鹽堿地特色中藥農業新理念思考與實踐

孫良丹

(華北理工大學 醫學部,河北 唐山 063210)

引言

2023年5月習近平總書記在河北考察時強調,“開展鹽堿地綜合利用,是一個戰略問題,必須擺上重要位置。要發揮科技創新的關鍵作用,做好鹽堿地特色農業這篇大文章”,“要堅持人民至上、生命至上,研發生產更多適合中國人生命基因傳承和身體素質特點的‘中國藥’,特別是要加強中醫藥傳承創新發展”。2023年12月1日習近平總書記在《求是》雜志上發表了題為《切實加強耕地保護抓好鹽堿地綜合改造利用》的重要文章,對鹽堿地治理和利用再次作出重要指示。因此,貫徹落實總書記重要指示精神,是高校有組織科研面向“鹽堿地綜合利用”和“中醫藥創新發展”重大產業需求的積極響應。

基于對鹽堿地治理和中藥研發的雙重思考,作者在國內外首次提出了“鹽堿地特色中藥農業”新理念,搭建了“鹽堿地生態改良耐鹽堿中藥材種植有效成分識別與提取耐鹽堿中藥材藥效鑒定、高值化應用靶向炎癥與免疫疾病干預策略”雙向研究模式。即通過鹽堿地改良途徑種植中藥,進行靶向炎癥和免疫疾病干預靶點的有效成分識別與篩選,進而推動藥食同源新產品的產業化升級;反過來以炎癥和免疫疾病防治為目標,通過對耐鹽堿中藥材有效成分地識別、高效提取,進一步指導耐鹽堿中藥材種植,形成雙向鹽堿地綜合利用創新科技研發范式。

1 “以種適地”和“以地適種”相結合是解決鹽堿地綜合利用的重要舉措

1.1 鹽堿地綜合利用現狀與難題

鹽堿地治理利用是全球性難題。據聯合國教科文組織和聯合國糧農組織不完全統計,世界鹽堿地面積約為9.54億公頃,并以每年100～150萬公頃的速度增長,嚴重制約農業生產和生態經濟發展[1]。我國作為世界第三大鹽堿地分布地區,鹽堿地主要分布在我國的東北、華北、西北以及東部沿海地區,面積約為9 913萬公頃。其中河北省鹽堿耕地總面積為78萬公頃,占河北省總耕地面積的10.4%,對作物生長與土壤生態具備一定的潛在威脅[2]。開展鹽堿地綜合改造利用,充分挖掘鹽堿地開發利用潛力,將有助于充分提高鹽堿地的種植收益與生態效益。鹽堿地治理措施主要包括物理改良、化學改良、生物改良三種,其中物理改良通過改變耕層土壤物理結構、降低蒸散量、增加深層滲漏量來調節土壤水鹽運動,如強化水利工程瀝鹽排鹽、高標準農田建設綜合治鹽,具有覆蓋面廣、操作性強等優點,但是存在治理成本高、水資源制約嚴重、工程大等缺點;化學改良則通過添加不同化學物質改良土壤,具有見效快、可選化學物質多、配方靈活等優點,但是具有改良后鹽堿地穩定性差、持續時間短、效果單一等缺點,同時還有可能發生二次污染。而生物改良則是通過種植不同耐鹽植物進行土壤改良,具有綠色環保的優點,但高耐鹽新品種育種仍然是提升鹽堿地生產能力的重要限制因素[3]。

在鹽堿地改良利用過程中,耐鹽堿作物品種開發推廣與精深加工主要集中于糧食作物、飼料糧與林果蔬菜種植3個方面。在糧食作物的種植優化研究方面,有學者開展淺層輕度咸水冬小麥農田灌溉試驗,分析咸水灌溉對冬小麥產量和土壤鹽分含量變化的影響,為河北濱海鹽堿地咸水資源安全利用、土壤健康和糧食安全提供科學依據[4]。在飼料糧品種選擇方面,有學者研究不同苜蓿品種在河北濱海鹽堿區的光合性能及產量性狀的變化差異,驗證了苜蓿營養品質對秋眠型和刈割茬次及其交互作用的響應關系[5-6]。在林果蔬菜種植品種培育方面,開發了海興堿梨、秋雪蜜桃、南齊茴香、茶棚甜瓜、堿地西瓜等不同品種,進一步推動資源整合、信息共享、聯合創新,不斷提升精細化加工[7]。

