氮素對藥用植物有效成分累積的影響研究進展

羅佳琪，付立忠

(浙江中醫(yī)藥大學 a 濱江學院，b 藥學院，浙江 杭州 311402)

藥用植物是指根、莖、葉、花、果實等含有特殊成分，可供人類用于防病、治病的植株。據(jù)全國第三次中藥資源普查統(tǒng)計，我國有記載的藥用植物有11 146種以上，占全部藥用資源的87%[1]。近年，隨著中醫(yī)藥事業(yè)的大力發(fā)展，藥用植物開發(fā)利用的速度不斷加快，消耗量逐年增加，野生資源保有量不斷減少，人工馴化栽培已逐漸成為藥用植物生產(chǎn)的主要手段。藥用植物人工栽培，應將所產(chǎn)藥材的品質(zhì)放在首位，其次才是藥材的產(chǎn)量。有效成分是衡量藥材品質(zhì)的重要指標。中藥材有效成分多為藥用植物的次生代謝產(chǎn)物，如黃酮類化合物、酚類化合物、生物堿類化合物、萜類化合物等。藥用植物次生代謝產(chǎn)物的累積受栽培所選品種(遺傳種質(zhì))、種植區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、所采取的農(nóng)藝措施等因素共同作用。在農(nóng)藝措施中，營養(yǎng)元素的供給對藥用植物次生代謝產(chǎn)物的累積影響巨大。

氮素參與植物的生命活動，是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，更是影響植物次生代謝產(chǎn)物累積的重要因素[2-3]。本文對不同氮素水平、氮素形態(tài)下藥用植物黃酮類、酚類、生物堿類、萜類等有效成分的累積研究進行綜述，為今后開展規(guī)范化栽培藥用植物、科學施氮和氮素作用于藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積分子機理研究提供參考。

1 氮素對黃酮類化合物累積的影響

黃酮類化合物具有保肝、抗菌、抗病毒、抗腫瘤、抗炎、抗氧化等多種生物活性，是藥用植物重要的有效成分。氮素對黃酮類化合物累積的影響，不同藥用植物表現(xiàn)不同。限制氮素的供給有利于三葉青(Tetrastigmahemsleyanum)、山楂(CrataeguspinnatifidaBunge)、廣金錢草(DichondrarepensForst)等植物中黃酮類化合物的累積[4-6]，這可能歸結(jié)于碳營養(yǎng)平衡假說(carbon-nutrient balance，CNB)。該假說認為當植株受到氮脅迫時，其生長受到的限制大于光合作用受到的限制，植物需要產(chǎn)生更多的次生代謝物來進行抗氧化[7-8]。而氮素供給過多則會導致短葶飛蓬(Erigeronbreviscapus)、雞骨草(Abruscantoniensis)、銀杏(Ginkgobiloba)等以黃酮類化合物為主要有效成分的藥用植物品質(zhì)下降[9-11]，原因可能與苯丙氨酸解氨酶活性有關(guān)。苯丙氨酸解氨酶是黃酮類次生代謝物質(zhì)合成的關(guān)鍵酶，氮素的過量供給會降低苯丙氨酸解氨酶的活性，從而影響游離黃酮類化合物的合成[12-13]。但是氮素供應量的增加，會促進枸杞(LyciumbarbarumL.)黃酮類化合物的累積[14]，而氮素盈虧對菘藍(IsatisindigoticaFortune)根與葉中黃酮類化合物累積的影響不同，缺氮有利于菘藍根中總黃酮的累積，而持續(xù)供氮則使葉中總黃酮累積更多[15]，這與在雞骨草中的研究結(jié)果類似[10]，原因可能與氮素供給使藥用植物地上和地下部生理代謝性失調(diào)有關(guān)[16]。具體機制有待進一步研究。

2 氮素對酚類化合物累積的影響

酚類化合物具有抗菌、抗炎、抗氧化等生物活性，是植物生存的重要基礎(chǔ)物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，氮素低水平供給，會增加三葉青、短葶飛蓬、丹參(SalviamiltiorrhizaBunge)、卡琪花蒂瑪(LabisiapumilaBlume)、蕁麻(UrticadioicaL)等藥用植物中總酚累積量[4,9,21-23]，其原因可通過蛋白質(zhì)競爭模型(protein competition model，PCM)來解釋，根據(jù)PCM的理論，蛋白質(zhì)與酚類化合物的合成存在苯丙氨酸這一共同前體，因此，蛋白質(zhì)與酚類化合物的分配是負相關(guān)的。隨著氮素供應的降低，蛋白質(zhì)含量下降，相應地酚類化合物累積量上升[24-25]。

