人參紅皮病發(fā)病機理研究進展

初賽君，佟愛仔，韓士冬，和法明，曹志強*

（吉林人參研究院·吉林通化·134001）

人參（Panax ginseng C.A.Mey）為五加科人參屬多年生宿根性藥用植物[1]，是我國傳統(tǒng)珍貴中藥材，具有重要的藥用價值以及生物活性。人參紅皮?。ㄒ卜Q水銹?。┦侨藚⒅谐Ｒ姷母坎『?，其病狀表現(xiàn)為病參根部周皮出現(xiàn)大小不一、形狀不規(guī)則的紅褐色病斑，發(fā)病初期時出現(xiàn)于主、側(cè)、須根局部，隨著栽培時間增長，銹斑逐漸擴展到主、側(cè)、須根的大部分，嚴重時至全根周皮，病斑僅出現(xiàn)于參根周表皮組織，無凹陷，無腐爛或特殊氣味，病斑上有縱裂，但參根周表皮皮下組織正常，病株地上部無明顯癥狀[2～3]?；疾⒏a(chǎn)品質(zhì)量下降，商品等級下降至少2～3個等，并且加工費時、費力，造成巨大的經(jīng)濟損失[4～5]，人參紅皮病嚴重制約著人參產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)性發(fā)展。目前對于人參紅皮病的發(fā)病機理探索研究眾多，但并無確定結(jié)論，本文對其發(fā)病機理的探索研究進行了歸納總結(jié)，有助于加強對人參紅皮病的研究認識并對后續(xù)的科學(xué)研究具有重要意義。通過對人參紅皮病發(fā)病機理的研究進行歸納總結(jié)，可將其發(fā)病機理分為非侵染性和侵染性兩個途徑。

1 非侵染性

非侵染性人參紅皮病的成因至今尚不明確，目前國內(nèi)外多數(shù)學(xué)者將人參紅皮病定義為非侵染性病害，其發(fā)病機理主要可分為病參中金屬離子含量高以及人參應(yīng)激自我保護反應(yīng)兩種類型。

1.1 病參中金屬離子含量高

該研究觀點主要認為人參紅皮病的發(fā)病機理為病參中金屬離子含量高 （分別為Fe含量高，Al含量高，F(xiàn)e、Al含量高，多種金屬離子含量高以及金屬離子促使酚積累五種原因）致使人參產(chǎn)生紅皮病。詳情如下：

1.1.1 Fe含量高

20世紀90年代張桂英等人[6]用電感耦合氬等離子發(fā)射光譜法（ICAP）對人參紅皮病參皮和健參皮中的9種元素含量做了對比化學(xué)分析。得出結(jié)果為人參紅皮病參皮中的鐵和鋁含量高于健參參皮，并且紅皮病參皮中的磷含量甚高，因此推測紅皮人參中可能存在磷酸鐵化合物。隨后張亞玉等人[7～8]分別用鄰菲羅啉比色法以及水培法對發(fā)病人參根以及健參根中Fe含量進行測定，得知鐵膜的形成與人參不同生育期生理狀況有關(guān)，隨著發(fā)病程度的增加，參根各部位Fe的含量明顯增高，且鐵離子對參根鐵膜形成作用是Fe2+＞Fe3+，明確了Fe的含量高低與人參紅皮病的形成有直接關(guān)系。趙曰豐等人[9]也用水培法進行了參根中Fe的測定，得出與張亞玉等人[8]相一致的結(jié)論，間接說明了該觀點的科學(xué)性。Wang Yingping等人[10]通過測定人參根外皮中土壤和鐵的還原物質(zhì)，得知人參銹斑主要由有機復(fù)合鐵組成，并且隨著土壤水分和溫度變化，活性鐵和非活性鐵相互轉(zhuǎn)化。李志洪等人[11]采用生態(tài)樣塊的方法，對白漿土區(qū)人參紅皮病發(fā)生條件進行了較深入的研究，該研究表明，床土中活性還原有機物質(zhì)的形成，促進了土壤中鐵、錳氧化物活化，使亞鐵、二價錳積累，因此得知床土中亞鐵是紅皮病發(fā)生的主導(dǎo)因素。上述研究說明紅皮病人參中Fe含量高。

