中药材无公害精细栽培体系研究

时间：2022-05-11 10:45:58 所属分类：农作物 浏览量:

中药材无公害精细栽培依据生物技术、信息技术等多学科手段为基础的面向中药材生产的精细农业管理，精确定位到每种药用植物的栽培特性，从产区选择、田间管理、收获储藏等过程实现数字化、网络化及智能化。我国中药材无公害精细种植研究基础薄弱，无序生产和不规范使用

　　中药材无公害精细栽培依据生物技术、信息技术等多学科手段为基础的面向中药材生产的精细农业管理，精确定位到每种药用植物的栽培特性，从产区选择、田间管理、收获储藏等过程实现数字化、网络化及智能化。我国中药材无公害精细种植研究基础薄弱，无序生产和不规范使用农药导致农残超标，严重影响中药疗效与安全。

　　研究团队提出并建立了“中药材无公害精细栽培技术体系”，提供了突破无公害中药材产业瓶颈的新途径。主要包括: 基于 GIS 信息技术指导药用植物精准选址技术，以现代组学方法为主辅助药用植物的精细育种技术，以宏基因组学指导土壤复合改良技术、药用植物合理施肥及病虫害的防治技术。基于 GIS 技术创建了空间可视化和栅格空间聚类分析结合的系统区划，指导药用植物无公害引种和合理规划生产布局。通过解析基原物种基因组、转录组等遗传背景，辅助药用植物优良品种选育技术体系，提高育种效率，为无公害中药材提供源头保障。通过宏基因组学解析药用植物种植对土壤微生态调控作用，建立“土壤消毒 + 绿肥回田 + 菌剂调控”的土壤复合改良技术。基于需肥规律建立药用植物基肥及追肥的施肥技术，减少化肥使用量。针对病害类型及发病规律，建立病虫害的综合防治方法，形成药用植物病虫害无公害防治技术体系，精细田间管理减少农药及化肥使用，有助于生态环境和谐，保障中药材安全助力其产业升级。

　　1 GIS 信息技术指导药用植物精准选址

　　生态环境与药材质量其密切相关，是道地药材形成的重要因素，直接影响到道地药材的生长发育和有效成分的形成和积累。中国中医科学院中药研究所基于药用植物生长发育特点研发了药用植物全球产地生态适宜性区划信息系统 ( geographic information system for global medicinal plants， GMPGIS) ，提出并建立了基于 GIS 的无公害中药材精准选址技术，创建了空间可视化和栅格空间聚类分析结合的系统区划。对中国大宗、常用中药材的基原物种进行了产地生态适宜性分析，并 出 版《中国药材产地生态适宜性区划 ( 第 2 版) 》[1]一书; 成功运用于人参、三七等物种的引种栽培中[2，3]，针对红豆杉[4]、刺五加[5]、檀香[6]、沉香[7]、银杏[8]、重楼[9]、阳春砂[10]、广陈皮[11] 等物种进行详细产区规划分析，在全国多个贫困县开展了基于 GIS 技术的无公害中药材生产布局。

　　1. 1 基于全球生态因子的药材产地适宜性系统开发 根据引种地原产地气候、土壤等生态因子的相似性，获得其在全球范围内的适宜产地，是有效指导药用植物引种和合理规划生产布局的基本保证。GMPGIS 系统采用采用了 4 个数据库: ①基础地理信息数据库，包括矢量数据的国界区划和城市区划等数据; ②气候因子数据库，包括全球气候数据库 ( WorldClim global climate data) [12-13]与全球生物气候学建模数据 库 ( CliMond: global climatologies for bioclimatic modeling) [14-15]; ③全球土壤数据库( Harmonized World Soil Database，HWSD) [16]; ④药用植物分布空间数据库，整合全球野生药材分布、主产地和道地药材经纬度数据。关于全球药用植物生态产地适宜性区划，GMPGIS 主要具有以下功能: 系统涵盖超过 240 种全球药用植物的采样点，样点数据主要来源于主产地、野生分布或道地药材产区，用户可使用系统进行查看、坐标下载。系统包含药用植物生长的生态环境栅格数据库，主要来源于 WorldClim，CliMond 和 HWSD，其中包括生长季均温、最热季节均温、最冷季均温、年均温、年均湿度、年均降水、年均日照和土壤等生态因子，并为用户提供一致的栅格精度。结合物种采样点数据库，系统可提取生态因子的取值范围和土壤类型，并自动生成相应表格。用户可以输入拉丁名称或用户定义的采样点的坐标数据，系统自动计算出全球范围内每一公里的相似度。结合基础地理信息数据库中的国界区划和城市区划等数据，可计算出国家、地区甚至乡县级的最大生态相似度区域的面积。用户可以多个药用植物分布的预测结果进行对比分析，并生成分析表格。

