三峡库区国家珍稀濒危药用植物荷叶铁线蕨研究进展

   阅文网   2020-07-30 00:00:00

  关键词:药用植物;荷叶铁线蕨;生境特征;群落结构;药理作用;综述
  中图分类号:r285 文献标识码:a 文章编号:1005-5304(2014)01-0129-05
  荷叶铁线蕨来源于铁线蕨科铁线蕨属植物荷叶铁线蕨adiantum reniforme l.var.sinense y.x.lin的干燥全草,属多年生常绿草本状蕨类植物,为铁线蕨科植物中在亚洲唯一分布的单叶型植物[1],仅分布于重庆市万州区和石柱县部分地带河谷、低山和丘陵有马尾松、柏木、青枫混交林下植被的岩石、石缝、黄砂石骨子薄土上;其分布区域狭窄,数量稀少,为长江三峡地区特有的国家珍稀濒危植物[2]。20世纪70年代,万县地区中草药调查队最早发现荷叶铁线蕨[3]。自1980年林氏[4]首次对荷叶铁线蕨进行了详细报道以来,国内外学者在种群分布格局、生物学特性、人工繁殖、自然种群遗传多样性和药理作用等方面进行了相应的研究。近年来,随着其极大的植物学分类价值、潜在的药用价值和奇特的观赏价值不断被挖掘,荷叶铁线蕨受到越来越广泛的关注。笔者现将已有文献进行归纳与总结,为荷叶铁线蕨资源分布的准确定位、濒危植物的合理保护与可持续利用以及潜在药用价值的有效开发等提供参考依据。
  1 自然分布特点及群落特征
  1.1 地理分布与原生境情况
  荷叶铁线蕨主要集中分布在东起重庆万州区(约东经107°50′,北纬30°20′)、西至石柱县(约东经108°21′,北纬30°51′)沿江近100公里长、向两岸纵深3~5 km、海拔80~430 m之间的狭长地段[5],该地区野外分布呈点状或者片状,区域狭窄,数量稀少。因其和肾叶铁线蕨adiantum reniforme l.(生长于大西洋亚速尔群岛)以及细辛铁线蕨adiantum reniforme l.var.asarifolium (wind.) sim(生长于非洲中南部)形成间断性分布而被作为第四世纪孑遗植物备受国内外学者关注,对地质变迁及大陆漂移学说研究具有重要的理论意义[6]。
  荷叶铁线蕨的生长对原生境要求特殊。陈氏等[7]调查发现,荷叶铁线蕨在有机质、磷、氮、钾含量丰富,土壤肥沃的地段生长良好。许氏等[8]野外调查发现,荷叶铁线蕨大多生长在缺乏水分、土壤贫瘠的岩石缝,且要求土壤透水性好和湿度不宜过大。沈氏等[9]对荷叶铁线蕨天然生境和迁地保护区生境及其土壤性质进行了调查分析与比较,发现荷叶铁线蕨适宜于温暖湿润且排水良好条件下发育的酸性淋溶土,养分含量高,多为黏土,微量元素含量与荷叶铁线蕨生境土壤有较大的差别。华氏[10]野外调查表明,荷叶铁线蕨在平缓的灌木草丛中呈零星分布,其野外生境基质绝大多数是石灰岩和紫色砂页岩,土壤主要为山地红黄壤以及酸性紫色土,其厚度为5~20 cm内。因此,推断空气湿度和光照条件对荷叶铁线蕨的分布尤为重要。笔者通过野外调查发现,部分荷叶铁线蕨生长在马尾松、柏木、青枫混交林下植被的岩石、石缝、黄砂石骨子薄土上。曾氏等[11]认为,荷叶铁线蕨生长周期长,在孢子萌发、配子体的形成和胚胎的建立等过程中对其生境要求严格并呈依赖性,它只能在一定的孤立区域生栖繁衍。据此,只有全面掌握荷叶铁线蕨地理分布的准确定位以及原生境情况,才能更为合理、有效地对其进行保护与可持续开发利用。
  1.2 群落结构特征
  荷叶铁线蕨植株矮小(株高小于25 cm),繁殖能力弱,在植物生存竞争中多处于被支配地位。该物种在多数样方中呈零星分布,在少数样方中以丛状、块状、片状等方式分布。