1.1.2 Al含量高

20世紀90年代趙曰豐等人[5]使用ICP法對長白山區(qū)主要參場紅皮病株根、莖、葉及根際土與健康參株進行了對比化學(xué)分析，得知病株中Al3+與人參紅皮病形成具有密切關(guān)系，鋁的積累主要分布在病根及其周皮中，病根周皮鋁的含量明顯高于健根周皮。到了21世紀XING LIU等人[12]采用原子吸收分光光度法對人參床土土壤固體組分的鋁分餾并進行了分析，發(fā)現(xiàn)具有較大紅皮面積的人參植株在表皮和纖維根中積累了較高濃度的鋁，且紅皮病指數(shù)越高的地塊，其容重、含水量和硝酸鹽濃度也越高，床層土壤中交換性鋁、NaOH萃取鋁和草酸銨萃取鋁的濃度也較高。上述研究說明紅皮病人參中Al含量高。

1.1.3 Fe、Al含量高

20世紀90年代劉俊峰等人[13]對撫松四參場參齡6年的生病參、健參進行了面掃攝下電子像(形貌像)及鐵、鋁、錳、鈦各元素的二維分布像，發(fā)現(xiàn)病參根表皮中含有過量的鐵、鋁，表明了人參紅皮病是與鐵、鋁的沉積直接相關(guān)的。隨后趙曰豐等人[2，14]通過ICP法以及電子探針技術(shù)研究人參紅皮病根中一些元素的含量和分布，研究發(fā)現(xiàn)病參根表面鐵、鋁的含量遠高于健參根表面且病參根周皮外層有鐵、鋁富集，土壤中 Fe2+、Fe3+、Al3+在參根周皮木栓層上累積、 固定、氧化淀積以及與人參本身生理生化活動綜合作用導(dǎo)致紅皮形成。21世紀初Sung-Sik Lee等人[15]通過對生銹的人參根部礦物營養(yǎng)測定得知人參生銹根系表皮中Fe、Na和Al的含量高于健康根系，高生銹度人參表皮中鐵和鋁的含量高于健康人參根表皮和低生銹度人參根表皮中鐵和鋁含量。后來劉星[16]通過對土壤鋁形態(tài)轉(zhuǎn)化與人參紅皮病關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)隨著人參紅皮病發(fā)病指數(shù)的增高，人參床土中非晶態(tài)鋁（Alo）、非結(jié)晶的無機鋁 （Alo-Alp）、根部部位的交換態(tài)鋁（Alexch）、非晶態(tài)鐵 （Feo）、非結(jié)晶的無機鐵形態(tài)（Feo-Fep）含量逐漸增高。上述研究說明紅皮病人參中 Fe、Al含量高。

1.1.4 多種金屬離子含量高

20世紀80年代武孔云[17]采用美國Jarrell-Ash公司生產(chǎn)的MarkⅡ型800等離子光譜儀對不同年份不同紅皮病程度人參病皮作無機離子測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人參紅皮病與 Al、Fe、Mn、Ba、Ca、Ni、Sr、P、Cu、Mg 等 離子均有極明顯的相關(guān)關(guān)系，并隨離子含量的增加而發(fā)病程度增加。隨后高金方、李志洪、孫淑梅等人[18～20]經(jīng)測定研究后均認為人參紅皮病是在白漿土的白漿化過程中，在過濕的周期性氧化還原狀態(tài)波動的影響下，F(xiàn)e、Mn富集導(dǎo)致。但曹國軍等人[21]采用中子活化法測定了6年生14個人參周皮層樣品中31種無機元素的含量， 發(fā)現(xiàn) Fe、Al、Eu、Sc、La 有促進人參紅皮病發(fā)生的趨勢，而Mn、Mg、K有抑制參根發(fā)病的趨勢。20世紀90年代Tae Su Lee等人[22]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)六年生銹根的各組織中的Na、Fe含量高于健康根。到了21世紀李剛、孫淑梅等人[23，20]認為由于白漿型參地土壤酸化加劇，使得紅皮病參地土壤中Al、Ca、Mg、Sr含量明顯高于正常參地，這與武孔云[17]等人研究結(jié)果相吻合。后來Q X Wang等人[24]分析了長白山5個不同地區(qū)土壤的理化性質(zhì)和酶活性，研究發(fā)現(xiàn)田間采集的土壤樣品生銹根指數(shù)與 pH、N、Fe、Mn、Al、Zn 和 Ca呈顯著正相關(guān)。上述研究說明紅皮病人參中多種金屬離子含量高。