　　1. 2 基于 GIS 系统药材生态适宜性因子的确定 以秦岭-淮河南北生态气候分界，以北主要有人参、甘草、黄芪、肉苁蓉等常用药材，人参主产于吉林、黑龙江和辽宁等地; 甘草主产于内蒙古、新疆、甘肃、宁夏和青海等地; 黄芪主产于内蒙古、山西、甘肃等地; 肉苁蓉主产于内蒙古、新疆、甘肃和宁夏等地。以淮河-秦岭以北 20 种药用植物为例，分析其生态因子主要为: 年生长期均温 - 5. 6 ～ 24. 9 ℃，最冷季均温 - 26. 0 ～ 9. 9 ℃，最 热 季 均 温 - 0. 5 ～ 31. 4 ℃，年 均 温 - 12. 7 ～ 14. 6 ℃，年 均 相 对 湿 度 36. 3% ～ 71. 8% ，年 均 降 水 16 ～ 1 999 mm，年均日照 113. 0 ～ 171. 7 W·m - 2 ( 表 1) 。GMPGIS 信息系统为淮河-秦岭以北药用植物精准选址提供了依据。

　　2 药用植物新品种选育

　　药用植物种类多、育种起步晚，相对农作物非常落后。传统选育是利用外在表型结合经济性状多代纯化筛选，实现增产与高抗的目的，但选育周期长，效率低。现代分子生物技术可加快药用植物育种进程，项目组建立了高通量混合测序技术的全基因组组装及拼接技术，完成灵芝[17]、丹参[18]、人参[19]、紫芝[20]等物种全基因组测序，通过基因组重测序，建立了目的连锁性状基因数据挖掘的生物信息学分析方法，选育了一批优良品种，获得苗乡抗七 1 号、中研油苏 1 号等新品种或良种证书，降低病虫害发生率最高达 62. 9%[21-22]。 2. 1 DNA 标记辅助药用植物新品种选育 DNA 标记辅助育种以 DNA 多态性为基础，依据分子杂交、聚合酶链式反应、高通量测序等技术，筛选与高产、优质、抗逆等表型相联的 DNA 片段作为标记，进而辅助新品种的选育[21]。随着测序成本的降低，药用植物的转录组、全基因组测序结果提供了大量的 SSR 和 SNP 等分子标记，为发掘植物抗逆及参与有效成分合成途径的新基因提供了信息，提高了选育的效率。李滢等[23]首次采用 454GS FLX Titanium 高通量测序技术对丹参二年生根的转录组进行测序和功能分析，挖掘其次生代谢物合成相关基因。丹参有效成分生物合成途径关键酶基因的发掘为克隆基因、基因功能研究提供了基础数据，为研究有效成分的生物合成途径和调控机制奠定了基础，同时为应用生物技术方法提高丹参有效成分含量、或直接生产有效成分和其中间体提供了可行性。Chen 等[24]基于转录组数据分析并获得大量的 EST 序列，为人参基因组的开展奠定基础。Xu 等[19]应用下一代测序技术组装人参的全基因组序列，总计 3. 5 Gb 全基因组核苷酸序列编码了 42 006 种预测基因。采用人参 22 个转录组数据集和质谱图，鉴定出 31 个基因涉及甲羟戊酸途径及 225 个 UDP-糖基转移酶( UGT) 基因。人参核基因组的获得揭示了人参皂苷的生物合成和进化，为分子辅助育种及抗病机制提供依据。通过分析人参、西洋参、三七根部转录组获得大量与皂苷合成、抗逆相关的 SSR，为人参属药用植物新品种选育提供依据[25-27]。现在分子生物学技术加速目标 DNA 标记的筛选与开发，这些标记应用于重要农艺性状的定位，高效的筛选出高产、优质、抗逆新品种。