堅持生態和生產、治理和利用、短期與長期相結合,堅持“以種適地”和“以地適種”相結合,堅持治水、改土、改種協調推進,分區分類分析鹽堿地開發潛力和支撐條件,與高標準農田建設相銜接,以現有鹽堿耕地改造提升為重點,統籌推進耕地后備資源開發利用,強化科研支撐條件,強化多途徑利用,大力發展鹽堿地特色農業,是以鹽堿地綜合開發和可持續利用為目標的中國舉措[8]。而“以種適地”的關鍵在于突破鹽堿地生物育種核心問題,由主要治理鹽堿地適應作物向更多選育耐鹽堿植物適應鹽堿地轉變,加快選育耐鹽堿特色品種,加強適宜鹽堿地作物品種開發推廣,堅持“宜耕則耕、宜林則林、宜草則草”,有效拓展適宜作物播種面積,積極發展深加工[9]。總之,鹽堿地綜合治理的關鍵“卡脖子”問題在于缺乏突破性耐鹽堿和綜合性狀優良品種[10]。

1.2 鹽堿地改良與耐鹽堿作物培育經驗總結

“以地適種”主要從“改土”入手,即通過各種改良措施降低土壤鹽堿含量;“以種適地”主要從“改種”入手,即通過各種手段選育耐鹽堿的農作物。作者及其華北理工大學研究團隊從“改土”和“育種”兩方面著手,在濱海鹽堿地改良方面進行了諸多研究,形成了具有獨立自主知識產權的原位精準鹽堿地改良”技術。腐植酸能夠和其他輔助劑的鈣、鐵離子結合,促進地表20～30 cm的細顆粒土壤形成大顆粒團粒結構,降低了細顆粒土壤的毛細現象,大大改善了蒸發水分攜帶鹽分到地表面和逐漸積聚形成的鹽漬化;同時,腐植酸能吸附土壤中可溶性鹽,降低土壤電導率,減少土壤中游離的鹽分,從而降低土壤鹽濃度,讓作物免受鹽漬化的侵害。而利用石墨烯巨大的比表面積、良好的吸附性能、優良的電子傳輸等性能,建立腐植酸基石墨烯生態改良劑,能夠改善土壤的物理(土壤孔隙度、體積密度和持水量)、化學(pH、電導率、營養元素)和生物(微生物量和礦化或降解程度)參數,對作物的養分吸收、生理作用以及防御機制具有積極地影響;既能對不同土壤的田間水容量、空氣容量、滲透性和孔隙度產生積極地影響,又可以通過增加植物生長所需的礦質營養來提高土壤肥力;腐植酸還是促進種子萌發和植物生長的刺激劑,對植物的養分吸收和營養元素的運輸起到積極的作用,也對植物的根系構型和周邊土壤環境改善產生積極地影響,提高植物對逆境脅迫的耐受性[11]。在耐鹽堿藥用植物培育方面,通過藥用植物對鹽脅迫的形態和生理的響應規律研究,基于由愈傷組織鹽脅迫誘導技術、誘變加鹽脅迫篩選技術、雜交育種以及分子輔助鑒定相結合構成的鹽脅迫定向誘導和篩選技術,實現了中藥材耐鹽、優質育種效率地提升[12],并對選育的堿地蒲公英新品種進行了有效成分分析和中藥質量標準的評價工作[13]。

2 耐鹽堿-高藥效協同機制研究是解決鹽堿地生物育種核心問題的關鍵

2.1 環境脅迫促進道地中藥形成的機制是解析耐鹽堿-高藥效協同機制的基礎

“以種適地”和“以地適種”相結合,有助于拓寬冀地鹽堿地綜合利用的途徑,進一步提升中醫藥的經濟與生態效益。從生理上看,鹽脅迫對植物的生長和繁衍的影響主要是由滲透脅迫和離子傷害造成的,植物的耐鹽堿性主要是通過合成滲透調節物質、提高抗氧化酶活性、對離子的選擇性吸收及pH平衡和誘導抗鹽堿相關基因表達來實現的。已有研究顯示,黃芪等耐鹽堿中藥在應對逆境時會發生一系列生理變化,不僅能使植物更好地適應生長環境,還可促進次生代謝物的合成與積累,增加藥材的藥效活性成分[14-16]。同樣,耐鹽堿植物常具有改良土壤的能力,能夠通過吸收土壤中的鹽分和其他有害物質,減少土壤中的鹽堿濃度,改善土壤的理化性質和結構。這一過程有助于提高土壤的肥力,增加土壤的有機質含量,從而提供更適宜于作物生長的土壤環境,不僅有助于提高作物的產量和質量,還對土地的可持續利用和生態平衡產生積極影響[17-19]。

