鈣離子對(duì)藥用植物生長(zhǎng)和次生代謝產(chǎn)物積累作用的研究進(jìn)展△

范沾濤，劉寒，黃媛，馬梅冰，李林軒，韋范，梁瑩，陸恒，韋坤華*

1.廣西壯族自治區(qū)藥用植物園 廣西藥用資源保護(hù)與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西壯族自治區(qū)中藥資源智慧創(chuàng)制工程研究中心，廣西 南寧 530023；

2.中國(guó)藥科大學(xué) 江蘇省中藥評(píng)價(jià)與轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211198

鈣元素作為植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的17 種營(yíng)養(yǎng)元素之一，具有極其重要的生理功能。其既是植物細(xì)胞壁的重要結(jié)構(gòu)組分，對(duì)細(xì)胞膜的流動(dòng)性具有較大影響；也是液泡內(nèi)重要的滲透保護(hù)物質(zhì)，具有維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡的功能[1]。鈣離子能夠調(diào)控植物種子萌發(fā)速率、植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、生殖生長(zhǎng)中的細(xì)胞極性生長(zhǎng)和細(xì)胞壁生物合成，進(jìn)而影響植物根毛、花粉管生長(zhǎng)與莖稈強(qiáng)度；在植物響應(yīng)逆境脅迫中，其能夠通過(guò)激活保護(hù)酶系統(tǒng)、改善光合作用等緩解低溫、高溫、干旱、高鹽和病蟲(chóng)害等脅迫對(duì)植物的傷害[2]。鈣作為耦聯(lián)胞外信號(hào)與胞內(nèi)生理反應(yīng)的第二信使發(fā)揮調(diào)控作用，在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育、響應(yīng)生物和非生物脅迫方面起著重要作用[3]。本文綜述了鈣對(duì)藥用植物生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化特性和次生代謝產(chǎn)物積累影響的研究現(xiàn)狀，為今后研究鈣離子調(diào)控藥用植物品質(zhì)相關(guān)研究提供參考。

1 植物對(duì)鈣的需求和鈣缺乏的原因

植物體含鈣量一般為0.1%～5.0%，不同植物種類、部位和器官的變化幅度很大，一般規(guī)律為雙子葉植物>單子葉植物。植物地上部莖、葉含有較多的鈣，而根部、果實(shí)和籽粒中的鈣較少[4]。土壤中游離形式的鈣離子被植株吸收后，多數(shù)以草酸鈣形式存積，占植物干物質(zhì)的0.5%。通常植株體內(nèi)鈣的含量低于氮、鉀而高于磷、鎂、硫。鈣與果膠酸形成的果膠酸鈣可以起到穩(wěn)定細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)作用；與磷脂分子結(jié)合可以穩(wěn)定細(xì)胞膜；對(duì)液泡內(nèi)陰陽(yáng)離子有平衡作用；還可以影響細(xì)胞分裂，促進(jìn)紡錘絲的形成。鈣還參與調(diào)節(jié)和控制植物的許多生理生化反應(yīng)，是植物代謝的重要調(diào)控者[5-6]。

植物缺鈣主要有兩方面原因：1）土壤缺鈣。土壤鈣是重要的植物養(yǎng)分之一[7]，由根系被吸收入植物體內(nèi)后，對(duì)植物所需的生命活動(dòng)物質(zhì)代謝過(guò)程和一些激素起到調(diào)節(jié)作用[8-9]，土壤中鈣含量及有效性可以影響植物對(duì)鈣的吸收能力[10]。植物細(xì)胞對(duì)鈣離子的吸收與土壤溶液中鈣離子的量成正比[11]，土壤缺鈣易導(dǎo)致植物缺鈣。2）生理缺鈣。盡管土壤含鈣豐富，但仍出現(xiàn)植物缺鈣的現(xiàn)象，這主要是由于鈣的轉(zhuǎn)運(yùn)受到抑制。由于植物體內(nèi)鈣的長(zhǎng)距離運(yùn)輸主要發(fā)生在木質(zhì)部，蒸騰作用是其運(yùn)輸動(dòng)力，即鈣通過(guò)蒸騰水流移動(dòng)，而幼嫩部位及果實(shí)的蒸騰作用較小，對(duì)鈣的競(jìng)爭(zhēng)弱于葉片，加之鈣在韌皮部中移動(dòng)性差，難以再運(yùn)輸和分配到新生部位及果實(shí)，最終導(dǎo)致植物的幼嫩部位、果實(shí)、生長(zhǎng)點(diǎn)最容缺鈣[11-12]。