　　2. 2 基因组学辅助药用植物新品种选育 基因组辅助育种是分子育种在高通量测序时代的产物，即通过对群体进行高通量测序，通过关联分析等途径定位到控制某个性状的关键基因，直接对后代基因型进行选择的方法来选育新的品种。基因组序列信息提供了大量的 SSRs 和 SNPs 等分子标记，有利于高密度遗传图谱和物理图谱的构建，高密度遗传图谱加速了分子标记与优良性状之间的连锁研究，有益于 QTL 研究平台的创建和染色体范围内研究自然群体基因渐渗。高通量测序结合农艺表型的 QTL 定位研究获得进展，例如 Graham 等[28]依据青蒿农艺表型，通过高通量测序技术构建遗传图谱识别影响青蒿产量的位点，结果表明 QTLs 协同 LG1 和 LG9 上的位点影响青蒿产率，LG4 与 QTL( 数量性状位点) 协同促进青蒿鲜重，却抑制青蒿素浓度，前体合成基因的候补基因 DXR2 与 C4 LG9 上青蒿合成 QTL 有协同作用，这些候选基因可作为分子标记育种的分子基础，辅助青蒿新品种的选育。董 林 林 等[21] 利用 RAD-Seq 技术筛选三七抗病品种———苗乡抗七 1 号的特异 SNPs 位点，结合田间抗病性的农艺特征，辅助抗病新品种的选育，缩短育种周期，加快育种的进程。沈奇等[22]通过全基因组测序筛选出中研肥苏 1 号 ( 京品鉴药 2016054) 的 30 个非同变异突变 SNP 标记，这些特异性 SNP 标记可用于紫苏该新品种材料鉴选。

　　3 药用植物土壤复合改良

　　连作障碍是制约无公害中药材可持续生产的重要限制因子，主要原因包括土壤理化性状的劣变、土传病害的增加、微生物群落失衡、化感物质累积等。土壤微生态环境的失衡是系统性的问题，单一的方法技术体系难以解决。研究团队基于宏基因组学研究解析人参、三七、西洋参等药用植物土壤微生态环境失衡机制，并在大量田间试验筛选的基础上，建立“土壤消毒 + 绿肥回田 + 菌剂调控”的综合策略，改善根际微生态环境，为无公害中药材持续生产提供技术支撑。

　　3. 1 宏基因组学指导土壤复合改良 根际微生态环境影响药材产量及质量。随着种植年限的增加，土壤微生物失衡日益突出，导致药用植物连作障碍。利用宏基因组学技术对根际土壤微生物样本进行分析，绘制出根际微生物群落的“全景图”，揭示药用植物种植中土壤微生物多样性、种类及丰度的变 化，解析根际土壤的功能变化，为土壤改良提供依据[29-31]。宏基因组学研究可跨越预先培养环节来研究整体微生物，更加精确地反映微生物群落的活性及时空变化。研究发现，人参种植过程中有益微生物群落如 Luteolibacter， Cytophagaceae，Luteibacter，Sphingomonas，Sphingomonadaceae 和 Zygomycota 丰 度 下 降，而有害微生物群落如 Brevundimonas，Enterobacteriaceae，Pandoraea，Cantharellales，Dendryphion，Fusarium 和 Chytridiomycota 丰度增加[31]。三七种植过程中微生物群落多样性及组成的变化与三七死苗的相关性，Fusarium 丰度的增加是导致三七死苗的重要因素之一[29]。因此，通过消除土壤病原微生物群落，增加有益微生物群落是土壤改良的有效策略。

