級特征：y=anxn+an-1xn-1+…+a1x+b，這是一種衰退型的種群，其種群更新的機制值得進一步研究[12]。

不同退化草地中獨一味群落地位和種群特征具有較大差異[12,23]，以金露梅為代表的灌叢生境下，由于與高大草本和灌叢競爭，獨一味不易形成優勢種群，幼株少，植株大型化且具有較高的開花比例，此種生境下的獨一味可能是種群拓展中孑遺的植株，或因獲得有利生態位得以生存；中度和重度退化草地是獨一味最適生境，獨一味可集中成片分布形成優勢建群種，表現出侵占性、爆發性和集合性種群特征，但后者地上部分葉展距大，開花植株比例較高，分析認為后者在重度退化生境中群落競爭小，占據有利的生態位而表現出大型化趨勢，其作為先鋒植物在重度退化草地中的種群拓展具有積極的生態保護意義；在極度退化草地中，獨一味密度低，植株大型化且具有較高的開花比例，其生存策略可能與輕度退化草地相近，獨一味通過深根抵御干旱與低肥脅迫。

Liu等[27]采用隨機擴增多態性DNA（RAPD）和簡單序列重復區間（ISSR）兩種基于聚合酶鏈反應的技術，對青藏高原8個獨一味種群的遺傳多樣性和種群分化進行了研究，結果表明，獨一味種群間的基因流相對較低，地理群間和地理群內存在顯著的遺傳分化，這可能與獨一味集合種群特征相映證。

4 獨一味繁殖與更新及對高原逆境的適應分析

獨一味可通過種子進行繁殖，種子為小堅果倒卵狀三棱形，表面不具有翅或毛、倒鉤或粘液等，鮮種子千粒重7-8 g，干種子千粒重3.4-3.5 g[28]，完全成熟后從干燥的果實中散落，依靠重力進行傳播，種皮具有良好的透水性，具有淺休眠生理特性[29-30]。

種子大小在植物生活史中處于核心的地位，是植物生活史的核心特征之一[31]，在環境脅迫下，植物的繁殖受種子大小影響，通過生產大而少的種子來增加子代的存活能力或者小而多的種子來分散脅迫傷害[32]。前期觀察發現，獨一味生長群落中存在較多的禾本科植物[25-26]，其種子細小而密，擴散能力強，具有較強的拓植能力，使得小種子物種在較大的空間范圍內，更易成為廣布種。而獨一味與禾本科植物種子差異較大，其種子大而少[33-36]，由于大種子具有較豐富的營養物質，會發育成較大的幼苗，這也就保證其在資源、營養等缺失的情況下生存，也能忍受動物的取食和踐踏，還能忍受各種環境因素干旱、凍害等的脅迫，并且在較厚的枯枝落葉層中萌發并且存活下來。在與其他植物競爭的過程中，小種子能快速繁殖和擴散，以廣布種的形式生存下來，而大種子植物僅能到達一部分生境和空斑，但是一旦定居下來便可以利用其競爭能力，排除掉其它物種，維持自身在特定的生境中或群落中的豐富度，而成為群落的優勢種[31]。

目前，關于獨一味種子萌發已有較多研究，影響種子萌發的因素很多，多以光照、溫度、浸種時間和激素等影響為主，如王改花等[37]將不同濃度梯度的赤霉素（GA3）、高錳酸鉀（KMnO4）、萘乙酸（NAA）、細胞分裂素（CTK）和牛糞水浸液處理獨一味種子，分析并對比其萌發特性，除萘乙酸外，種子發芽率和發芽勢最優處理分別為0.07% KMnO4溶液、200 mg·L-1的GA3溶液、0.1%細胞分裂素、0.09 g·mL-1+2 mL H2O牛糞水浸液；羅桂花等[38-39]研究發現，溫度是影響獨一味種子發芽率和發芽勢的最顯著因素，其最佳萌發條件為溫度25℃、50 mg·L-1GA3浸種24 h。在此基礎上，增加光照因素發現，黑暗條件下發芽率和發芽勢最好。

獨一味每年4月根莖芽萌發生成地上植株，8-9月地上植株開始變黃、枯萎，9月種子成熟。其植株的更新與根莖芽的生長密切相關，植株的大小也與根莖芽數目呈正相關[25]。野外調查表明，獨一味能夠很好的適應采收脅迫，采收獨一味地上部位后植株多數不會死亡，第二年地下部分多個根莖芽萌發，形成分枝，在地面呈簇生狀態，多數不開花。