2 鈣離子對(duì)藥用植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1 鈣離子對(duì)藥用植物種子活性的影響

種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)是植物生命周期中最重要的2 個(gè)階段，是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。種子萌發(fā)受到許多生理、生化和分子的協(xié)調(diào)調(diào)控。鈣是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素之一，參與種子萌發(fā)、分化生長(zhǎng)、形態(tài)建成及開(kāi)花結(jié)果等整個(gè)生命過(guò)程。種子萌發(fā)過(guò)程中，鈣離子通過(guò)改變酶活性增大發(fā)芽勢(shì)、提高成苗率[13]。用不同濃度鈣離子處理白及Bletilla striata（Thunb.ex Murray）Rchb.F.種子，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加鈣離子濃度可促進(jìn)其萌發(fā)后子葉生長(zhǎng)，且子葉生長(zhǎng)隨鈣離子濃度增加而加快[14]。用不同濃度CaCl2溶液處理越南槐Sophora tonkinensisGagnep.種子，種子萌發(fā)率隨CaCl2溶液處理濃度的增加而降低，萌發(fā)種子的含水量隨處理濃度的增加而減少[15]。以150 mmol·L-1NaCl 溶液模擬鹽脅迫進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)，研究不同濃度CaCl2對(duì)鹽脅迫下金花葵Abelmoschus manihot（L.）Medicus種子萌發(fā)發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)的影響，不同濃度的外源鈣對(duì)金花葵種子的萌發(fā)影響不同，以20 mmol·L-1CaCl2處理金花葵種子緩解效果最好、種子萌發(fā)率最高，表明一定濃度的CaCl2有助于緩解鹽脅迫對(duì)金花葵種子萌發(fā)的抑制作用[16]。以紅花Carthamus tinctoriusL.種子為研究對(duì)象，在弱鈣、弱鉛情況下，紅花種子發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢(shì)均最高，說(shuō)明低濃度的鈣對(duì)鉛脅迫下紅花種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用[17]。用3%的海藻酸鈉和不同濃度的氯化鈣包埋劑處理蛇根木Rauvolfia serpentina（L.）Benth.ex Kurz 種子，當(dāng)CaCl2濃度 從75 mmol·L-1增加到100 mmol·L-1時(shí)，種子發(fā)芽率從84%下降到52%[18]。然而，在用海藻酸鈉和氯化鈣處理的紫花丹Plumbago roseaL.種子實(shí)驗(yàn)中，以2.5%海藻酸鈉和100 mmol·L-1CaCl2處理的改良MS培養(yǎng)基上的種子發(fā)芽率最高、出芽時(shí)間最早，每個(gè)外植體新芽數(shù)最多（2.31±0.16）個(gè)[19]。由此可見(jiàn)，鈣離子濃度對(duì)不同植物種子萌發(fā)的作用效果不同，有些植物種子在高鈣濃度下有利于萌發(fā)，而有些植物種子在低鈣濃度下有利于萌發(fā)。