  史氏等[5]采用随机样方法对该物种生境和群落特征进行了调查,发现荷叶铁线蕨主要在化香-槲栎-芒群落(ass.plalycarya strobilacea-quercus aliena- miscanthus sinensis)、盐肤木-鸢尾群落(ass.rhus chinensis-iris japonica)、水麻-细穗腹水草群落(ass. debregeasia edulis-veronicastrum stenostachyum)和黄荆条-海金沙群落(ass.vitex negundo-lygodium japonicum)等群落中处于伴生地位,且多为单叶和落叶类型,生活型以高位芽植物为主。许氏等[8]从分析荷叶铁线蕨产地的土壤、气候、植物种类等要素入手,初步阐明了荷叶铁线蕨的分布情况和群落特征。潘氏等[12]通过对濒危植物荷叶铁线蕨的生态群落调查和优势种的种群生态位分析发现,荷叶铁线蕨有3种自然居群结构,具有较高的有性繁殖系数,生物量的垂直分布与植株高度成正比,生态位宽度相对较高,与荩草、鸢尾伴生且有着较大的生态位重叠,在某些生态习性上具有较高的相似性。该研究为正确认识荷叶铁线蕨的生态群落特征和探寻导致其濒危的主要因素提供了可靠依据。周氏等[13]通过相邻格子样方法采集数据,应用点格局分析技术研究了荷叶铁线蕨种群空间格局,发现该物种的空间分布格局和空间关联性与空间尺度、植株大小密切相关:在较小的空间尺度上(4.5 m),荷叶铁线蕨种群趋向于聚集分布,个体间有较强的空间正关联;在较大的空间尺度上(>5 m),荷叶铁线蕨呈随机分布,空间关联性减弱;成熟植株具有更明显的聚集分布趋势;大小级差异越小,植株间的正关联关系越强。这一结果为该物种原生种群的就地保护和生态环境的恢复重建提供了必要基础。
  2 生长特性与繁殖技术
  荷叶铁线蕨多为须根系,根系分布较浅,无明显的主根和侧根之分[11]。一般为早春发芽,每年7月左右形成孢子囊群,2个月后孢子陆续成熟。野外生境下其自然繁殖方式包括无性繁殖(根状茎萌蘖)和有性繁殖(孢子繁殖)两种繁殖方式。除自身繁殖外,随着基因技术的快速发展,组织培养与快速繁殖技术已较好地应用于荷叶铁线蕨的研究与保护中。
  2.1 孢子繁殖   徐氏等[14]通过对荷叶铁线蕨的孢子繁殖技术研究显示,带叶采收孢子囊群盖刚刚开启还未散出的孢子,随采随播或贮存后次年播种均有良好的萌发力,选用优质腐叶土为培养基质,全年播种繁殖,均能成苗;并首次将孢子繁殖的荷叶铁线蕨幼苗成功地进行了露地畦栽,繁殖后代产生的孢子均具正常生育能力。此外,还发现原叶体的分栽有利于提高孢子体幼苗的产苗量和促使其健壮生长。
  潘氏等[15]对荷叶铁线蕨孢子的不同贮藏时间和培养条件对其配子体和孢子体形成的影响进行了较为系统的研究。结果显示,该物种为不含叶绿体孢子,不同的贮藏时间对配子体和孢子体的形成影响显著。在考察了不同培养条件对荷叶铁线蕨孢子形成的影响因素后,发现在沙基质比腐殖土更有利于孢子体的形成,但在孢子体后期生长阶段,其在腐殖土中生长势比沙中更优。张氏等[16]通过野外采集桫椤与荷叶铁线蕨孢子,在自然环境和无菌的人工环境条件下进行分组繁殖试验。结果表明,在保证水分和土壤条件的情况下,能成功人工繁殖桫椤和荷叶铁线蕨。该研究结果为探寻一条更为理想的孢子繁殖途径奠定了良好基础。
  2.2 分株繁殖
  陈氏等[17]对荷叶铁线蕨进行了分株繁殖试验,发现不同季节繁殖对其存活率影响不同,繁殖存活率大小为:春季>秋季>夏季。提示春季是荷叶铁线蕨繁殖最佳时机,引种栽培不宜在秋季繁殖。
