牛膝結(jié)構(gòu)和發(fā)育與主要藥用成分積累關(guān)系及其道地性形成機(jī)制的研究.pdf

1、牛膝(Achyranthes bidenmm Blume.)為莧科(Amaranthaceae)、牛膝屬(Aehyrarthes L.)多年生草本植物，以干燥根入藥，是我國重要的大宗中藥材之一。自明朝以后，其主要產(chǎn)區(qū)集中于河南古懷慶府地區(qū)(即現(xiàn)在的武陟、溫縣、沁陽、孟縣、輝縣、博愛一帶)，并將產(chǎn)于古懷慶府的牛膝稱為懷牛膝，是我國著名的四大懷藥之一。牛膝的主要藥用成分是三萜皂苷元-齊墩果酸、蛻皮甾酮及多糖。本文運(yùn)用植物解剖學(xué)、組織化學(xué)和植

2、物化學(xué)等方法，系統(tǒng)研究了牛膝各器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)育規(guī)律、三萜皂苷在牛膝營養(yǎng)器官中的組織化學(xué)定位、不同季節(jié)播種的牛膝生長發(fā)育過程中三萜皂苷積累動(dòng)態(tài)和變化規(guī)律、正常時(shí)節(jié)播種的牛膝生長發(fā)育過程中蛻皮甾酮的積累動(dòng)態(tài)和變化規(guī)律，并對(duì)不同產(chǎn)區(qū)牛膝根的形態(tài)和主要藥用成分齊墩果酸、蛻皮甾酮、多糖的含量、藥材和土壤中無機(jī)元素的含量以及產(chǎn)區(qū)的氣候和栽培土壤的理化狀況進(jìn)行比較研究和相關(guān)性分析，在此基礎(chǔ)上探討牛膝道地性形成的可能機(jī)制。研究結(jié)果如下。 在

3、牛膝的軸器官根及莖中均存在由額外形成層分化產(chǎn)生的三生結(jié)構(gòu)。牛膝根及莖的發(fā)育均包括原分生組織、初生分生組織、初生生長、次生生長和三生生長5個(gè)發(fā)育階段。在牛膝根、莖的發(fā)育過程中，其初生生長和早期的次生生長都類似于一般雙子葉草本植物。其根的初生木質(zhì)部多為二原型，次生結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)由周皮和次生維管組織組成，其木栓形成層由中柱鞘細(xì)胞恢復(fù)分裂能力而形成，而根的進(jìn)一步加粗主要是由于三生結(jié)構(gòu)的發(fā)生和分化。其第一圈額外形成層產(chǎn)生于次生韌皮部外側(cè)的薄壁組織細(xì)

4、胞和射線細(xì)胞，以后的每一圈由前一圈向外衍生的薄壁組織細(xì)胞產(chǎn)生；額外形成層無紡錘狀原始細(xì)胞和射線原始細(xì)胞之分，在切向縱切面上呈疊生排列；三生維管束以離心方式排成整齊的同心環(huán)狀，由薄壁結(jié)合組織將其彼此分開，其圈數(shù)與額外形成層的圈數(shù)是一致的，以后隨著根的發(fā)育而不斷增加，通常一年生的牛膝根中可形成4-5圈三生維管束。在莖的發(fā)育過程中，次生維管組織僅由束中形成層產(chǎn)生，束間形成層未分化。當(dāng)次生維管束分化即將完成時(shí)，其正常維管柱外側(cè)保留的卜2層原形成

5、層細(xì)胞恢復(fù)分裂能力，產(chǎn)生一輪額外形成層，額外形成層開始只向內(nèi)交替產(chǎn)生木質(zhì)部和其間的結(jié)合組織，后來向外產(chǎn)生三生韌皮部，形成一輪三生維管束；其莖的髓中具2個(gè)外韌型髓維管束，來源于原形成層，而與正常維管束在位置上沒有相關(guān)性，但其結(jié)構(gòu)類型存在多樣性，包括不完全的周木型髓維管束。牛膝的葉為典型的異面葉，其結(jié)構(gòu)、發(fā)生和發(fā)育類似一般被子植物的葉器官，由表皮、葉肉和葉脈組成，表皮上的氣孔器僅分布在葉片背面，而上、下表皮上均分布有長、短不同的兩種類型的非

6、腺毛，其組成細(xì)胞的數(shù)目明顯不同。葉肉中柵欄組織由3-4層細(xì)胞組成，細(xì)胞含葉綠體多，海綿組織疏松，細(xì)胞形狀不規(guī)則，含葉綠體較少。主脈由數(shù)個(gè)呈環(huán)狀排列的外韌型維管束組成。葉柄呈半圓形，無髓維管束，7-8個(gè)大小不等的外韌型維管束呈半圓形排列于其薄壁組織中。 牛膝為兩性花，異花授粉。雄蕊5枚，花藥具4個(gè)長圓形的花粉囊，分為左右兩部分，每部分各有兩個(gè)花粉囊，花粉呈橢圓形，其表面具顆粒狀突起紋飾。雌蕊比雄蕊長，由1枚心皮構(gòu)成，子房上位，1室