2.2 鈣離子對(duì)藥用植物地上和地下部分生長(zhǎng)狀況的影響

鈣有利于碳水化合物的轉(zhuǎn)化和其他營(yíng)養(yǎng)元素的吸收代謝，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而缺鈣或鈣過(guò)量均會(huì)影響到植物的生長(zhǎng)發(fā)育[20]。鈣長(zhǎng)期不足或過(guò)多時(shí)，植物的生長(zhǎng)受到抑制[21]。植物缺鈣的典型癥狀包括分生組織區(qū)域壞死、細(xì)胞分裂和細(xì)胞壁形成加速。缺鈣導(dǎo)致植物根系可能呈現(xiàn)棕色、短、高分枝，甚至分生區(qū)過(guò)早死亡。太子參Pseudostellaria heterophylla（Miq.）Pax ex Pax et Hoffm.在低鈣脅迫時(shí)，無(wú)論是單株產(chǎn)量還是單個(gè)塊根質(zhì)量都極顯著低于正常條件下的太子參[22]。有研究指出，缺鈣導(dǎo)致西洋參Panax quinquefoliusL.株高和葉面積下降，地上和地下部生物量顯著降低，全株生物量低于全營(yíng)養(yǎng)對(duì)照的50%以上[23]，說(shuō)明鈣營(yíng)養(yǎng)元素缺乏會(huì)嚴(yán)重影響藥材的產(chǎn)量，增施鈣營(yíng)養(yǎng)元素可以提高藥材的產(chǎn)量。研究鈣脅迫下人參Panax ginsengC.A.Mey.生物學(xué)特征，結(jié)果顯示，低鈣（0.25 mmol·L-1）處理的人參葉片深綠、面積小且皺縮，莖彎曲，根系弱小、側(cè)根少且呈紅褐色；高鈣（16 mmol·L-1）處理的人參葉片黃綠、側(cè)根發(fā)達(dá)，這表明人參缺鈣會(huì)嚴(yán)重影響人參根、莖、葉的生長(zhǎng)和發(fā)育，導(dǎo)致人參抗性降低[24]。研究發(fā)現(xiàn)，鈣調(diào)蛋白（CaM）抑制劑三氟拉嗪（TFP）或鈣離子螯合劑乙二醇四乙酸（EGTA）處理的鐵皮石斛Dendrobium officinaleKimura &Migo 原球莖生物量顯著降低[25]。鈣缺乏對(duì)巴西紅厚殼Calophyllum brasilienseCambess.幼苗7 個(gè)月后的存活率和生長(zhǎng)均有較大影響，缺鈣處理使53%的幼苗死亡，存活的幼苗葉片顏色偏黃，新生葉片芽減少[26]。研究水培條件下不同鈣濃度對(duì)天仙子Hyoscyamus nigerL.根干質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，當(dāng)鈣濃度為0～33.3 mg·L-1時(shí)，植物根干質(zhì)量隨鈣施用量增加而增加，但當(dāng)鈣濃度為50 mg·L-1時(shí)，植物根干質(zhì)量減少[27]。用CaCl2處理催眠睡茄Withania somnifera（L.）Dunal 幼苗和愈傷組織，在較高濃度的CaCl2脅迫下，幼苗出現(xiàn)黃化，生長(zhǎng)發(fā)育不良甚至壞死；CaCl2濃度超過(guò)100 mmol·L-1時(shí)，幼苗和愈傷組織不能存活；幼苗的相對(duì)含水量隨CaCl2濃度的增加而降低[28]。因此，合理鈣源有助于促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量，而過(guò)多的鈣則會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害，抑制植物生長(zhǎng)。

3 鈣離子對(duì)藥用植物生理生化特征的影響

3.1 光合特性

光合作用與植物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成及次生代謝產(chǎn)物的合成積累關(guān)系密切[29]。鈣對(duì)植物的生長(zhǎng)及光合特性起著不可或缺的作用。施加適量的鈣可以促進(jìn)植物的光合作用，提高植物的凈光合速率，積累植物的光合色素的產(chǎn)物，使葉片的凈光合速率的增加、光合色素及光合產(chǎn)物累積等[30]。缺乏鈣元素導(dǎo)致1年生何首烏Pleuropterus multiflorus（Thunb.）Nakai葉片顏色褪淡、葉綠素a和葉綠素b含量均低于正常處理[31]。金銀花Lonicera japonicaThunb.葉綠素含量在低鹽度脅迫下略有增加，但隨著鹽濃度的增加而降低；添加外源鈣處理后，葉綠素含量增加，提高了鹽脅迫下金銀花的光合速率[32]。有研究發(fā)現(xiàn)，5～10 mmol·L-1低濃度CaCl2溶液噴施處理可有效減少高溫脅迫后茅蒼術(shù)Atractylodes Lancea（Thunb.）DC.葉片黃化現(xiàn)象，抑制葉綠素分解，使葉片葉綠素含量顯著增加，葉綠素?zé)晒鈪?shù)整體呈上升趨勢(shì)[33]。安鈺等[34]研究指出，施用外源鈣后，甘草Glycyrrhiza uralensisFisch.葉片葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率在各干旱脅迫下均有不同程度提高，表明鈣離子維持了葉片葉綠素的合成，參與了調(diào)節(jié)和控制氣孔運(yùn)動(dòng)，增加了葉片的氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率，改善了CO2的供應(yīng)，進(jìn)而提高了葉片的光合速率。適宜濃度的鈣離子處理可顯著提高多花黃精Polygonatum cyrtonemaHua 葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度，并加快了光合電子傳遞，降低了非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ），提高了多花黃精葉綠體光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）實(shí)際光化學(xué)效率、相對(duì)光合電子傳遞速率（ETR）和光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP），使多花黃精在高溫強(qiáng)光脅迫下維持較高的凈光合速率；但當(dāng)鈣離子濃度超過(guò)20 mol·L-1時(shí)，其對(duì)多花黃精光合系統(tǒng)沒(méi)有明顯的保護(hù)作用，甚至?xí)又仄涓邷貜?qiáng)光脅迫傷害[35]。這可能是因?yàn)殁}離子處理濃度過(guò)大，在一定程度上引起光合系統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞，從而導(dǎo)致光合電子傳遞鏈?zhǔn)茏瑁饽芾眯式档蚚36]。外源鈣處理的忍冬Lonicera japonicaThunb.比僅用鹽處理的忍冬具有更好的光化學(xué)性能，外源鈣保護(hù)了PSⅡ免于失活，促進(jìn)了光合電子的傳遞，維持了較高的胞間CO2濃度，對(duì)鹽脅迫下忍冬的生長(zhǎng)起到了積極作用[37]。這些研究結(jié)果表明，鈣影響植物的光合作用，進(jìn)而影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。