1.1.5 金屬離子促使酚積累

20世紀末至 21世紀初 Sung-Sik Lee等人[25～26]進行了田間栽培人參的耐銹蝕性實驗研究，并且進行了化學(xué)成分分析，該研究發(fā)現(xiàn)健康人參皮質(zhì)、表皮和細根中的酚類化合物含量均低于銹病人參，健康人參皮質(zhì)中K、Ca、Na含量均低于銹病人參，健康人參表皮中 Mg、Fe、Na、Mn、Al、Si含量低于銹病人參， 健康人參分枝和細根中Fe含量與銹病人參相比較低，且根系銹蝕程度與栽培時間呈正相關(guān)關(guān)系。隨后Zhou Y等人[27]對5年生健康和患病的紅皮人參的表皮、皮質(zhì)和纖維根進行了無機元素組成、酚類化合物濃度、反應(yīng)性氧化系統(tǒng)、抗壞血酸鹽和谷胱甘肽等抗氧化劑濃度、與酚代謝和氧化有關(guān)的酶的活性、以及抗氧化系統(tǒng)、抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的檢測，通過研究發(fā)現(xiàn)Al和Fe元素的較高積累，激活了與酚類化合物的積累及其氧化相關(guān)的多種酶，這可能導(dǎo)致人參的紅皮癥狀，這一觀點也證明了Sung-Sik Lee等人[25～26]研究的科學(xué)性。上述研究說明紅皮病人參中金屬離子促使酚積累。

1.2 人參應(yīng)激自我保護反應(yīng)

該研究觀點主要認為人參紅皮病的發(fā)病機理為人參長期處于鐵、鋁脅迫下的一種應(yīng)激自我保護反應(yīng)。長期的鐵、鋁脅迫刺激人參表皮細胞分泌大量的酚類化合物和活性氧，酚類化合物被活性氧氧化成醌類，保護人參內(nèi)部免受危害，醌類化合物的顏色與紅皮病人參表皮的顏色相似，同時酚類化合物螯合金屬Al、Fe以及 Fe元素的氧化等人參生理生化活動綜合作用使人參產(chǎn)生紅皮病。

20世紀末趙曰豐等人[28]用ICP法對長白山區(qū)各參場人參紅皮病病株根莖葉與健株根莖葉的無機元素含量進行了測定，該研究發(fā)現(xiàn)病參全株鐵、鋁含量明顯增加，特別是根周皮鐵、鋁含量大幅度上升，而莖、葉及根的其它部位鐵、鋁含量卻相對減少，因而得知人參根系把鐵鋁中毒受害部位局限在人參周皮，使人參其它部位免受其害，這是一種為適應(yīng)環(huán)境脅迫而產(chǎn)生的自我保護反應(yīng)。21世紀初Sung-Sik Lee等人[29]通過分析人參健康根和人參生銹根各組織的抗氧化活性水平發(fā)現(xiàn)人參生銹根部的超氧化物歧化酶活性、過氧化氫酶活性、DPPH自由基清除活性均比人參健康根中的高，銹病根系表皮組織、皮層組織和根組織中谷胱甘肽、還原性谷胱甘肽與氧化性谷胱甘肽的比值比健康根系的高，因此得知人參銹根的高抗氧化活性可能與克服環(huán)境脅迫引起的氧化應(yīng)激有關(guān)。到了21世紀劉文[30]從人參植株的無機元素含量變化、活性氧和人參表皮中酚類化合物三方面研究了Al與人參紅皮病的關(guān)系，得知人參紅皮病可能是Al脅迫人參植株，刺激人參表皮細胞分泌大量的酚類化合物和活性氧，酚類化合物被活性氧氧化成醌類，醌類化合物的顏色與紅皮病人參表皮的顏色相似，同時酚類化合物螯合金屬 Al、Fe以及 Fe元素的氧化等人參生理生化活動綜合作用的結(jié)果，從而進一步推測，人參植株內(nèi)酚類化合物含量的增加是人參抵抗外界環(huán)境的一種手段。隨后郜靈靈、張博[31，3]分別通過研究得出鋁脅迫和酚類化合物的氧化是紅皮病發(fā)病的重要原因，并推測紅皮病是人參長期處于鋁毒脅迫下的一種自發(fā)的自我保護機制，長時間的鋁脅迫導(dǎo)致酚類化合物在人參表皮堆積、氧化形成紅色病皮組織，保護人參內(nèi)部免受危害，這與劉文[30]得出一致結(jié)論。上述研究說明人參紅皮病是人參的應(yīng)激自我保護反應(yīng)。

