珍稀濒危植物红景天生物学研究进展

特产研究SpecialWildEconomicAnimalandPlantResearch 2001年第4期 文章编号:1001-4721(2001)04-0051-04

珍稀濒危植物红景天生物学研究进展

陈玉珍,卢存福

(北京林业大学生物学院,北京100083)

中图分类号:S567.23+9 文献标识码:A

景天科(Crassulaceae)红景天属(RhodiiolaL.)植物主要分布在北半球的喜马拉雅山区、亚洲西北部和北美洲,共90多种,而中国就有70多种,主要产于华北、东北、西南、西北和华中等地区[1]。我国对红景天的基础研究始于80年代初,已取得了可喜的成绩。

1 生殖生物学研究

新疆产高山红景天15种左右,为多年生草本,其营养体由肉质的根、根状茎和越年生地上茎等组成。地上茎每年7~8月由根状茎上长出,成丛生长,刚长出时每丛有5~6个芽,这些芽由共同的革质芽鳞片包被,并以此越冬,越冬时芽的顶端花芽分化已完全完成,并停留在某一阶段,于第二年3月底~4月初开始生长,5月底开始开花,其花有两性花和单性雌花之分,7月果实成熟散落,地上茎开始枯死,同时根状茎上又长出新的越冬芽。营养器官中蛋白质的含量很高,主要集中分布于细胞间隙中,根状茎的薄壁细胞中多糖物质极为丰富,且与细胞间隙中的蛋白质共存,组织化学染色极为清楚[2]。

张萍等[3]对高山红景天的生殖生物学特性作了较为系统的研究。高山红景天单性花每朵雄花有8枚雄蕊,花药有4个花粉囊。小孢子母细胞减数分裂时,胞质分裂为同时型,形成的四分体为四面体形。花药壁由5层细胞组成,其发育方式为基本型,腺质型绒毡层,有的绒毡细胞分裂形成不规则双层,少数细胞为双核。二细胞型花粉。雌蕊由4心皮组成,仅基部联合。侧生胚珠具双珠被,厚珠心。大孢子孢原为单细胞,其分裂形成周缘细胞和造孢细胞,前者发育成周缘珠心层,后者直接发育成大孢子母细胞。大孢子母细胞经减数分裂,形成线形或 T 型大孢子四分体,合点端的大孢子具功能。蓼形胚囊,胚囊成熟时,极核融合成次生核,其位于卵细胞附近,3个反足细胞退化。成熟的卵器、助细胞核位于细胞的合点端,珠孔端具小液泡。高山红景天的双受精过程属于有丝分裂前配子融合类型。初生胚乳核早于合子分裂,胚乳发育为细胞型,初生胚乳核横分裂形成两个细胞,合点端的大细胞不再分裂,发育成具一大核的吸器,珠孔端的小细胞进一步分裂形成胚乳本体。胚的发育为石竹型,核子横分裂为一个大的基细胞和一个小顶细胞,基细胞增大并侵入珠孔端形成囊状的吸器;顶细胞再分裂为两个细胞,其珠孔端的细胞只分裂几次,形成一短的胚柄;合点端的细胞分裂多次,发育成胚本体。种子成熟时,胚已发育完全,部分出现了子叶解体现象。

2 无性繁殖及组织培养

近年来,随着人们对高山红景天的不断研究与开发利用,自然生长状态的高山红景天资源基金项目:教育部高等学校骨干教师资助计划项目(650530)

收稿日期:2001-09-04作者简介:陈玉珍(1967-),女,硕士,北京林业大学生物学院讲师,从事生物技术教学和科研工作。

特 产 研 究2001年受到了严重的威胁,高山红景天种子体积小,千粒重不到1g,成熟晚,多败育,发芽率低,幼苗的成活率也低,自然繁殖相当困难。因此加快其人工繁殖,缓解资源开发与保护的矛盾已成为当务之急[4,5]。

秦佳梅等经多次考察发现,多年生红景天植株有的分枝多簇生。茎顶呈 狮子头 型,有的根茎横走,上具有许多饱满不萌发的潜伏芽;也有个别花茎腋芽萌发,在易被雨水冲刷处,发现由断根及断根茎萌生的新植株,以上3种繁殖方法,简便易行,且当年苗即能开花结实,生长2~3年即可采收,生长周期短,可广泛应用于生产[6]。

刘世强等的研究表明,利用种子诱导愈伤组织,然后分化成植株的方法,可作为快速繁殖红景天的手段。在MS+BA1+2.4-D0.5培养基上,种子可脱分化形成愈伤组织,以种子为外植体诱导的愈伤组织分化能力最强[5]。罗明等对新疆产高山红景天的组织培养研究表明,在20~25!培养温度下,结构松散、呈颗粒状的紫红色或红褐色胚性愈伤组织的器官分化能力最强。不同激素种类的浓度的组合对愈伤组织诱导和分化的效果不同。MS+KT1+NAA0.5+ZT0.5+6-BA0.5是休眠芽脱分化形成愈伤组织的最佳培养基,MS+NAA0.2+6-BA1.5是愈伤组织分化出芽的最佳培养基,B5培养基生根效果最好[4]。