3.2 抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)

在逆境中，植物體需氧代謝加快，從而產(chǎn)生一系列過(guò)多的活性氧簇（ROS），損害細(xì)胞膜，加劇細(xì)胞氧化衰老，破壞植物體內(nèi)微平衡[38]。植物抗逆境生理生化等分子調(diào)控機(jī)制發(fā)揮自我保護(hù)作用。植物在逆境條件下往往通過(guò)保護(hù)酶類之間的協(xié)同作用，維持高的保護(hù)酶活性或抗氧化劑含量來(lái)清除體內(nèi)的ROS[39]?？寡趸赋趸锲缁福⊿OD）、過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）等是植物清除體內(nèi)ROS、抵御逆境傷害的第一道防線。在植物細(xì)胞內(nèi)，SOD將逆境條件下產(chǎn)生的超氧自由基（O2-·）歧化為過(guò)氧化氫（H2O2），在通過(guò)植物體內(nèi)的POD、CAT、抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）等將O2-·歧化生成的H2O2繼續(xù)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成對(duì)植物體沒(méi)有傷害的H2O 和O2，從而使植物體內(nèi)的活性氧代謝繼續(xù)保持平衡[40]。SOD、POD 和CAT 等酶活性越高，植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力就越強(qiáng)。鈣處理對(duì)西洋參Panax quinquefoliumL.抗氧化酶活性有顯著影響，SOD、POD 和CAT 活性隨鈣離子濃度先升高后降低，POD和CAT 活性比SOD 活性對(duì)鈣離子濃度的增加更為敏感[41]。研究不同濃度CaCl2對(duì)假馬齒莧Bacopa monnieri（L.）Wettst.試管苗抗氧化酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)在0～100 mmol·L-1CaCl2處理顯著提高了幼苗的抗氧化酶SOD、CAT、APX 和愈創(chuàng)木酚過(guò)氧化物酶（GPX）的活性[42]。有研究認(rèn)為，鈣處理下金銀花Lonicera japonicaThunb.的SOD 活性、CAT活性、POD 活性有不同程度的提高，通過(guò)調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)清除高鈣離子條件下產(chǎn)生的大量O2-·，降低其對(duì)細(xì)胞原生質(zhì)膜的損害[43]。板藍(lán)根Isatis tinctoriaLinnaeus 在鎘離子（Cd2+）脅迫下，添加低濃度CaCl2處理可緩解Cd2+毒害，顯著提高板藍(lán)根幼苗SOD、POD 和CAT 活性；高濃度CaCl2與Cd2+作用反而使幼苗的SOD、POD 和CAT 活性下降[44]。鈣離子對(duì)半夏Pinellia ternata（Thunb.）Breit.的POD、CAT 和SOD 3 種酶活性有促進(jìn)作用，當(dāng)鈣離子濃度逐漸升高時(shí)，三者活性呈先升高后下降的趨勢(shì)，至質(zhì)量濃度為600 mg·L-1時(shí)3 種酶活性最高，且此時(shí)丙二醛（MDA）含量較低，因此，鈣離子提高保護(hù)酶活性，進(jìn)而促進(jìn)新陳代謝，對(duì)提高半夏抗逆性有重要的調(diào)節(jié)作用[45]。當(dāng)施加一定濃度的CaCl2后，鹽脅迫下的黃芩Scutellaria baicalensisGeorgi 幼苗SOD、POD 和CAT 活性顯著升高，可減輕細(xì)胞的氧化程度，維持細(xì)胞正常生理活動(dòng)，對(duì)黃芩幼苗具有一定保護(hù)作用[46]。而三七Panax notoginseng（Burkill）F.H.Chen ex C.H.Chow 在不同濃度鎘脅迫下，添加CaCl2和石灰處理，隨著CaCl2和石灰濃度上升，抗氧化酶活性降低，有利于植物生長(zhǎng)[47]。所以植物抗氧化酶系統(tǒng)是植物應(yīng)對(duì)脅迫時(shí)的重要防御體系之一，在有效保護(hù)植物、減輕脅迫對(duì)植物的傷害方面扮演著重要角色。鈣離子通過(guò)激活抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)而在調(diào)節(jié)植物響應(yīng)脅迫方面起著重要作用。