2 侵染性

目前國內(nèi)外部分學(xué)者認為侵染性人參紅皮病的人參中存在革蘭氏陰性細菌侵染、Rhexocercosporidium panacis侵染以及其它微生物侵染共三種類型的侵染性病害。

2.1 革蘭氏陰性細菌侵染

21世紀10年代Jae Eul Choi等人[32]經(jīng)研究人參生銹根和內(nèi)生細菌之間的潛在關(guān)系發(fā)現(xiàn)生銹人參根系中存在大量的內(nèi)生菌，并從生銹的人參根中分離出31株分離物，其中24株分離物在人參根部反復(fù)誘導(dǎo)致使人參中度生銹，7株分離物則引起輕微生銹。經(jīng)鑒定生銹人參根部的細菌主要為革蘭氏陰性需氧菌。同年P(guān)ark YD等人[33]從高麗參銹根病灶表面組織中分離到革蘭氏陰性需氧菌CG20106T。對其進行16S rRNA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育分析表明該需氧菌是假單胞菌屬中一個未知的亞系。該人參分離物的總體表型特征與Pseudomonas cedrina，Pseudomonas migulae 和Pseudomonas azotoformans相似，并將該菌株CG20106T命名為 Pseudomonas panacis sp.nov.。21世紀20年代Farh ME1等人[34]從位于韓國江原道華川山的人參根的根際分離出一種名為DCY109T的革蘭氏染色陰性棒狀細菌菌株，這與Jae Eul Choi、Park YD等人[32～33]研究結(jié)果相吻合。經(jīng)16S rRNA基因序列分析表明，DCY109T菌株屬于 Phenylobacterium，與Phenylobacterium muchangponense KACC 15042T（相似性 98.2%），Phenylobacterium immobile DSM 1986T（96.9%） 和 Phenylobacterium koreense KCTC 12206T（96.7%）密切相關(guān)，基于生理學(xué)，生物化學(xué)，化學(xué)分類學(xué)和遺傳學(xué)分析，菌株DCY109T被認為代表Phenylobacterium的新物種，其被提議命名為Phenylobacterium panacis sp.nov.。上述研究說明紅皮病人參中存在革蘭氏陰性細菌侵染。

2.2 Rhexocercosporidium panacis侵染

X.H.Lu等人[35]于2013年9月在吉林省和黑龍江省的三個地區(qū)分別收集了10個人參患病根。從患病組織中培養(yǎng)出小的橄欖色黑色菌落，將3個隨機選擇的菌絲純化后進行進一步鑒定，經(jīng)鑒定三個分離菌株的序列顯示 (GenBank登錄號為KJ149287、KJ149288和KJ149290-93)，其與之前鑒定的Rhexocercosporidium panacis分離株 (DQ2499992和DQ457119)的同源性均為99%～100%，并將這三種分離株鑒定為R.panacis并保藏于中國通用微生物菌種保藏中心（CGMCC3.17259-61）。該研究說明紅皮病人參中存在R.panacis侵染。