5 獨一味抗逆性生理響應研究

Ma等[40]研究表明，獨一味可通過多種方式適應高原環境脅迫，硫化氫（H2S）在這一過程中起著核心作用。H2S是增強植物對環境脅迫耐受性的重要信使，它參與響應非生物脅迫、發育和生長的生物過程。隨海拔升高，參與H2S生物合成的蛋白質水平和酶活性顯著增加，H2S積累也隨之增加。外源H2S處理可提高抗氧化酶活性，降低活性氧（ROS）損傷，提高s-亞硝基谷胱甘肽還原酶（GSNOR）活性，降低活性氮（RNS）損傷，激活下游防御反應，最終導致蛋白質降解、脯氨酸（PRO）和糖積累。而且，這種防御反應可以通過應用H2S生物合成抑制劑來逆轉[41]。同時高原光照可能增強獨一味抵抗逆境能力，在逆境中通過調節體內PRO、丙二醛（MDA）和可溶性糖（SS）等滲透物質以減輕傷害，有利于生物量積累；獨一味含有的環烯醚萜苷成分，可協調植物與植物、植物與植食性昆蟲、植物與周圍環境之間的相互作用[42]。

5.1 抗旱性

獨一味對干旱的適應性強，干旱條件下可通過改變植株形態、調節自身抗氧化系統和滲透調節系統以及積累次生代謝產物來抵抗干旱所造成的損傷。趙燦[4]研究表明，干旱會抑制獨一味地上部分的生長，通過增加根橫切面導管數和木質部面積來提高水分輸送效率，促進地下部分的生長和根系木質部的發育，說明該植物為適應干旱脅迫在資源分配和形態特征方面做出調整；干旱脅迫下，獨一味通過積累大量脯氨酸（PRO）來調節滲透壓，增強超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活力來抵抗氧化，通過調節葉綠體基粒位置以充分利用有限光能，同時促進地下部分次生代謝產物的積累以適應干旱。

5.2 抗寒性

獨一味幼苗對0℃及以上低溫有較強的適應能力。在細胞水平上，蔡子平[43]研究發現一年生獨一味幼苗在冬季最冷月，SOD、CAT和POD三種酶活性明顯下降，細胞膜受破壞程度最大，丙二醛累積達到最大，以此來適應低溫條件。低溫脅迫下，噴施2次15 mmol·L-1CaCl2可以提高野生獨一味成株和幼苗的抗寒性，且成株的適應性和抵抗能力較幼苗強[43-45]。同時噴施1.0-7.5 mmoL·L-1的外源水楊酸也可顯著改善獨一味幼苗的抗寒性，其中7.5 mmoL·L-1和5.0 mmoL·L-1的水楊酸噴施效果最好[43]，表明施用外源鈣和水楊酸均對獨一味抗寒性有積極作用。

在分子水平上，趙佳等[6]對獨一味種子染色體倍性的鑒定及分析表明，與低海拔親緣關系較近的植物如糙蘇屬相比，高海拔植物多為二倍體，表明二倍體更能適應高海拔地區寒冷缺氧的環境，其耐寒機制可能是由于二倍體植物在細胞分裂過程中同源染色體沒有分開而形成，經過長期的自然選擇和生存競爭而得以存活。

5.3 草地退化

5.3.1 光合生理

葉綠素是光合色素的主要組成部分，主要作用是吸收光和產生還原力，是反映作物光合能力與氮素營養狀況的重要指標，直接影響光合潛力。研究表明[12]，隨退化程度加深，獨一味中葉綠素A、葉綠素B含量呈現先降低后升高的趨勢，類胡蘿卜素含量則一直升高。推測在輕度退化草地和灌叢生境下，獨一味受郁閉脅迫，為吸收光能而生產更多葉綠素；而在極度退化生境下，獨一味受水肥、溫度等脅迫，可能通過增加葉綠素合成更多的碳水化合物，以滿足自身需要。

5.3.2 抗氧化防御系統和滲透調節系統

在草地退化逆境下，獨一味可通過調節體內的抗氧化酶和滲透調節物質以適應外界變化。對不同退化程度草地中獨一味各項指標測定顯示[12]，葉片中的抗氧化酶SOD、POD、CAT含量隨退化程度加深呈先上升后減少的趨勢，表明中度退化生境下，獨一味可增加抗氧化酶活性進行適應；重度退化生境下，酶活性較低，可能除酶促調節外，還通過形態來進行適應；而PRO含量未出現成倍大量積累的現象，且3種退化程度草地葉片中滲透調節相關指標均無太大差異，表明獨一味在逆境下滲透調節系統未受到太大影響。