3.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

植物在逆境下會(huì)在細(xì)胞內(nèi)合成并積累一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以平衡外部介質(zhì)或液泡內(nèi)的滲透壓。滲透物質(zhì)一般由無(wú)機(jī)離子（如K+、Cl-、Ca2+等）和有機(jī)物質(zhì)（如游離脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖等）共同構(gòu)成[48]。柴勝豐等[49]研究指出，隨著鈣離子濃度的升高，嫌鈣型金花茶Camellia petelotii（Merr.）Sealy 葉片脯氨酸含量顯著增加，可溶性糖含量變化卻不大；喜鈣型金花茶在不同鈣離子濃度下脯氨酸和可溶性糖的含量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但其可溶性糖含量卻顯著高于嫌鈣型金花茶。施加一定濃度的CaCl2能使鹽脅迫下丹參Salvia miltiorrhizaBunge 幼苗葉片中可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量升高，有利于丹參抵抗鹽傷害，但過(guò)量的鈣離子會(huì)導(dǎo)致植物受到離子脅迫[50]。采用不同濃度的CaCl2溶液處理金蕎麥Fagopyrum dibotrys（D.Don）Hara種子，隨著處理濃度的增加，萌發(fā)種子的含水量逐漸降低，在低濃度鈣離子脅迫時(shí)，萌發(fā)種子主要受到滲透脅迫，細(xì)胞通過(guò)抗氧化酶清除活性氧自由基；而在高濃度鈣離子脅迫時(shí)，萌發(fā)種子可能受到離子毒害作用[51]。CaCl2浸種在一定程度上降低了荊芥Schizonepeta tenuifoliaL.幼苗在鹽脅迫下對(duì)脯氨酸和可溶性蛋白的合成與積累，推測(cè)添加外源鈣使荊芥幼苗在鹽脅迫下存在多種滲透調(diào)節(jié)方式，從而使脯氨酸與可溶性蛋白的累積量減少[52]。適當(dāng)鈣處理能使鐵皮石斛Dendrobium officinaleKimura &Migo在中、低程度干旱脅迫下誘導(dǎo)產(chǎn)生新的蛋白，同時(shí)使其他蛋白穩(wěn)定表達(dá)，但在重度脅迫下只能在初期起到一定作用，隨著干旱脅迫時(shí)間的加長(zhǎng)，鐵皮石斛同樣會(huì)受到嚴(yán)重危害[53]。CaCl2處理使高溫脅迫下桔梗Platycodon grandiflorum（Jacq.）A.DC.葉片可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸的含量顯著增加，從而增強(qiáng)其對(duì)高溫脅迫的適應(yīng)能力[54]。添加外源鈣離子可顯著提高羅漢果Siraitia grosvenorii（Swingle）C.Jeffreyex A.M.Lu et Z.Y.Zhang 幼苗可溶性蛋白及脯氨酸含量，從而緩解鹽脅迫帶來(lái)的傷害[55]。低溫處理超過(guò)24 h 噴施CaCl2溶液可顯著提高獨(dú)一味Lamiophlomis rotate（Benth）Kudo幼株葉片可溶性糖含量，且CaCl2濃度與可溶性糖含量呈正相關(guān)[56]。以上研究結(jié)果表明，滲透調(diào)節(jié)是植物抵御鈣脅迫的重要生理機(jī)制之一，植物通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)機(jī)離子比例、數(shù)量，以及積累對(duì)細(xì)胞無(wú)毒的有機(jī)物，從而進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，以抵御逆境對(duì)其傷害。鈣離子通過(guò)調(diào)節(jié)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，在植物抵御逆境方面發(fā)揮作用。