2.3 其它微生物侵染

20世紀90年代尚延智等人[36]通過研究發(fā)現(xiàn)采用侵染性途徑在人參移栽期對其進行侵染，可以使人參100%染病，因此判斷人參紅皮病為侵染性病害，微生物的作用是形成紅褐色物質(zhì)的誘因。隨后陳振山等人[37]分別用ICP-6500等離子發(fā)射光譜儀及825-50型氨基酸分析儀測定健康白皮參及患病的紅皮參中所含的無機元素及氨基酸含量，經(jīng)研究得知人參紅皮病病變部位周皮所含的無機元素及氨基酸量均比健康的人參周皮含量高，因此推測在紅皮病形成過程中有微生物侵染源的存在。同年司永吉等人[38]利用聚丙烯酰胺凝膠電泳和薄層掃描進行了人參紅皮病發(fā)病部位同工酶組份和活力變化的研究，該研究表明被侵染的人參各類樣品中酯酶活力平均比無病白皮參增加100%，多酚氧化酶活力增加30%～60%，且在侵染早期出現(xiàn)了新的同工酶譜帶，多酚氧化酶同工酶及酯酶同工酶的活力變化均與人參感病的時間和程度呈正相關(guān)，該研究說明人參紅皮病根自身的酯酶活力增加是由于受了侵染導(dǎo)致的。到了21世紀10年代Rahman M等人[39]用甲苯胺藍將人參銹蝕根染成藍綠色，表明其存在酚類化合物并使用能量色散x射線光譜和原子發(fā)射光譜分析得知受紅皮病影響的人參表皮細胞有明顯的鐵、鋁、硅、鎂等陽離子的積累并且總酚類化合物含量增加了3倍，同時采用HPLC分析顯示人參中槲皮素、肉桂酸、香草酸、對羥基肉桂酸、苯甲酸、綠原酸和兒茶酸含量顯著升高，后在田間種植的人參根系上施用殼聚糖，發(fā)現(xiàn)其引起的癥狀類似于人參根系生銹，因此推測紅皮病發(fā)病機理可能是由于含幾丁質(zhì)的土壤真菌入侵誘導(dǎo)宿主產(chǎn)生防御反應(yīng)，在人參表皮細胞和皮層細胞產(chǎn)生酚，隨后酚類化合物的氧化和金屬離子的螯合（特別是Fe的螯合）導(dǎo)致紅皮病產(chǎn)生。上述研究說明紅皮病人參中存在其它微生物侵染。

3 討論

白漿土質(zhì)地粘重、團聚體質(zhì)量差、土壤含水過多、排水不暢易導(dǎo)致人參產(chǎn)生紅皮病。關(guān)于人參紅皮病的研究眾多，除上述主要研究觀點外，孫彥君等人[40]認為參根周皮層死亡組織的分解及其腐殖化是這類參根銹斑物質(zhì)的重要來源之一，而徐成路[41]則認為人參根際土壤含水量高、土壤容重大、pH值小、有機質(zhì)含量高、鐵錳離子含量高、人參根際土壤多酚氧化酶活性高的人參容易患紅皮病，并且人參根際土壤中變形菌門、酸桿菌門、芽單胞菌門和硝化螺旋菌門以及Rhodoplanes、Nitrospira、Pseudomonas、Thiobacillus、

Hyphomicrobium和Pedomicrobium菌屬在土壤中所占比例高的人參更容易得紅皮病，這也間接證明了Park YD等人[33]研究的科學(xué)性。目前國內(nèi)外學(xué)者針對人參紅皮病發(fā)病機理的研究多集中于定義其為非侵染性病害，對于其為侵染性病害的研究鮮少報道，其發(fā)病機理有待于進一步研究。目前推測其發(fā)病機理可能為土壤濕度、土壤溫度改變導(dǎo)致病參中金屬離子堆積脅迫或土壤濕度、土壤溫度改變后參根周際微生物群落變化使人參招致微生物侵染后人參本身的一種自我應(yīng)激保護反應(yīng)，保護人參內(nèi)部免受危害，使得人參在受到脅迫或侵染后表皮細胞分泌大量的酚類化合物和活性氧，酚類化合物被活性氧氧化，同時酚類化合物螯合金屬離子以及金屬元素的氧化等人參生理生化活動綜合作用的結(jié)果。