針對中藥資源,研究表明僅有少數品種能夠在鹽堿地存活并發揮藥用價值,如枸杞、濱藜、羅布麻、北沙參等中藥[20-23],其能夠減少土壤中的鹽堿濃度以改善土壤質量,還可促進次生代謝物的產生來增加藥材的藥效活性成分。中藥(或藥用植物)種植受產地天氣、地理和自然條件影響極大,對生長環境要求極高。在生長發育過程中,受光照、溫度、水分、土壤理化性質、微量元素含量、微生物、病蟲害、食草動物和人工干擾的影響較多,所以中藥資源具有周期長、藥效差異大、活性成分未知等特點[24]。另外,中藥材從野生轉為栽培是導致藥材質量下降的主要原因,由于次生代謝產物的生態作用與藥材活性成分藥理作用的生物學本質是一致的。因此,在逆境脅迫狀態下次生代謝產物具有較高的藥理活性,藥材質量最佳,即環境脅迫促進了道地中藥的形成[25,26]。然而,環境脅迫促進道地中藥的形成機制不明,即耐鹽堿相關信號與藥效合成途徑關鍵通路信號互作機制不明。

2.2 華北理工大學植物基因組學平臺建設搭建了中藥高藥效合成途徑研究平臺

測序技術的升級迭代促進了植物生長發育調控以及響應環境脅迫的表觀遺傳學研究,基因組尺度的表觀修飾動態變化研究和特定因子介導的時空特異性表觀修飾研究,在作物起源馴化、種質創新、育種改良研究中起到了重要的推動作用[27]。通過轉錄組測序對差異基因的挖掘,能夠篩選出核心調控網絡和關鍵候選基因;通過代謝組學研究,將候選基因與表型進行關聯;通過酶表征數據,對酶基因的性質進行確認。然后,利用結構生物學對獲得的酶進行改造,再應用合成生物學的方法,將生物合成途徑和關鍵酶整合到工程菌底盤中,從而異源高效生產各種目標天然產物。這一系列的研究方法,已經成為藥物植物天然產物的生物合成研究的通用策略[28,29]。

作者研究團隊在作物基因組學、生物信息學、組學數據庫搭建方面取得了一系列原創性成果[30],在國際上首次成功破譯多種作物的高質量基因組信息,并率先完成了流蘇馬兜鈴、乳香、雪膽基因組測序,積累了豐富的植物基因組結構與功能研究經驗,并搭建了世界上第一個用于存儲和分析藥用植物基因組的綜合數據庫網站,儲存有160種藥用植物和對應的195個不同版本的基因組和相關的255種中草藥信息[31],不僅為藥用植物基因組結構和功能研究提供了分析平臺,對藥用植物資源的開發也具有重要的現實意義和實用價值。前期篩選了酸棗、連翹、艾草、紫蘇、祁木香、菊花、決明子、黃芩等40多個品種進行鹽堿地種植,發現黃芩、知母、射干、板藍根、苦參等中藥材品種適宜鹽堿地環境,并根據中藥材種植農藝學性狀、產量等指標建立了鹽堿地中藥材評價體系;對鹽堿地不同土層的鹽堿度、pH值、營養成分和土壤微生物進行了測定,為開展鹽堿地中藥材種植與推廣提供了基礎性數據。

3 靶向炎癥與免疫疾病的干預策略為解析藥用植物有效成分提供了新的思路

炎癥免疫性疾病是一組可引起多器官、多系統損害的慢性炎癥疾病,其特點是具有共同的炎癥機制和免疫失調,其具體病因和發病機制尚未明確,與遺傳易感性和環境因素有關。這類發病率高、伴發疾病多、經濟負擔重、遷延不愈的疾病,是影響全世界乃至我國人民正常生活并造成重大負擔的疾病之一。因此,對此類疾病相關靶點藥物的開發一直是新藥研發的一個熱點領域。作者前期通過群體遺傳學研究、全基因組芯片研究、人類白細胞抗原(human leukocyte antigen, HLA)區域高通量測序以及跨種族大樣本量Meta分析等,解析疾病基因組變異圖譜,發現銀屑病、特應性皮炎、白癜風、系統性紅斑狼瘡等40 多種疑難重癥的 300多個易感基因及診斷靶點,構建中國人群蛋白截斷變異圖譜和結構變異圖譜;構建中國人群HLA 全區域精準變異圖譜;靶向炎癥與免疫疾病發現了一批疾病風險預測、疾病預警遺傳標記和新藥研發、臨床干預的潛在靶點,為推動相關疾病基礎研究轉化臨床應用提供依據[32,33]。