3.4 膜脂過(guò)氧化作用

逆境條件下，植物體內(nèi)的O2-·、氫氧自由基（OH·）、單線態(tài)氧（O2）和過(guò)氧化氫自由基等有毒物質(zhì)大量積累，導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化或脫脂，產(chǎn)生大量的活性氧，引起植物一系列生理生化變化，使植物體內(nèi)的物質(zhì)、能量代謝紊亂[57]。MDA 是細(xì)胞內(nèi)膜脂過(guò)氧化或脫脂的產(chǎn)物，會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷細(xì)胞的生物膜，降低膜中不飽和脂肪酸的含量，使膜的流動(dòng)性降低[57]。MDA 含量的高低反映出細(xì)胞膜過(guò)氧化作用的強(qiáng)弱，進(jìn)而反映出細(xì)胞膜被損傷的程度及植物受害的嚴(yán)重程度[58]。研究發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)量濃度鈣（0～50 mg·kg-1）對(duì)檳榔Areca catechuL.葉片MDA 的積累效果不顯著，中質(zhì)量濃度鈣（200～400 mg·kg-1）可顯著減少M(fèi)DA 積累，高質(zhì)量濃度鈣（500 mg·kg-1）條件下MDA較中濃度鈣條件下增加，細(xì)胞膜受到損傷[59]。外源CaCl2可通過(guò)促使NaCl 脅迫下酸棗Zizyphus jujubaMill 幼苗植株體內(nèi)MDA 含量減少，降低膜脂過(guò)氧化水平，減緩NaCl脅迫對(duì)植株的傷害，從而增強(qiáng)對(duì)NaCl 脅迫的適應(yīng)性[60]。5 mmol·L-1鈣處理緩解了苧麻Boehmeria nivea（L.）Gaudich.體內(nèi)由鎘脅迫產(chǎn)生的MDA 增加作用，這可能與鈣對(duì)細(xì)胞膜穩(wěn)定性和完整性的保護(hù)作用有關(guān)；然而施加低濃度（1 mmol·L-1）和高濃度（10 mmol·L-1）的外源鈣加劇了鎘脅迫引起的膜脂過(guò)氧化損傷作用[61]。盧富桃等[62]對(duì)藥用植物栝樓Trivhosantnes kirilowiiMaxim.抗寒機(jī)制的研究中得出，低濃度外源鈣離子處理栝樓能有效緩解低溫對(duì)栝樓的傷害，外源鈣離子對(duì)其膜系統(tǒng)具有保護(hù)作用，能降低膜脂過(guò)氧化作用，使細(xì)胞內(nèi)代謝保持正常。在不同低溫脅迫下，對(duì)甘肅貝母Fritillaria przewalskiiMaxim 噴施一定濃度的CaCl2，可減少其葉片中MDA 的含量，緩解低溫對(duì)葉片造成的傷害[63]。由此可知，鈣對(duì)植物的生理生長(zhǎng)起到重要作用。

4 鈣離子對(duì)藥用植物次生代謝產(chǎn)物積累的影響

植物體內(nèi)代謝活動(dòng)分為初生代謝和次生代謝。發(fā)生在所有植物體內(nèi)，涉及到葉綠素、糖、氨基酸、脂肪酸、核酸等生命必需物質(zhì)的代謝稱為初生代謝；發(fā)生在部分植物體內(nèi)，涉及一些對(duì)植物生命非必需物質(zhì)的代謝稱為次生代謝。次生代謝產(chǎn)物是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中與其生存環(huán)境相互作用的結(jié)果，主要包括生物堿、黃酮、萜類和皂苷等小分子有機(jī)化合物[64]。其產(chǎn)生和分布通常有種屬、器官、組織及生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的特異性，在植物生長(zhǎng)、發(fā)育和生理功能方面發(fā)揮著重要作用。自然界多數(shù)藥用植物的有效成分都是其次生代謝的產(chǎn)物，其中萜烯、酚、生物堿類化合物是植物中最重要的次生代謝產(chǎn)物[65]。鈣是藥用植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，更是影響其次生代謝產(chǎn)物累積的重要因素之一。