  2.3 组织培养与快速繁殖
  目前,组织培养和离体快速繁殖技术已在珍稀濒危植物的保护和可持续开发中得到了重视与实践,并取得了可喜的成果。对荷叶铁线蕨的组织培养与离体快速繁殖研究也取得了一定的进展。黄氏等[18]通过对荷叶铁线蕨成熟孢子进行组织培养与快速繁殖研究,认为在通过无性繁殖来回归引种濒危植物的同时,应加强和扩大应用繁殖系数高且能很好保持物种特性的无菌播种和组织培养快速繁殖技术。李氏等[19]以荷叶铁线蕨当年生未成熟孢子为材料,在不同类型的培养基上进行了愈伤组织诱导、抽芽诱导与增殖培养、壮苗培养和生根培养,最后移栽到泥碳中,成活率高达90%。有学者研究了光照、蔗糖和大量营养要素对荷叶铁线蕨孢子萌发与发育的影响,发现适宜的光照条件不仅在荷叶铁线蕨孢子的萌发和配子体的发育上发挥重要作用,而且对该物种光形态的建立与发生同样重要;并筛选出了适宜孢子萌发与配子体发育所需的大量营养要素和蔗糖的适宜含量范围[20]。该研究为提高荷叶铁线蕨的组织培养的成活率提供了必要的实验依据。
  3 等位酶分析及遗传多样性
  等位酶标记作为一种共显性标记,广泛用于野生居群的遗传结构分析、群居的交配系统、父系分析、探查居群间或亚种间的亲缘关系以及生态遗传学和生物分子生态学的相关方面,尤其在对物种濒危机制的研究中发挥着积极的作用[20]。
  潘氏等[21]利用等位酶标记探讨了荷叶铁线蕨6个自然居群的遗传多样性,对荷叶铁线蕨的等位基因频率、居群内的遗传分化、居群间的遗传分化和居群的平衡状况进行了系统的分析与描述,结果显示,该物种居群内和种水平上的遗传多样性均比较低,居群间具有较高的遗传一致性,而大多数的遗传变异存在于居群内部,因此建议以居群内个体为单位进行就地重点保护;而在此基础上对荷叶铁线蕨的交配体系与濒危原因分析表明,该物种可能是以配子体间异交为主的混合交配体系。
  王氏等[22]以荷叶铁线蕨等位酶提取液为研究对象,运用超薄平板聚丙烯酰胺凝胶电泳技术对取样部位、可供遗传分析的酶系统及等位酶位点进行了筛选研究,发现荷叶铁线蕨不同制样部位表达的同工酶位点及其活性差异很大,以老叶为部位制样后经电泳技术所得的酶谱最为清晰且宜供遗传学分析,而含叶绿体的部位在某些酶类中表达出一些特殊的酶带。该研究为位点的确定及进一步的遗传学分析提供了便利。
  4 药理作用
  自荷叶铁线蕨被发现以来,其潜在的药用价值备受国内外关注。由于该物种对自然环境的特殊要求,以及资源急剧减少,因此,迄今的关注焦点集中于荷叶铁线蕨的自然分布特点、群落特征、孢子繁殖、组织培养和资源可持续开发与保护。而对于荷叶铁线蕨的药理活性研究报道极少。现有报道荷叶铁线蕨的药理活性作用主要集中在抑制革兰阴性菌和泌尿系统易感染菌、人胚肝细胞增殖和抗氧化。据《本草纲目》记载,荷叶铁线蕨具有消热解毒、利尿通淋之功。《中华本草》记载荷叶金钱可全株入药,具有清利湿热,主湿热黄疸、热淋、石淋、中耳炎[23]。李氏等[24]利用管碟法和二倍稀释法对荷叶铁线蕨的提取液进行了体外抑菌试验,结果显示,荷叶铁线蕨提取液对革兰阴性菌具有一定抑菌作用,尤其表现于大肠埃希菌和铜绿假单胞菌,但对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和白色念珠菌无抑制作用。进一步研究表明,其水提液可促使人胚肝细胞增殖,且具有剂量依赖性;并能增强细胞保肝降酶作用[25]。
