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1、“道地药材道地药材”的生物学探讨的生物学探讨黄璐琦张瑞贤（北京 100700 中国中医研究院中药研究所）摘要目的：对“道地药材”的生物学内涵、形成的生物学原理及研究时具有的生物学问题和方法等几个方面，进行了理论探讨。方法：采用分子生物学、居群遗传学和居群生态学的方法进行阐述。结果：通过对“道地药材”的生物学探讨，指出“道”是生物学上的“居群”，它的形成是由基因型和生境饰变共同作用的结果，具有数量、空间、遗传和药效等特征。结论：对目前已在开展的“道地药材”研究具有理论参考价值。关键词 道地药材；生物学道地药材是一个约定俗成的概念，是一个古代药物标准化的概念。它以固定产地生产、加工或销售来控制药材
2、质量，保证了药材的货真质优，得到医者与患者的普遍认可。它的产生是以实践经验为依据，经得起临床的考验，有着丰富的科学内涵，已引起诸多学者的关注，并进行了有关的研究。这些研究无论是采用传统的方法或是现代科学手段，也无论是引种栽培、成分分析或提高临床疗效诸方面，都取得了很大的成绩，积累了丰富的经验。应该说，在几千种中药当中，道地药材是研究得比较深入的部分，但距离阐明药材道地性的科学内涵还相差甚远，还没有对中药学术的振兴产生重大影响1，究其原因就是没有从药材（除矿物药）来源于生物这一本质出发进行阐述。作者现仅从理论上谈谈个人的认识。在本文的讨论中，仅以生物药道地药材为内容（以下简称“道”），不涉及矿物
3、药和合成药及生物药的加工、销售对其道地性的影响。1 道地药材的生物学内涵药材（除矿物药）来源于生物，都有着生物的内涵。生物是由基因（gene）、细胞（cell）、器官（organ）、有机体（organism）、居群（popu1ation）、群落（community）等 6 个主要的生物层组成的，这一多层次结构模式被称为“生物学谱”（bio1ogica1 spectrum）2。每一层次都有其自身的科学问题，有相应的研究方法，如细胞生物学和分子生物学及其方法，人们在认识生物时都是从其所处的层次逐渐向宏观和微观两个方面发展，药材研究也不例外，如在药材的鉴定上，就有细胞层次的鉴定显微鉴定，器官层次的鉴
4、定性状鉴定及有机体层次的鉴定基原鉴定。如果进一步向宏观方向发展到居群层次研究药材，那就涉及到道地药材的研究。历代本草对“道地药材”的论述主要体现以下几个方面：中医理论指导。工艺技术的体现。同种异地。异种异质3。在这些方面中涉及生物学范畴的为后 2 种，并以同种异地为“道地药材”的基础，而异种异质指物种不同。在南北朝及其以前，这是道地药材形成的主要原因，唐宋以后，这种现象逐渐减少4-5，发展至今它早不作道地药材来看待，而是作为就地取材，扩大资源来考虑，因此，“道地药材”的生物内涵是同种异地，即同一物种因其具有一定的空间结构，能在不同的地点上形成大大小小的群体单元，其中如果某一群体产生质优效佳的药
5、材，即为道地药材，而这一地点则被称为药材的“道地产地”。这个同一物种在不同地点上形成的群体单元，在生物学上就称为“居群”。因此，“道”在生物学上就是指某一物种的特定居群，这里的“特定”不是由研究者根据研究目的方便划定的，而是由一定的土壤、光热及阴湿等生境所决定的，有着比较稳定的边界，是一个比较稳定的“地方居群”（Loca1 popu1ation），是在特定的空间和时间里生活着的自然的或人为的同种个体群。2 道地药材形成中的生物学原理道地药材的形成有其历史条件、地理条件和生长的生境因子（土壤、气候）及人为因子等6，其形成模式有生境主导型、种质主导型、技术主导型、传媒主导型以及各种多因子关联决定型