黃酮類化合物是廣泛存在于藥用植物中的一類化合物，大多與糖類結(jié)合為苷存在，具有調(diào)血脂、擴(kuò)張冠脈、止血等活性[66]。藥用植物中黃酮類化合物不僅作為藥效成分治療人類疾病，還作為植物保護(hù)劑作用于植物機(jī)體本身，黃酮類化合物在不同植物種類、器官、發(fā)育階段和生長(zhǎng)條件下以不同含量分布，具抗氧化、紫外線防護(hù)、抵抗植物病原體、生長(zhǎng)素運(yùn)輸?shù)裙δ躘67]。甘草Glycyrrhiza uralensisFisch.幼苗在30 mmol·L-1NaCl 脅迫下，添加不同濃度的CaCl2后，甘草酸和黃酮類化合物的含量均有所提高，在2.5 mmol·L-1CaCl2處理下甘草酸和黃酮類化合物的含量達(dá)到峰值[68]。水飛薊Silybum marianum（L.）Gaertn.懸浮細(xì)胞培養(yǎng)中，特異性鈣離子螯合劑乙二醇四乙酸（EGTA）使細(xì)胞中水飛薊素的含量增加了200%，其分泌增加了3～4 倍；無(wú)機(jī)離子鑭離子（La3+）及鈣通道抑制劑維拉帕米也能刺激分泌；幾種阻斷細(xì)胞內(nèi)鈣移動(dòng)的試劑，如釕紅和毒胡蘿卜素，也明顯促進(jìn)了水飛薊素的積累，這些結(jié)果表明，抑制內(nèi)外鈣流對(duì)水飛薊懸浮細(xì)胞次生代謝物水飛薊素的積累起著重要作用[69]。施加鈣元素對(duì)艾納香Blumea balsamifera（L.）DC.不同部位的總黃酮相對(duì)含量積累有一定抑制作用，降低了葉片和莖中總黃酮的相對(duì)含量[70]。隨外源CaCl2濃度的增加，蒼術(shù)Atractylodes lancea（Thunb.）DC.幼苗根莖黃酮含量呈先下降后上升趨勢(shì)，葉黃酮含量呈先下降后上升再下降趨勢(shì)[71]。在烏拉爾甘草Glycyrrhiza uralensisFisch.人工栽培中，適量的鈣肥供應(yīng)有利于其有效成分總黃酮含量的提高，過(guò)量施用對(duì)總黃酮的積累具有抑制作用[72]。

生物堿是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中與環(huán)境相互作用形成的次生代謝產(chǎn)物類型之一，其在植物適應(yīng)生態(tài)環(huán)境、抵御病蟲(chóng)害、耐鹽抗損傷等方面發(fā)揮著重要作用[73]。在添加CaCl2誘導(dǎo)子處理的培養(yǎng)基上培養(yǎng)清脆枝Nothapodytes nimmoniana（J.Graham）Mabb.愈傷組織，發(fā)現(xiàn)使用CaCl2誘導(dǎo)子會(huì)促進(jìn)喜樹(shù)堿產(chǎn)量增加，與其他濃度相比，25 mmol·L-1CaCl2是提高喜樹(shù)堿產(chǎn)量的最有效濃度[74]。在延胡索Corydalis yanhusuoW.T.Wang 的盆栽試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，適量施鈣可顯著提高延胡索中生物堿含量[75]。山豆根Sophora tonkinensisGagnep.是生長(zhǎng)在喀斯特地區(qū)的一種藥用植物，栽培時(shí)通過(guò)施加適量外源鈣能夠促進(jìn)山豆根中苦參堿和氧化苦參堿的含量積累[76]。研究表明，巖黃連Corydalis saxicolaBunting 中巖黃連堿含量隨鈣離子濃度升高呈先升高后降低趨勢(shì)，CaCl2濃度為300 mmol·L-1時(shí)，其中巖黃連堿含量達(dá)到最大值；CaCl2濃度為400 mmol·L-1時(shí)，巖黃連葉片中巖黃連堿含量顯著降低[77]。長(zhǎng)春花Catharanthus roseus（L.）G.Don愈傷組織培養(yǎng)時(shí)，鈣離子濃度的增加對(duì)愈傷組織生長(zhǎng)有利，但卻不利于吲哚總堿的積累[78]。施用適宜水平的鈣可以顯著提高浙貝母Fritillaria thunbergiiMiq.鱗莖中貝母素甲、貝母素乙、貝母辛和總生物堿含量，使浙貝母的品質(zhì)提升[79]。鈣對(duì)半夏Pinellia ternata（Thunb.）Ten.ex Breitenb.中生物堿合成具有顯著的促進(jìn)作用，中等濃度的外源鈣處理有利于半夏塊莖中生物堿的積累，過(guò)高或過(guò)低都不利于生物堿的合成[80]。

