我国道地药材适生区研究应用现状
发布时间：
2022-01-22
来源：
优质药材共享共建
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优质药材共享共建
我国道地药材适生区研究应用现状
车欣，于雪冬，郑翔宇，齐慧敏，刘一儒，李梦，许广波
（延边大学，吉林延吉133002）
摘要：道地药材有效成分与环境因素之间具有相关性，温度和地形等因素对道地药材的有效药效成分具有显著影响，环境因素是影响道地药材道地性的外部因素，基因型是影响道地药材道地性的内部因素。道地药材的适宜性分布区研究包括以地理生态系统为基础的中药材产地适宜性分析地理信息系统和药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统，以及物种分布模型中的BIOCLIM模型、GRAP模型、DOMAIN模型、MaxEnt模型等也多用来研究中药材适宜性与环境因素的关系。道地药材相关研究实质是药材品质相关性的研究，通过研究道地药材的适宜产地，可以对中药材的合理区划和规范种植具有十分重要的意义。
道地药材是生长在特定环境下，经长期临床应用筛选出拥有良好的品质的药材，与非道地产区的同类药材对比，道地药材具有质量好、药效好、质地稳定、知名度高等特点。道地药材生长所处的环境因素是影响其形成的重要外部因素，我国的生态气候和地理条件十分丰富，导致了我国中草药产地众多的局面。物种的地理分布受多种因素的影响，包括植被类型、种间联系等生物因素和地理、温度、降水、土壤等环境因素。不同物种在群落生态中有相应的生态位，在环境资源上有相应的适应范围，周围环境的变化会影响植物的生存。同时环境因素会通过对物种性状进行选择，进而使种群的基因频率发生改变，从而影响药材的药效成分含量。不同物种在群落生态中有相应的生态位，在环境资源上有相应的适应范围。当今社会人类对于健康越来越重视，对中药材的需求也越来越多。长期以来,分析中药资源适宜性分布区域，是有效进行中药资源保护和指导药材扩种、引用、合理规划道地药材保护区的重要保证,研究中医药的生态地位，分析中医药的适宜产地，具有十分重要的意义。探讨道地药材的最适生长区并预测出最佳的道地药材种植区域，及时做出合理的规划和布局，为获得优质的中药资源提供依据。笔者结合道地药材和物种分布适宜性研究的已有成果，针对中药材产地生态适宜性研究方法进行了论述，重点讨论了地理信息系统和物种分布模型在中药材生态适宜性研究中的应用、优势和作用，并对道地药材生态适宜性区划技术研究策略及未来发展前景进行了分析与展望。
1 环境因素对道地药材形成的影响研究概况
环境因素是影响道地药材形成的主要外在因素，生长环境不同造就了道地药材非道地药材的差别。道地产区的环境因素是道地药材赖以生存的主要条件之一，包括湿度、温度、降水量、地形等。众多学者对道地药材有效成分与环境因素的关系做了大量的研究发现部分环境因素与药材的主要药效成分具有相关性。周丽娟以不同产地姜黄为对象通过化学成分、性状、生物活性等指标对姜黄的道地性进行深入研究发现可依据产地将姜黄药材划分为道地药材（川姜黄）和非道地药材。郑司浩测定了蒙古黄芪和其根际土壤中的微量元素，结合气候因子数据进行了主成分分析，得出温度、水分是影响蒙古黄芪在不同地区差异的主要因素，且蒙古黄芪化学成分的含量与ITS2序列的遗传距离呈负相关，通过分析建立了遗传-化学-生态相关分析新的研究体系。谢丽霞筛选了影响麻黄药效的环境因素，并通过各影响因子与麻黄中的麻黄碱和伪麻黄碱含量的相关分析，发现土壤PH值、阳离子交换量、年均气温等是影响麻黄药效的主要环境因素。房敏峰对远志中主要药效成分进行了系统评价，总结了远志、卵叶远志和瓜子金的根和地上部分所含药效成分的地理分布规律，发现降水是影响远志药效成分含量的主要因素。刘霞等通过分子鉴定技术和生态因子分析，得到了影响麦冬主产区气候差异的主要因子，发现由于气候因子的差异，使得川麦冬和浙麦冬呈现不同的地理生态型，并通过对土壤理化指标进行聚类分析和主成分分析发现土壤养分是影响麦冬分布的主要因子。许烨对采样区杜仲所处环境中的各类微量元素含量进行了研究，将其和环境因素与药材中的微量元素进行相关分析发现杜仲质量受环境中某些微量元素的影响。研究道地药材的质量与环境因素之间的关系，并通过数学方法探讨他们之间的相关性，可以为建立道地药材标准提供环境因素指标。
2 道地药材适宜性分布范围研究进展
2.1 基于栅格数据的生态适宜性分析方法的研究