3 抗冻性及抗冻蛋白研究

除少数生长于海拔2000m左右的高山草地、林下灌丛或沟旁岩石附近外,大部分的种生长于海拔3500~5000m的石灰岩、花岗岩山地冰川、山梁草地或山谷岩石上,常几十平米一片片的密集生长,很少零星分布。红景天植物能在极其恶劣而多变的自然环境中生长,如缺氧、低温干燥、狂风、强紫外线照射、昼夜温差大等,这就意味着它已从遗传上适应高寒多变的恶劣环境,或具备了其它植物所没有的特殊适应性的物质。

我们选择了青海高原海拔4000m高山生长的唐古特红景天为实验材料,研究了这种植物的抗寒性,并在这种植物中发现了抗冻蛋白。研究表明唐古特红景天叶片有很强的抗冻性,可耐受-26.5!的冰冻低温胁迫。在北京地区夏季(7月)驯化20d后,半致死温度(LT50)升高为-15.5!。叶片质外体蛋白抽提液有明显的热滞效应(0.2!),即质外体中存在抗冻蛋白(AFP),AFP中存在糖基。

电镜细胞化学研究揭示,在叶片细胞壁外层及细胞间隙中分着明显的经钌红特异染色的糖蛋白,这种糖蛋白因环境温度升高而减少。这种细胞壁外层及细胞间隙中的糖蛋白即抗冻蛋白。以叶片为外植体,在MS+BA2+NAA0.2固体培养基上诱导出了黄绿色、松脆愈伤组织。愈伤组织细胞在同样成分的液体培养基中培养获得成功。在悬浮培养液中可检测到分泌蛋白的存在。经SDS-PAGE分析表明,低温锻炼或脱落酸(ABA)诱导后,细胞分泌蛋白的多肽谱带数增加。与此相对应的是,细胞的抗冻能力也明显提高。锡夫试剂(PAS)染色揭示多肽中均含有糖基。通过测定热滞值,确信细胞分泌蛋白是具有抗冻活性的糖蛋白[8,9]。[7]

4 次生代谢产物的生物工程研究

红景天有100种左右的化学成分,是一类具有天然配方的保健药物。它类似人参,但又优于人参。我国许多植物学家认为,红景天植物资源是继人参、刺五加之后发现的我国第3种重要的保健药物资源。到目前,已先后分离出40多种化学物质,主要有香豆素、黄酮类和甘类等;已知有效单体为红景天甙(salidroside)和二苯甲基六氢吡啶;红景天植物提取物、红景天素和红景天甙有广泛的药理作用,如抗缺氧、抗疲劳、抗微波辐射、抗毒作用、双向调节作用及对,

第4期陈玉珍等:珍稀濒危植物红景天生物学研究进展! 弱期的病人、各种神经官能症患者[10,11]。阎秀峰等在黑龙江省大海林区海拔1400~1620m的高山上,依据高山红景天的生境于岳铧林内、高山草甸、苔原上选择了6个样地,测得高山红景天根部的红景天甙的含量有明显差异,红景天甙含量范围为0.101%~0.684%。从测定结果看,光照条件好、土壤肥沃的生境下高山红景天根部的红景天甙含量较高[12]。另外,研究表明,根部红景天甙的含量与植株的年龄有关。然而,目前红景天资源严重匮乏,故研究高山植物红景天细胞培养技术生产有效次生代谢产物以开辟新的资源意义重大[14]。

许建峰等分别以高红景天根、茎、叶及种子萌发的子叶为外植体诱导出5种愈伤组织,并比较了5种愈伤组织的生长速率及红景天甙的积累能力。通过对茎诱导愈伤组织的继代培养,初步选择了适宜的激素配比为3mg/LBA+0.3mg/LNAA,pH5的Ms培养基,最适培养温度为21~25![15]。

高山红景天愈伤组织悬浮培养能达到较高的生物量。实验证明,次生代谢产物红景天甙生成与细胞生长呈偶联型;高山红景天生长过程大致可分为指数生长期和恒速生长期。进一步研究表明,高山红景天细胞悬浮培养中,通过降低培养基pH值能有效地诱导细胞中红天甙的胞外释放。红景天甙的跨膜运载是一个与H+对运的动态过程,培养基pH值决定了红景天甙在胞内外含量的分布。细胞组织在pH大于3的培养基中处理3h以内,对细胞活性的影响不大。将诱导释放处理过的细胞组织转入到新鲜的生产培养基中,细胞仍具有合成红景天甙的能力[17]。高山红景天细胞悬浮培养过程中,3mg/LBA,0.3mg/LNAA,60mmol/L氮源,0.5~1.25mmol/LKH2PO4和200mg/L蛋白胨,较适合于细胞生长和红景天甙的积累。在适宜的接种量(3.2g/L)下细胞培养24d后,生物量达14.04g/L,干细胞中红景天甙含量为5.66mg g-1(18)。[16][13]

5 结语

总之,对红景天的研究已涉及到植物生物学的各个层面,除上述的生殖、组织培养、抗寒

[19][20][21]性、次生代谢产物外,有关这种植物的种群分布格局、种群适应机制、濒危原因、遗传

变异等也有研究报道。这些研究对加强濒危植物高山红景天的保护和利用具有重要的理论和实际意义。我们认为,在此基础上,加强对高山红景天药用次生代谢产物生成的生理生化机制的深入研究,不仅具有重要的理论意义,更有极大的应用价值并将会产生良好的经济效益。

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(上接第50页)

总之,根际微生态系统是土壤养分、水分、污染物和病虫害进入人参根的门户,研究人参根微生态对提高人参产量和质量有重大的战略意义。

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