萜類化合物是一類以異戊二烯為基本結(jié)構(gòu)單位的化合物，可分為單萜、倍半萜、二萜、三萜、四萜和多萜，是維持植物生長(zhǎng)發(fā)育和應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫所必需的重要物質(zhì)[81-82]。組織培養(yǎng)液中大量元素鈣的清除會(huì)觸發(fā)次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，研究表明，缺乏鈣的培養(yǎng)基對(duì)甜菊Stevia rebaudianaBertoni 再生植株施加了非生物脅迫，使萊苞迪苷A（Reb A）和甜菊苷（ST）含量增加[83]。施鈣對(duì)滇重樓Paris polyphyllavar.yunnanensis（Franch.）Hand.-Mzt.總皂苷含量有顯著影響，新根莖總皂苷含量與施鈣水平之間呈極顯著正相關(guān)，但不同鈣水平對(duì)老根莖總皂苷含量影響不顯著[84]。在高溫脅迫下對(duì)半夏Pinellia ternata（Thunb.）Ten.ex Breitenb.噴施鈣鹽，發(fā)現(xiàn)鈣對(duì)半夏中鳥(niǎo)苷、腺苷及多糖的合成具有顯著影響，中等濃度的外源鈣處理有利于半夏塊莖中鳥(niǎo)苷、多糖的積累，過(guò)高或過(guò)低濃度都不利于兩者的合成，而高濃度鈣離子處理仍有利于腺苷的積累，這可能是鈣離子在次黃嘌呤核苷轉(zhuǎn)化為腺苷與鳥(niǎo)苷過(guò)程中對(duì)酶活或底物濃度影響不一所致[85]。在藏紅花Crocus sativusL.球莖培養(yǎng)過(guò)程中分別添加0.25、0.5、1.0 g·L-1的鈣納米顆粒（CaNP）可提高藏紅花素、苦番紅花素和藏紅花醛的含量，但高濃度的CaNP 可降低藏紅花素、苦番紅花素和藏紅花醛的含量[86]。CaCl2在較低濃度下（1.0 mmol·L-1）可明顯促進(jìn)人參毛狀根總皂苷和單體皂苷的積累，但隨著CaCl2濃度的增高，促進(jìn)作用呈下降趨勢(shì)[87]。Yue 等[88]證明，胞外鈣離子濃度增加可以快速誘導(dǎo)三七懸浮細(xì)胞胞內(nèi)鈣離子濃度升高，并且該變化與細(xì)胞中人參皂苷Rb1積累量呈正相關(guān)。Cacho 等[89]將鈣離子加入培養(yǎng)洋地黃Digitalis purpureaL.的培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)與沒(méi)有添加鈣離子的培養(yǎng)基相比，添加了鈣離子的培養(yǎng)基中次生代謝產(chǎn)物（強(qiáng)心苷）產(chǎn)量顯著低于對(duì)照培養(yǎng)基。可見(jiàn)，鈣源對(duì)不同藥用植物中不同有效成分累積的影響是不同的，合理調(diào)節(jié)鈣源可以改變藥用植物次生代謝產(chǎn)物的積累。鈣離子對(duì)藥用植物生長(zhǎng)和次生代謝產(chǎn)物積累作用見(jiàn)表1。

表1 鈣離子對(duì)藥用植物生長(zhǎng)和次生代謝產(chǎn)物積累作用

5 展望

目前，藥用植物野生資源越來(lái)越少，人工種植品已逐漸成為中藥材的主要來(lái)源。然而，在實(shí)踐生產(chǎn)中，人工種植的中藥材普遍存在品質(zhì)退化問(wèn)題，嚴(yán)重限制了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著人們對(duì)健康需求的日益增長(zhǎng)及人口進(jìn)一步老齡化，未來(lái)對(duì)藥用資源的需求將不斷增加，對(duì)其品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。從目前研究結(jié)果看，鈣對(duì)不同藥用植物生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化特性和次生代謝產(chǎn)物累積的影響不同。這些研究揭示了鈣對(duì)藥用植物產(chǎn)量和次生代謝產(chǎn)物累積有影響，而鈣對(duì)藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積影響的分子機(jī)制研究較少。隨著現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，可以在藥用植物研究中開(kāi)展多組學(xué)研究，通過(guò)基因組學(xué)、代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)來(lái)探索藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積的分子機(jī)制，有針對(duì)性地解釋各種藥用植物次生代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、代謝途徑和調(diào)控通路，進(jìn)一步揭示鈣與藥用植物次生代謝產(chǎn)物積累的關(guān)系，提升藥材品質(zhì)。