　　3. 2 土壤消毒 土壤中存在大量的致病微生物、害虫，消毒可以有效的杀灭土层中病原菌、害虫及虫卵，减低作物的死苗率[32]。土壤消毒主要分为物理消毒和化学消毒 2 种。利用太阳能进行高温消毒是物理消毒的主要方式之一，通过在高温季节覆盖塑料薄膜来提高土壤温度，进而消灭土壤中的有害生物。该方法操作简单、经济实用、生态友好，但消毒不够彻底[33]。化学消毒是目前土壤改良的主要手段之一。传统土壤改良常用的消毒剂主要有: 碘甲烷、异硫氰酸烯丙酯、环氧丙烷、叠氮化钠、丙烯醛、辛硫磷、丙烯醛、灭线磷、臭氧、硫酰氟、氯化苦和氰胺化钙等，对单一或多种病原生物具有防治效果[34-40]。然而传统土壤消毒剂如辛硫磷、灭线磷、氯化苦等化学品，对环境及人畜造成危害，将逐步被国内禁用。无公害中药材的土壤消毒剂采用低毒、安全的化学药剂，并配合土壤还原剂对根际生态环境进行修复，可解决土传病虫害难题，保障中药材的产量和品质。

　　3. 3 绿肥回田 绿肥作物生长过程中所产生的全部或部分绿色体，经翻压或者堆沤后施用到土地中作为肥料，具有提供养分、合理用地养地、部分替代化肥、提供饲草来源、保障粮食安全、改善生态环境、固氮、吸碳、节能减耗、驱虫、杀菌等作用[41-43]。常用绿肥作物因其生长环境不同，种植时间及方式略有差异，通常选择在春季种植适宜绿肥作物，于种植药用植物前对绿肥进行翻压，对增强土壤肥力、改善土壤理化性状等都有明显效果( 表 3) 。传统的绿肥回田方式通常是将绿肥作物做简单处理，在土壤改良方面具有一定作用。对绿肥作物的深加工可以创造出更大的经济效益，研究团队针对人参属药用植物筛选出适宜的绿肥作物———苏子 Perilla frutescens，并于花期将苏子割倒切段，晾晒 3 ～ 4 d，耕翻并将绿肥作物秸秆及杂草扣压到土中，以后每隔 10 ～ 15 d 耕翻 1 次，耕翻深度为 20 ～ 25 cm，该方式可以有效增加土壤肥力，改变土壤微生物群落的组成; 改良后土壤微生物群落在门及属水平上其丰度主要表现下降趋势，在科水平上其丰度主要表现增加趋势[44-45]。绿肥回田改善土壤微生物区系，增加土壤中有益微生物群落及有机质的含量，进而改善土壤微生态环境。

　　4 药用植物合理施肥

　　合理施肥是无公害中药材的重要环节。肥料是提高作物产量，促进其生长发育的重要基础物质，合理施肥可满足药用植物生长所需的养料[57]。肥料的施用在提高作物产量的同时，由于作物对养分供求关系不平衡引起的施肥增产效率也在逐渐下降，从而引起一系列资源浪费和环境污染问题[58]。中药材生产中，合理施肥关乎资源、环境和药品安全的重要问题。无公害中药材选肥原则为: 选用国家生产绿色食品的肥料使用准则中允许使用的肥料种类，所有的肥料应以对环境和作物( 营养、味道、品质和植物抗性) 不产生不良后果的方法使用。无公害中药材的合理施肥技术应依据作物种类及生长阶段等内部因子，以养分归还学说、最小养分律等基本原理为指导，建立药用植物整个生育期的需肥规律，结合土壤供肥能力和肥料效率等信息数据，在以有机肥为基础的条件下，提出药用植物大量元素和微量元素的配比方案并建立相应的施肥技术，实现各种养分平衡供应，满足药用植物的需要，达到提高肥料利用率和减少用量，提高产量，改善药材品质，减少土壤污染，保障中药材无公害种植。与传统施肥技术相比，无公害中药材合理施肥技术杜绝硝态氮肥的使用，化肥钙镁磷肥、硫酸钾肥、尿素等施用量每亩减少 5 ～ 30 kg( 表 5) 。