7、，含1個(gè)胚珠，柱頭單一，其頂端的表皮形成指狀突起，為濕性柱頭?；ㄖ锌?，其內(nèi)表皮細(xì)胞向內(nèi)形成乳狀突起，構(gòu)成了特殊的通道細(xì)胞。胞果由果皮和一枚種子組成，其種子類型為雙子葉有胚乳種子。 牛膝營養(yǎng)器官中三萜皂苷的組織化學(xué)定位及掃描電鏡與X-射線能譜儀分析研究表明，在根的初生結(jié)構(gòu)中，皂苷類物質(zhì)主要分布于中柱鞘、初生韌皮部及初生韌皮部和初生木質(zhì)部之間的薄壁組織細(xì)胞內(nèi)：在根的次生結(jié)構(gòu)中，主要分布于次生韌皮部及栓內(nèi)層的薄壁組織細(xì)胞內(nèi)；當(dāng)三生結(jié)

8、構(gòu)形成后，除次生韌皮部及栓內(nèi)層細(xì)胞外，在額外形成層和三生維管束韌皮部細(xì)胞內(nèi)均有皂苷類物質(zhì)積累。在莖中，三萜皂苷主要分布于正常維管束和髓維管束的韌皮部，而在葉中主要分布于柵欄組織細(xì)胞及葉脈維管束的韌皮部組織細(xì)胞中。三生結(jié)構(gòu)在牛膝根中占主要地位，是三萜皂苷積累與分布的主要場所；莖是其轉(zhuǎn)運(yùn)器官，而葉片中的柵欄組織細(xì)胞可能是皂苷類物質(zhì)合成的場所。植物化學(xué)研究表明，不同季節(jié)播種的牛膝，其根中齊墩果酸含量的動(dòng)態(tài)變化趨勢基本一致，呈“高一低一高”的變

9、化趨勢，生殖生長不利于根中皂苷類物質(zhì)的積累；春季播種的牛膝生長周期長，但其產(chǎn)量與夏季播種的牛膝并沒有明顯的差異，齊墩果酸的含量低于夏季播種的牛膝，因此7月上旬為懷牛膝最適播種期，晚播可提高土地的利用率，而且牛膝的產(chǎn)量和質(zhì)量都可達(dá)到最高水平。 對(duì)牛膝生長發(fā)育過程中蛻皮甾酮含量的動(dòng)態(tài)變化研究表明，營養(yǎng)生長期是牛膝各器官中蛻皮甾酮積累的最佳時(shí)期，但生殖生長不利于根中蛻皮甾酮的積累。至11月，牛膝各器官中蛻皮甾酮的含量差異依次為果實(shí)>葉

10、>根>莖。由此表明，牛膝的葉是蛻皮甾酮的合成場所，果實(shí)是其主要貯存器官，根是其次要貯存器官，而莖可能主要起運(yùn)輸?shù)淖饔?。在牛膝的整個(gè)生長過程中，葉中的蛻皮甾酮含量始終維持在較高的水平，可能與其傳粉昆蟲的生物學(xué)行為及活動(dòng)有一定的相關(guān)性，從而提示蛻皮甾酮在牛膝中的存在具有一定的化學(xué)生態(tài)學(xué)意義。 11月牛膝植株的地上部分臨近枯萎，根的增長、加粗、三生維管束圈數(shù)、根的生物量及三萜皂苷和蛻皮甾酮的含量均達(dá)到了高峰，是其最佳采收期。在傳統(tǒng)用藥

11、時(shí)，牛膝僅以根經(jīng)不同炮制而入藥，地上部分全部舍棄。但此時(shí)地上部分的莖、葉中仍含有一定量的三萜皂苷和蛻皮甾酮，其果實(shí)中含量尤其高，建議在種植集中的道地產(chǎn)區(qū)對(duì)牛膝的莖、葉，尤其是果實(shí)，進(jìn)行綜合開發(fā)利用。 對(duì)不同產(chǎn)區(qū)牛膝藥材的比較研究表明，牛膝根的外觀存在一定差異，道地產(chǎn)區(qū)牛膝的根身?xiàng)l通順、長而粗壯，但與非道地產(chǎn)區(qū)牛膝根的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無明顯區(qū)別；道地產(chǎn)區(qū)根中主要藥用成分齊墩果酸、蛻皮甾酮和多糖的含量及無機(jī)元素鉻的含量均高于非道地產(chǎn)區(qū)，而鋅

12、的含量低，對(duì)鐵、銅、鉻和磷的富集能力強(qiáng)；道地產(chǎn)區(qū)土壤中鋅、硼、錳、鋁的含量高，銅的含量低。 牛膝藥材與土壤中無機(jī)元素含量均呈顯著相關(guān)，牛膝對(duì)鈉和鋁、鈦，鈣和鎂、硼、鎘，鎂和硼，鋁和鎘，鎘和鈦的吸收和積累有協(xié)同作用，對(duì)鉛和銅、鉀，鉻和硼、鋅的吸收和積累則呈明顯的拮抗關(guān)系。藥材中齊墩果酸和多糖、微量元素鉻的含量呈明顯的正相關(guān)，而微量元素鈣、鎂、硼、鋅等則不利于齊墩果酸在根中的積累。道地產(chǎn)區(qū)較低的年均蒸發(fā)量有利于牛膝根中蛻皮甾酮和多糖