  孙氏等[26]采用正交设计试验法对荷叶铁线蕨抗菌水提醇沉液的制备方法进行了4因素3水平试验研究,筛选出抗菌作用的水提醇沉液最佳提取工艺,为有可能将荷叶铁线蕨开发为具有潜在抗泌尿感染的新型制剂提供了一定的科学数据。江氏[27]采用琼脂扩散法判断荷叶铁线蕨提取液对泌尿系统的抑菌的种类,运用二倍稀释法判断荷叶铁线蕨对敏感菌的有效杀菌浓度。结果显示,荷叶铁线蕨提取液对革兰阴性菌具有一定的抑菌作用,对铜绿假单胞菌和大肠杆菌感染引起的泌尿系统感染及其他部位的感染具有一定的治疗效果。
  华氏[10]以荷叶铁线蕨为原料,在优化提取工艺前提下,对其粗多糖和总黄酮的含量进行测定,在定量前提下采用feton体系和邻苯三酚自氧化体系测定了不同提取方法所得的荷叶铁线蕨粗多糖和总黄酮的抗氧化能力。结果显示,该物种多糖和总黄酮成分对羟基自由基和超氧阴离子自由基均有一定的清除作用,清除能力与二者浓度成一定的量效关系;而总黄酮对自由基的清除能力优于粗多糖。进一步的研究以大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和啤酒酵母菌为对象,采用圆纸片扩散法测定了总黄酮和粗多糖的抑菌效果,均取得了较为满意的结果。   5 濒危原因
  5.1 地理分布区域狭窄与独特原生境要求
  荷叶铁线蕨为三峡库区特有植物,仅分布于重庆市万州区与石柱县接壤的近百公里的长江沿岸,且大多为零星分布、少数为片区、块区分布。地理分布区域不但狭窄,而且随着外部环境的改变而逐渐缩小。研究发现,荷叶铁线蕨对光照、土壤、湿度等特殊依赖性决定了它只能在非常狭窄的区域范围内自然分布,且能满足其生长要求的适生环境非常稀少[7-11]。
  5.2 有性繁殖的自然更新困难
  有性繁殖的自然更新慢且困难也是造成荷叶铁线蕨濒危的主要原因之一。曾氏等[11]调查发现,荷叶铁线蕨在不断的演化过程中,虽然产生了大量的孢子来促进其传播,但由于孢子囊开裂较难和孢子成活率低等因素导致这些孢子并未得到大量繁殖或占领新的区域;再者,荷叶铁线蕨生长周期长,孢子从萌发到形成幼孢子体需要近1年时间;另外,光照、湿度、温度和环境因子的变化等均影响到孢子的生存和发育进程。
  5.3 物种间竞争处于劣势
  在群落分布中,荷叶铁线蕨常与灌木、乔木、草本和藤本等物种伴生,随着自然环境的不断变化与革新,其原有生境发生了较大变化。在同一层被下,进化速度快和适应能力强的单子叶植物占据绝对优势,使本身生长受限的荷叶铁线蕨在物种间竞争中处于劣势,对其规模的扩大造成了极大威胁。史氏等[5]发现,荷叶铁线蕨的平均密度比前人调查下降近一半,认为优势物种的不断变化使荷叶铁线蕨所在群落结构不稳定。零星的乔木层逐渐消失、灌木层和草本层植物的物种的丰富度与高密度不断增加,使本身位于最底层的荷叶铁线蕨摄取不到足够的光照而不利于生长。
  5.4 人为因素
  由于荷叶铁线蕨处于低海拔区域和对生境的独特依赖,其生长环境需特别保护。但随着社会的不断发展,自然灾害的剧增和人类对于环境的肆意破坏,严重损害了自然界的生态平衡,使其濒危程度逐年加剧。再者,由于荷叶铁线蕨在治疗黄疸和泌尿系统疾病上药用价值的提升和奇特的观赏价值,导致过度采挖,最为直接地导致了其处于濒危状态。谢氏[28]认为,三峡工程建设严重影响了荷叶铁线蕨的群落分布格局和生态环境的变迁。三峡工程蓄水后使175 m以下的荷叶铁线蕨原生境被淹没,直接破坏了荷叶铁线蕨的野生生境和种质资源;而库区水体大量增长,必然引起气候条件、环境湿度和温度的改变,对荷叶铁线蕨带来进一步的破坏。
  6 保护对策
  荷叶铁线蕨的群落已迅速缩小甚至处于消失边缘,因此,制定合理的保护措施,在其生态环境、基因源和生物遗传多样性等方面进行合理有效的监控与保护,已刻不容缓。