地理信息系统（GIS）是以计算机为支撑，对地球外层空间相关地理数据进行采集、存储、计算、分析和显示的技术系统。GIS的开发和应用为道地药材的适宜性研究提供了新思路和新技术，地理信息系统可实现道地药材信息空间数据的存储、管理、分析和显示，为提取道地药材产地的环境特征，建立道地药材产地的环境鉴定提供依据。一般通过实地调查、文献分析，结合数学模型、聚类分析、模糊数学等技术，对环境因素数据进行分析，找出影响中药药效的环境因素，根据提取到的环境因素筛选合适的区域。陈士林运用了聚类分区方法来研究中药区划并分析了各地区的环境适宜性。2006年中国医学科学院联合中国协和医科大学药用植物研究所开发了《中药材产地适宜性分析地理信息系统(TCMGIS)》，以地理信息系统为平台，利用气象数据库、土壤数据库、空间数据库为基础，利用计算机系统分析道地药材产区与全国范围气候和土壤的相似性，再根据相似程度划定道地药材的适生区。TCMGIS采取的是基于网格的聚类分析方法，即将数据库信息转换为可以进行聚类分析的1km*1km的正方形网格，每个网格转化为一个数据对象，将气象、土壤、空间数据存储在相应的对象属性表中，对其进行空间聚类分析。空间聚类是将空间数据集中的相似性高的对象划分同一类相似性低的划分为不同类，根据相似度，确定道地药材的适生区。在TCMGIS系统开发出来以后，陈士林等利用其研究了蒙古黄芪的全国适宜产地,严辉等利用TCMGIS分析了当归在中国的适宜区面积，以当归药材主产区分析，选取了影响当归生长发育的关键生态因子，通过对当归道地产区的实地GPS调查，研究了当归各生态因子的属性值范围，并对当归的环境适宜性进行了研究。之后陆陆续续的研究者应用此系统对中药材肉苁蓉、浙贝母、川穹等多种药材进行了产地适宜性研究。中国中医科学院中药研究所在WorldClim数据库、CliMond数据库、全球土壤数据库等国际数据库的基础上基于地理信息系统根据药用植物生长发育的特点开发出药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统(GMPGIS)。GMPGIS系统的采样点来自全球物种分布数据库，能较好地反映道地药材的分布情况。药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统预测出的产地基本上可以覆盖道地药材的产地，同时GMPGIS还可以预测出适合道地药材人工培养的产地。许多研究人员通过GMPGIS系统完成了黄花蒿、人参、三七、杜仲等道地药材的产地适生区分析，以道地药材产地、物种野生分布区和现药材主产区的生态因子为基础，通过对其进行聚类分析得出黄花蒿、人参、三七、杜仲生态相似区。
除此之外，郭兰萍通过逐步回归方法寻找影响苍术质量的生态优势因子，并利用IDIRIEIW软件采用空间插值的方法分析主要的环境影响因子，再利用GIS软件分析茅山地区的气候因子与苍术分布区气候因子的异同，得到苍术道地产区的气候因子特征。孙宇章在郭兰萍研究的基础上综合分析了影响苍术生长的环境因素，根据遥感数据结合ArcGIS软件分析了环境适宜性划定了苍术的道地产区范围。而李宗梅选取牛蒡的种子质量和有效成分含量作为牛蒡质量指标再根据多元线性回归方法得到回归模型，利用ArcGIS软件得到适宜性分布模型，通过模型分析得到牛蒡适宜性的空间分布及牛蒡在全国的分布及不同质量指标的分布。孙洪兵将羌活生长适宜性和质量适宜性区划研究成果进行关联分析，获得与羌活质量相关适宜性空间矢量数据，然后根据土地利用现状遥感监测数据进一步划分羌活适宜生产区。田罗利用生物间寄生关系，并对随季节显著变化的气温条件进行了季节细分，提取寄生种药材安苓的逆境区。祝聪通过野外实地考察和查阅相关文献的方式确定独一味生境特征，利用3S技术中的遥感技术和地理信息系统软件提取适宜独一味生长的气候、土壤、地形地貌、群落等环境因素，对各个环境因素进行空间叠加分析，确定独一味在四川省的生长适宜区分布，统计适生区面积，并结合全球定位系统实地调查进行验证。
2.2中药材物种分布模型的研究
物种分布模型是将物种分布样本信息与环境因素进行相关性分析得到物种分布与环境因素之间的关系，对研究物种应用这种关系研究分布的模型就是物种分布模型。进行生物适宜区预测的物种分布模型有很多，常用的中药材产地适宜性研究模型有BIOCLIM、GRAP、DOMAIN、MaxEnt等。BIOCLIM模型是根据物种分布点的气候数据来确定适宜物种生存的气候变化范围，其原理是根据气候变量的范围划分不同的适宜性，即不同的百分比，当未知空间的气候适宜度在其变化范围内即认为适宜物种分布。BIOCLIM模型的优点是易于学习和使用，缺点是预测性能差但与其他物种分布模型相比，BIOCLIM所需的最小样本量较小。朱弘等使用GIS软件将环境变量结合地理分布数据，绘制了浙闽樱桃实际分布点，并通过主成分分析发现，年降水量、温度季节变化等是影响其适生区的主要气候限制因素，利用DIVA-GIS自带的BIOCLIM模型完成了浙闽樱桃的现状丰度分析和适生区的模拟分布预测。