中藥具有天然調節炎癥和免疫系統作用機制。以十大冀藥(酸棗仁、連翹、金銀花、苦杏仁、黃芩、柴胡、天花粉、山楂、蒼術、知母)、八大祁藥(祁菊花、祁山藥、祁紫菀、祁沙參、祁薏米、祁芥穗、祁白芷和祁花粉)為例,酸棗仁提取物能夠通過調節T淋巴細胞亞群平衡,抑制血清腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素(Interleukin-1β,IL-1β)、IL-2和IL-6炎癥因子釋放,改善免疫功能,從而緩解睡眠剝奪引起的焦慮行為[34]。連翹及其主要活性成分通過作用于免疫器官脾臟和胸腺,T、B淋巴細胞、自然殺傷(Natural Killer cell, NK)細胞、巨噬細胞等,緩解機體炎性反應,維持免疫系統的穩定性[35]。金銀花-連翹藥通過對核受體的活性、轉錄因子活性、細胞因子受體結合、細胞因子生物功能等通過多靶點、多通路干預銀屑病進展[36]。苦杏仁苷對卵白蛋白誘導的哮喘小鼠輔助性T1細胞(HelperTcell 1, Th1)/Th2免疫失衡具有調節作用[37]。黃芩素可通過阻斷轉化生長銀子(Transform growth factor-β1, TGF-β1)/結締組織生長因子(Connective tissue growth factor, CTGF)信號通路,減輕小鼠皮損組織炎癥反應、抑制皮損組織血管新生,進而改善銀屑病樣皮損[38]。柴胡、天花粉及其方劑在臨床銀屑病治療方面具有突出效應[39, 40]。倉術提取物能夠有效抑制TNF-α誘導的人角質形成細胞增殖,可能具有潛在的治療銀屑病的作用[41]。知母對咪喹莫特誘導的銀屑病模型小鼠的治療作用與細胞凋亡有關[42]。多組學聯合分析或數據挖掘方法也提示,酸棗仁、山楂也是臨床用于各種類型銀屑病的重要組成藥劑之一[43,44]。菊花、沙參、白芷也被證實在臨床上有助于銀屑病的治療。鹽脅迫研究也顯示,連翹[46]、金銀花[47]、黃芩[48]、柴胡[49]、倉術[50]、知母[51]、菊花[52]、紫菀[53]、沙參[54]等冀產藥材具備一定的耐鹽堿潛力,鹽脅迫能夠促進其生理特性的改變,促進其次生代謝產物的生成,同時對低濃度鹽脅迫具有一定的耐受性和適應性,適用于輕、中度鹽土區綠化或植被恢復用途。

雖然對“十大冀藥、八大祁藥”為代表的冀產藥材抗鹽脅迫的種植研究取得了一定的進展,但是仍存在優勢品種不明確、互作機制不清晰、種植技術不規范等制約因素,亟需進一步深入探討和研究。同時, “十大冀藥、八大祁藥”為代表的冀產藥材多數在臨床和動物實驗中顯示出調節免疫功能的作用,但是其治療炎癥和免疫疾病的有效成分和有效靶點仍未所知,作用機制探討不夠深入,中藥復方、中藥單體作用機制和靶向不明,嚴重的制約了中藥制劑的進一步創新與發展。因此,融合冀產中藥的道地屬性與其耐鹽堿特性,綜合開發耐鹽堿冀產中藥的優勢品種,深入挖掘其藥用屬性與生態屬性的響應因素,將有助于進一步提升耐鹽堿冀產中藥的綜合開發與應用價值。

4 結論

基于“由治理鹽堿地向鹽堿地綜合利用轉變,由傳統農業向現代中醫藥農業轉變”的思路,作者將二者相融合,創新性提出“鹽堿地特色中藥農業”理念:

(1)通過耐鹽堿中藥材推廣種植,利用其富含次級代謝物的優點協助鹽堿地改良,形成抗逆、優質、高產、高效的現代生態健康中藥種植,研究“植物-土壤”交互作用機制,為鹽堿地綜合利用提供新的思路,將種植中藥材的良田置換出來,為國家保三大主糧耕地的戰略決策提供支持。

(2)通過藥用植物對鹽脅迫的形態和生理的響應規律研究,構建鹽脅迫定向誘導和篩選技術,提升藥用植物(中藥)耐鹽、優質育種效率,篩選耐鹽堿的優質藥用植物(中藥)品種,構建藥用植物(中藥)耐鹽堿基因和其有效成分共表達調控網絡,搭建基因組學數據資源共享及分析平臺,為耐鹽堿中藥材培植提供豐富的數據和基因資源注釋信息。

(3)通過方便、快捷、性價比高的生態種植集成關鍵技術,構建中藥植物栽培技術體系;實時、無損、可現場部署遙感技術和無損檢測技術,構建鹽堿地改良監測、預警和評估體系;共享、精確、高通量的基因組測序技術,靶向分析藥用植物(中藥)耐鹽堿基因和有效成分合成途徑;精準、科學、特定靶向的體內外藥效鑒定技術,研發炎癥和免疫疾病干預新靶點,向上游指導耐鹽堿中藥材的篩選和種植,推動“中醫藥+產業”;向下游以研發功能食品和藥食同源新產品為目標,形成濱海地區特色鹽堿地耐鹽堿中藥植物精深加工和高值化利用產業,對于增加農民收入,鞏固脫貧攻堅,實現鄉村振興具有重要的科學意義和經濟價值。