氮素形態(tài)對藥用植物總酚類化合物累積影響的研究結(jié)果各有不同。銨態(tài)氮能夠顯著提高甘菊(Chamomile)中綠原酸的含量，促進酚酸物質(zhì)代謝[18]。銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的比例為25∶75時，杭白菊中綠原酸累積量達到最大[19]。目前針對酚類化合物的研究較少，也鮮少有報道與其相關(guān)的具體分子機理。

3 氮素對生物堿類化合物累積的影響

生物堿類化合物具有抗癌、降壓、止咳平喘等生物活性。目前氮素對藥用植物中生物堿類化合物累積的影響結(jié)論不一。有研究表明，低氮脅迫可以刺激菘藍合成更多的生物堿[15]，但也有隨著氮素水平的增加植物中生物堿累積量隨之增加的報道[26-27]，還有的研究結(jié)果表明，只有在適宜的氮水平下植物中生物堿的累積才能達到最大，氮素過多、過少均不利于其合成[28]。

氮素形態(tài)對生物堿類化合物累積影響的研究結(jié)果也各有不同。銨態(tài)氮有利于菘藍、曼陀羅(DaturastramoniumLinn)、顛茄(AtropabelladonnaL)等藥用植物體內(nèi)生物堿的累積[29-31]。銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的比例為25∶75時，有利于喜樹(Camptothecaacuminata)中喜樹堿的累積[32]。硝態(tài)氮有利于半夏(Pinelliaternata)中總生物堿的累積[33]，但不利于黃連(CoptischinensisFranch)根莖中小檗堿的累積[34]。氮素形態(tài)對生物堿類累積影響不一的原因，可能與生物堿前體形成有關(guān)，因為氨基酸是合成生物堿的前體，而氮素代謝影響藥用植物氨基酸的合成，進而影響生物堿合成[34-35]。結(jié)論有待于進一步確認。

4 氮素對萜類化合物累積的影響

萜類化合物具有顯著的抗癌、抗瘧疾、抗菌等生物活性，是一類分布廣泛、骨架龐雜、種類繁多的化合物。不同研究結(jié)果表明，氮素供給水平對萜類化合物在不同藥用植物中的累積影響不同。如低氮水平對絞股藍(GynostemmapentaphyllumMakino)中皂苷的累積具有促進作用[36]，高氮水平可使廣金錢草總皂苷和龍膽(GentianascabraBunge)中獐牙菜苷的累積量得到顯著提高[6,37]，而氮素施用量對三七(Panaxnotoginseng)中總皂苷累積量影響不大[38]。有學者認為在高氮水平下，植物中非結(jié)構(gòu)碳水化合物含量會下降，從而導致以非結(jié)構(gòu)碳水化合物作為底物合成的萜類的量下降[35,39]。但這在龍膽、廣金錢草、三七等藥用植物中并不完全適用。也有研究者提出氮通過影響萜類化合物生物合成中關(guān)鍵酶的水平來影響萜類的合成，具體機制還需深入研究。

硝態(tài)氮能促進薄荷(NepetacatariaL)精油累積[40]。銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的比例為75∶25時，能促使桔梗(Platycodongrandiflorus)中桔梗皂苷D的累積達到最大[41]。然而氮素形態(tài)對萜類化合物累積的影響機理鮮有報道，這可能與萜類化合物種類繁多、結(jié)構(gòu)復雜有關(guān)。

5 小結(jié)與展望

當今社會，人們對藥用植物的需求越來越多，對其品質(zhì)要求也越來越高。據(jù)現(xiàn)有的代謝理論和已取得的研究結(jié)果來看，在藥用植物人工栽培時，難以做到既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)[9,14]。綜合現(xiàn)有研究成果可知，氮素水平和氮素形態(tài)對不同藥用植物不同有效成分累積的影響是不同的。今后，除了開展氮素供給對某一藥用植物主要有效成分累積影響的實用性技術(shù)研究，還需要開展氮素對藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積影響的分子機理研究，以進一步提升藥用植物人工栽培過程中氮素的科學使用和促進藥用植物有效成分的累積，以便生產(chǎn)出更多高品質(zhì)藥材。