　　5 病虫害综合防治

　　药用植物病害的发生直接影响其产量及品质，其病虫害表现为多样性，例如根腐病、根结线虫病、白粉病、黑斑病、圆斑病、炭疽病、疫霉病等[64]。病虫害防治成为当前中药可持续发展的主要任务。然而中药使用的特殊性决定了其的质量比其产量更为重要，为使药材达到高效、安全、无污染的标准，基于病虫害的发生规律，研究团队参照农业部门限制使用农药名录，针对病害类型及发病规律，建立了药用植物病虫害基因检测技术体系，并结合配套 GACP，形成中药材病虫害的无公害防治技术，统计数据表明该技术体系农药使用量下降，药材及饮片中五氯硝基苯、灭线磷、氯化苦、辛硫磷、呋喃丹等农药均未检出，保障药材安全。无公害基地通过 GAP 或 GACP 认证。中药材病虫害的无公害防治技术与传统防治的主要差别为: ①以防为主，防治结合; ②常规防治以产量为前提，无公害种植以质量为前提，严禁施用农业部规定的禁用农药; ③不可替代农药施用前根据每种药材吸收特点开展基础研究，控制施用量，药材检测达到无公害要求; ④基于农业防治、物理防治、化学防治及生物学防治，建立综合防治方法。

　　6 讨论

　　中药材无公害精细栽培技术依据生物技术、信息技术等多学科为基础的面向中药材生产的精细农业管理，解决药用植物种植中精准选址、品种选育、土壤改良、施肥管理、病害防治等关键问题，实现药用植物栽培的精准化及最优化。研究团队基于 GIS 技术创建了空间可视化和栅格空间聚类分析相结合的系统区划，在全国多个贫困县开展了无公害中药材生产布局。通过解析中药基原物种全基因组、转录组等遗传背景，建立药用植物品种选育技术体系，构建了抗性品种选育平台，完成了优良品种选育，并获得新品种和良种证书，使病虫害发生率降低。通过宏基因组学解析药用植物种植对土壤微生态环境的影响，建立“土壤消毒 + 绿肥回田 + 菌剂调控”的土壤复合改良技术。基于需肥规律建立药用植物基肥及追肥的合理施肥技术，减少化肥使用量。针对病害类型及发病规律，在药用植物种植前( 土壤改良) 及种植过程中建立了基于病虫害农业防治、化学防治、物理防治及生物防治的综合防治方法，形成中药材病虫害的无公害防治技术，无公害种植基地通过 GAP 或 GACP 认证，数据统计表明该技术体系下人参、三七、丹参、西洋参、五味子等中药材的农药使用量降低 20% ～ 80% ，保障药材安全，推动中药材种植走向精细化时代。

　　基于 DNA 条形码和化学指纹图谱的中药材全程质量追溯系统为无公害药材实现安全、有效、稳定和可控提供保障。从中药原材料的生产到成药的销售是一个多环节且复杂的过程，确保中药生产全程质量的安全、有效、稳定、可控。项目组在现有食品和药品等前期溯源技术研究的基础上，把中药材固有的属性( 真伪和优劣) 与流通信息管理相结合，以追溯码为载体，以市场需求为导向，建立了中药材全程质量追溯管理系统，推动追溯管理与市场准入相衔接，实现中药材全过程追溯管理。

　　[参考文献]

　　[1] 陈士林，李西文，孙成忠，等. 中国药材产地生态适宜性区划[M]. 2 版. 北京: 科学出版社，2017.

　　[2] 沈亮，吴杰，李西文，等. 人参全球产地生态适宜性分析及农田栽培选地规范[J]. 中国中药杂志，2016，41( 18) : 3314.

　　《中药材无公害精细栽培体系研究》来源：《中国中药杂志》，作者：陈士林1* ，董林林1 ，郭巧生2 ，魏建和3 ，李西文1 ，李刚4 ，李琦5 ，刘玉德6 ，刘思京7 ，徐江1 ，余育启8 ，吴杰1 ，梁重恒9

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