  6.1 就地保护和迁地保护相结合
  生态环境的破坏往往造成部分区域物种组成发生较大变化,甚至引起植被演替,导致该地区的群落格局发生变化,从而使部分生物无法适应逐渐趋于灭绝。就地保护的原理就是保护生态环境的完整性和植物种群的完整性,实现珍稀濒危植物的可持续利用。虽然生态环境的破坏以及三峡工程的兴建对荷叶铁线蕨造成了一定的影响,但仍有较大的区域存在荷叶铁线蕨。因此建议:①运用现代科技手段,加大其野生资源的调查,进一步明确资源的总量、分布现状和动态变化。综合多方面因素(群落结构、种群密度、生活史和干扰因素等),对相对成熟且利于荷叶铁线蕨生长的生境加强就地保护,制定合理的监管制度和保护措施。②在适宜的生态环境区域,模拟荷叶铁线蕨的生境,对于遭受严重迫害且生境发生较大变化区域的荷叶铁线蕨进行引种移栽。
  6.2 培养人才,开展科学研究
  重庆市专业的植物学技术人才相对稀缺,应注重相关专业人才的孵化培养与引进,在正确识别保护对象和目标的前提下,制定合理的保护计划与措施。在考察研究植物资源管理的经济效益、生态效益和社会效益的同时,注重将人工培养、孢子繁殖、分株繁殖、组织培养等与基因工程相关先进技术应用于荷叶铁线蕨等珍稀濒危植物的繁殖与资源的合理保护。
  6.3 构建濒危植物繁殖基地与种植资源库
  目前,我国已建立了银杉、珙桐、百山祖冷杉等多种珍稀濒危植物繁育基地,有些物种已具有较大的人工种群繁殖基地,并得到广泛引种栽培,在濒危植物的保护与可持续利用上作出了积极贡献[29]。笔者认为,重庆资源管理与保护有关部门可借鉴已有的生态资源条件,按照《中药材生产质量管理规范》(gap)要求建立重庆市特有珍稀濒危植物荷叶铁线蕨的繁育基地和种质资源库,为实现合理保护和可持续利用的有机统一打下基础。
  6.4 加强宣传,完善管理与法制制度
  生物物种赖以生存的环境条件是决定物种资源的分布与延续的关键因素之一。因此,制定与完善相关的管理与法律制度对珍稀濒危物种的保护发展和生态环境的恢复尤为重要。加强宣传力度,提高民众自觉保护意识,一方面使其意识到保护生态环境对于自身及生物物种的重要性,另一方面使其懂得珍稀濒危植物不可替代的药用价值而应加强保护的必要性。由于自然空间的开放性和认识水平的差异性,肆意破坏荷叶铁线蕨等珍稀濒危植物的违法事件在所难免,因此,相关部门对于这类事件应严格执法,惩前毖后。
  7 展望
  目前,对于荷叶铁线蕨的研究多局限于自然分布特点、群落特征、孢子繁殖、组织培养和资源可持续开发与保护等,而对其植物细胞结构特征、化学成分、药理活性、药效物质基础及作用机理等系统研究鲜见报道。同时,随着三峡库区移民迁建及水位上升,该物种的群落特征和分布状况亦发生了改变,其生态是否变迁尚不得而知,加上几十年来过度开发,该种的分布范围日益狭窄、数量稀少,已处于灭绝的边缘。为更好地保护该物种,对其自然分布格局状况以及种群的自我变迁规律的研究显得十分必要和紧迫。再者,由于该物种分布区域狭窄、数量急剧减少,应尽快对其植物学特征、化学成分、药理活性等进行系统研究,为其寻找替代资源提供依据。因此,有必要制定合理的荷叶铁线蕨野生资源开发、利用与保护措施,以中医药理论为指导,借鉴植物生态学与中药化学等相关理论技术与研究方法,填补荷叶铁线蕨细胞结构、药效成分、作用机理以及库区水位上升而产生种群生物间变迁规律的研究空白。   参考文献:
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