牛膝結構和發(fā)育與主要藥用成分積累關系及其道地性形成機制的研究.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。本文運用植物解剖學、組織化學和植

2、物化學等方法，系統(tǒng)研究了牛膝各器官的形態(tài)結構和發(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態(tài)和變化規(guī)律、正常時節(jié)播種的牛膝生長發(fā)育過程中蛻皮甾酮的積累動態(tài)和變化規(guī)律，并對不同產(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行比較研究和相關性分析，在此基礎上探討牛膝道地性形成的可能機制。研究結果如下。 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)生的三生結構。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。其根的初生木質部多為二原型，次生結構從外到內由周皮和次生維管組織組成，其木栓形成層由中柱鞘細胞恢復分裂能力而形成，而根的進一步加粗主要是由于三生結構的發(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的薄壁組織細

4、胞和射線細胞，以后的每一圈由前一圈向外衍生的薄壁組織細胞產(chǎn)生；額外形成層無紡錘狀原始細胞和射線原始細胞之分，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。當次生維管束分化即將完成時，其正常維管柱外側保留的卜2層原形成

5、層細胞恢復分裂能力，產(chǎn)生一輪額外形成層，額外形成層開始只向內交替產(chǎn)生木質部和其間的結合組織，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性，但其結構類型存在多樣性，包括不完全的周木型髓維管束。牛膝的葉為典型的異面葉，其結構、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，其組成細胞的數(shù)目明顯不同。葉肉中柵欄組織由3-4層細胞組成，細胞含葉綠體多，海綿組織疏松，細胞形狀不規(guī)則，含葉綠體較少。主脈由數(shù)個呈環(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個長圓形的花粉囊，分為左右兩部分，每部分各有兩個花粉囊，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枚心皮構成，子房上位，1室

7、，含1個胚珠，柱頭單一，其頂端的表皮形成指狀突起，為濕性柱頭?；ㄖ锌?，其內表皮細胞向內形成乳狀突起，構成了特殊的通道細胞。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，在根的初生結構中，皂苷類物質主要分布于中柱鞘、初生韌皮部及初生韌皮部和初生木質部之間的薄壁組織細胞內：在根的次生結構中，主要分布于次生韌皮部及栓內層的薄壁組織細胞內；當三生結

8、構形成后，除次生韌皮部及栓內層細胞外，在額外形成層和三生維管束韌皮部細胞內均有皂苷類物質積累。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胞及葉脈維管束的韌皮部組織細胞中。三生結構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；莖是其轉運器官，而葉片中的柵欄組織細胞可能是皂苷類物質合成的場所。植物化學研究表明，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)量和質量都可達到最高水平。 對牛膝生長發(fā)育過程中蛻皮甾酮含量的動態(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>葉

10、>根>莖。由此表明，牛膝的葉是蛻皮甾酮的合成場所，果實是其主要貯存器官，根是其次要貯存器官，而莖可能主要起運輸?shù)淖饔?。在牛膝的整個生長過程中，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行為及活動有一定的相關性，從而提示蛻皮甾酮在牛膝中的存在具有一定的化學生態(tài)學意義。 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到了高峰，是其最佳采收期。在傳統(tǒng)用藥

11、時，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，其果實中含量尤其高，建議在種植集中的道地產(chǎn)區(qū)對牛膝的莖、葉，尤其是果實，進行綜合開發(fā)利用。 對不同產(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)牛膝的根身條通順、長而粗壯，但與非道地產(chǎn)區(qū)牛膝根的內部結構無明顯區(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元素鉻的含量均高于非道地產(chǎn)區(qū)，而鋅

12、的含量低，對鐵、銅、鉻和磷的富集能力強；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元素含量均呈顯著相關，牛膝對鈉和鋁、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，對鉛和銅、鉀，鉻和硼、鋅的吸收和積累則呈明顯的拮抗關系。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，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