张兴旺等利用DIVA-GIS软件结合环境变量分析对麻栎潜在适生区进行了预测，通过BIOCLIM模型预测发现湿度因子、耐旱能力和温度因子是麻栎潜在适生区主要影响因子。孙李勇等基于紫玉兰地理分布信息和气候因子，利用BIOCLIM生态位模型对紫玉兰潜在适生区进行预测。GARP是基于遗传算法的生态位模型，它所用到的规则是事先设定好的一个集合，可对局域自然环境空间进行建模预测物种分布，它能很好地预测离散分布物种的潜在地理分布区域。GARP模型具有运行快、数据量小且成功率大的优点。Domain模型基于Gower算法，通过计算所有已知点之间的最大相似度来评估预测点对环境因素的适用性。适应度是指待测点与环境变量空间中已知点之间的相似度，在确定物种的栖息地或分布范围时需要一个临界值来排除不合适的分布区域。与BIOCLIM模型比较，DOMAIN模型确定的范围可以是分散的。MaxEnt是一个基于最大熵理论的物种地理尺度空间分布模型，它利用已知的物种分布信息和环境信息来预测物种的适宜范围，在缺乏经纬度分布信息的情况下仍然可以做出更准确的预测。韦洁敏利用MaxEnt和GIS技术对附子适生区和适宜性进行了评价和预测，对部分种植面积较大的省级行政区做出附子的适生等级种植区划,分析附子有效药效成分含量与气候因子相关性。王国峥基于BIOCLIM、GRAP、DOMAIN、MaxEnt四个物种分布模型，预测了金钱松的适宜性分布区，发现GARP模型相较于其他三个模型来说精度较差，MaxEnt模型结果更加准确且不同模型预测结果可以相互补充。张琴收集了天麻全球分布点和生态因子数据，筛选出8个环境变量参与模型训练，基于BIOCLIM、DOMAIN和MaxEnt三个物种分布模型，预测了天麻的适宜性分布区，对三个模型的预测结果进行准确性评估发现MaxEnt模型精度较高，其次是DOMAIN模型和BIOCLIM模型。
2.3从分子水平对道地药材适宜性的研究
道地药材的道地性体现在有效药效成分的含量及产量上，而有效药效成分的含量及多少不仅仅受环境因素影响更受基因型的影响，环境因素是影响道地药材道地性的外部因素，基因型是影响道地药材道地性的内部因素。黄璐琦曾提出遗传分化是道地药材形成的关键，从分子角度讲，道地药材就是药材发生了种内的遗传变异，导致不同产地的药材品质不同。谱系地理学在道地药材的研究上取得了巨大的进展。姜丹应用分子谱系地理学和群体遗传学的理论和方法，结合UPLC-Q-TOF-MS技术对代谢轮廓及化学成分差异性进行了总体分析发现道地产区位于黄芩分布区中心的优越地理环境保存许多特化的单倍型和基因型，得出了黄芩道地性的形成应是遗传与环境之间相互作用的产物的结论。张晓芹通过谱系地理学对不同产地的大黄进行道地性研究发现大黄的功效组分地理变异格局以及分子谱系格局具有一定的相关性，且大黄具有较高的遗传多样性，可以通过对不同产地大黄的有效药效成分筛选大黄的道地性产区。除了谱系地理学以外，DNA指纹图谱也是建立道地药材遗传分化研究的一大重要研究热点。吴婷运用RAPD-PCR技术进行遗传多样性的研究分析并构建DNA指纹图谱发现进行分析的14批连翘药材可分成两大类：山西独聚一类，河北、河南、陕西聚为另一类。也可以从功能基因角度解释药材的道地性，郑司浩通过对西洋参转录组进行测序，筛选出23个人参皂苷生物合成途径相关差异关键酶基因，并提取其表达量，结合人参皂苷化学含量测定及气候因子数据进行相关性分析发现洋参人参皂苷的含量与HMGR的表达成负相关，与其它相关关键酶基因的表达成正相关。
3展望
道地药材与环境因素的相关性研究尚处于起步阶段，之前建立的中药材产地适宜性分析地理信息系统中的气候数据库的时间截止到2000年，难以充分反映现在的生态环境，部分药材所选样本过少，且部分样本缺乏经纬度等信息，这导致从这些采样点所代表的环境因素数据不准确，容易产生误差，在数学运算上采用的是中值法，不能充分反映道地药材的生长发育所处的环境。物种分布模型虽然每个模型都能独立预测潜在的适生区，但每个模型都有一定的偏好，难以对所有道地药材进行预测。目前，对道地药材的道地相关研究主要集中在环境因素对道地药材功效的相关性上，没有研究环境因素与道地药材形成之间的直接因果关系。海拔、土壤等环境因素对基因分化有影响，因此在评价模型中可以引入遗传因子，可以从分子水平上解释道地药材的形成。建立适合不同药材的适宜区评价模型，根据药材品种的选择合理因子权重，将GIS技术与数学模型、聚类分析和模糊数学相结合，对各种信息进行处理，才能建立道地药材适生区的评价模型和评价体系，尽快实现道地药材的可持续发展。
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