5.3.3 根系分泌物

根系分泌物是指植物在生長過程中，根系的不同部位向其生長介質釋放出種類繁多的一系列物質總稱，其中包括一些低分子量有機物質、高分子的黏膠物質、根細胞脫落物，還有一些氣體、質子和養分離子等，根系分泌物在根際化學生態中起著至關重要的作用，是碳轉移到土壤中的關鍵[46]。在連作、植物競爭、草原退化環境脅迫條件下，植物根系分泌物無法緩解外界環境脅迫時，植物根系分泌的物質會抑制周邊植物生長[47]。趙燦[4]通過對中度、極度退化生境獨一味采用原位收集法收集根系分泌物及測定總有機碳和總氮分泌速度，表明在相同分泌時間內，中度退化生境有機質種類、總氮和總碳分泌量高于極度退化生境，并分析到2,2’-亞甲基雙-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)這類酚酸類成分，說明隨退化程度加深，根系分泌物呈現抑制作用。

5.3.4 對碳和氮的影響

在植物生態系統中，碳、氮作為生態化學計量學研究生態系統能量和化學元素平衡的重要元素，土壤中氮、碳的總含量是檢測土壤肥力的重要指標[48]。對不同退化草地的植株和土壤的總碳、總氮測定表明[4]，獨一味總碳和總氮含量總體表現出隨退化程度增加而降低的趨勢，說明在極度退化的裸石灘、沙地中，獨一味能適應和抵抗土壤營養缺失帶來的脅迫。

6 結論與展望

獨一味主要分布于青海、甘肅、四川、西藏自治區、云南等省區海拔3000-5000 m的高原退化草地和灌叢；退化生境下土壤干旱、肥力降低可能為其主要逆境生態因子，灌叢和高草叢生境下，頂層層片增大的郁閉度為獨一味逆境生態因子；獨一味貼地生長、寬厚的葉片和發達的根系等形態特征和發達的柵欄組織、增厚的角質層等顯微特征均體現出其耐寒性和耐旱性；中度和重度退化草地是獨一味最適生境，獨一味可集中成片分布形成優勢建群種，表現出侵占性、爆發性和集合性種群特征；與伴生植物相比，獨一味在群落植物中種子較大，通過擴散到達適宜生境或空斑，利用其競爭能力成為群落的優勢種；成株能夠很好地適應采收脅迫，采收地上部位后第2年地下部分多個根莖芽萌發，分枝在地面呈簇生狀態，多數不開花。

干旱條件下，獨一味通過改變地上地下生物量配比，增加根橫切面導管數和木質部面積來提高水分輸送效率，增大柵海比、減小葉片厚度減少水分散失，增強自身抗氧化系統和滲透調節系統活力，積累地下部分次生代謝產物來抵抗干旱所造成的損傷；獨一味可通過調節自身酶系統來適應低溫條件，同時與獨一味為二倍體植物更能適應高寒環境相關；不同退化草地下，獨一味適應機制同抗旱性機制相似，獨一味通過生產更多葉綠素來滿足自身需要，隨退化程度加深，根系分泌物呈現抑制作用，總碳、總氮含量隨退化程度增加而降低。鑒于此，表明獨一味已經對高寒草地脅迫形成了良好的形態和生理適應。基于獨一味在高原逆境的適應性，為促進獨一味野生資源保護及可持續利用，筆者建議開展以下工作：

（1）研究獨一味抗逆性遺傳基因并培育新品種：目前研究僅開展常規生理生化指標檢測及植株表觀形態觀測，對寒冷、干旱等多種逆境的基因表達調控和分子生物學研究尚為空白。隨著分子生物學、基因工程的發展，有必要建立穩定高效的植物遺傳轉化體系，篩選優良的抗逆基因，培育出更具適應性和抗逆性獨一味品種，為其栽培產業發展提供基礎。

（2）探尋獨一味適宜栽培模式：獨一味作為一級瀕危藏藥，產業需求量大，栽培技術文獻報道頗多，但未見成熟栽培基地。筆者認為，困擾獨一味產業發展的問題是其栽培成本，目前獨一味藥材價格浮動在每公斤15-22元，若在其原產地建設大田既不符合環保要求，栽培管理成本也極為高昂。因此，應依托獨一味抗逆特點，探索一套適合青藏高原牧區生產力條件與環保要求的栽培模式。一方面，通過集約化育苗提高獨一味成苗率和壯苗率，模擬逆境環境提高種苗抗性，為產業發展提供穩定種苗供應；另一方面，探索藥牧結合的生態種植關鍵技術，筆者認為重度退化草地可作為獨一味仿野生栽培或野生撫育地，通過種苗移栽、適度放牧脅迫和可持續采收等措施提高獨一味種群密度和群落優勢地位，提高單位面積產量，促進重度退化草地生態恢復，提高草地經濟價值，以期實現生態保護與經濟效益雙贏。