6、7，但与生物这一本质相关的模式只有前 2 种，其形成原理可解释为“道”所具有的有效成分含量高，临床疗效好等特征，是不同产地同一药材的不同表现。这种表现的差异正同进化生物学中的“变异”，是由自身的遗传本质基因型所决定的，受一定的生境条件影响。从生物学上说，“道”的形成应是基因型与生境之间相互作用的产物，可用公式表示：表型：基因型十生境饰变所谓表型，指“道”可被观察到的结构和功能特性的总和，包括药材性状、组织结构、有效成分含量及疗效等。这里的生境饰变（environmental modification），是指由生境引起的表型的任何不同遗传的变化。基因有产生某一特定表型的潜力，但不是决定着这一表型
7、的必然实现，而是决定着一系列的可能性，究竟其中哪一个可能性得到实现，要看生境而定。因为，器官的生长和性状的表现，都必须依靠来源于周围生境的物质，在合适的生境中产生“道”所具有的特别表型特征。反之，在其它生境中该基因的这种调控则可能发生“弥散”（penetrant）8，出现一种不确立性，比如生长在东北三省、苏、皖、浙、鄂的一叶揪securi11ega suffruticosa（pal1.）Rehd含有左旋一叶揪碱（l-securinine），生长在北京近郊县多为右旋（d-securinine），承德附近 6 个县一叶揪碱具有左、右两种旋光性9。生物类药材的同一基因在不同的外界生境条件下，有着不同
8、的表型，称为表型可塑性（phenotyic p1asticity）。表型可塑性，说明为什么不同产地的同一种药材质量和疗效有着差别。与可塑性相关的另一个概念是耐受性，即是指生物对极端生境的耐受能力，或者指生物所生存的生境因素范围。“道地产区”常被认为是这一生境范围内最适宜植物生长的地方，即该物种的某居群在某生境下表现出最大的适应性10。但应该清楚地认识到，决定药材疗效的物质基础是有效成分，有些有效成分在正常条件下没有或很少，只有当受到外界刺激（如干旱、严寒、伤害）时才会产生，这类物质属异常二次成分，被称为保护素（phytoa1exin）9，而这种对生物残酷的生境是处于这一生物的分布区的边缘，可见
9、“道地产区”不仅在药材分布区的密度中心，也有可能在边缘，如甘草、大黄、枸杞、防风等药材的道地产区，这在实际应用上的意义就在于提示了建立道地药材生产基地时不能仅考虑适合药材生长的区域。当一个药材种具有较广的分布区时，它的各个不同地区的居群往往具有不同的基因型，或称地方性特化基因型（local specialized genotype），而这些基因型是由于不同的生态或地理的条件长期选择作用塑造而成，是产生“道”的遗传本质。可以说，“道”是对一特殊的界限明确的一套生境条件的基因型反应的产物，属“药材”的“生态型”。相同的生境条件，可产生同样的和基本相似的生态型，因而生态型可以是多地起源，这也是为什么
10、药材也可以有多个“道地产区”的原因所在。3 道地药材研究的生物学问题和方法居群的特征可分为数量特征、空间特征、遗传特征113 个方面，而“道”这一特殊居群除上述 3 个特外，还有“药效特征”，它属于药材学范畴，这里不作讨论。（1）数量特征：主要指“道”在“道地产区”的密度，对其研究常常是“道”管理、采挖和质量评价的基础。影响密度的 4个参数是出生率、死亡率、迁入率和迁出率。出生率（natality）是泛指任何生物个体或居群产生新个体的能力，可分为最大出生率（maximum natality）和实际出生率（realized natality）。最大出生率是指在理想条件下（既无任何生态因子限制，仅
11、受生理因子限制）的出生率，实际出生率是指在具体的生境中最终实现的出生率。死亡率（mortality）是指居群内个体死亡的百分率，同样也分为最低死亡率（minimum mortality）和生态死亡率（ecological mortality），比较出生率与死亡率可指明“道”未来产量的变化趋势，比较最大和实际的出生率、死亡率就能知道道地产区生境内变化趋势，在研究一个“道”时，只有通过连续多年的观察和记录，特别是详细记录出生率和死亡率，并通过分析和模拟，才能找出影响“道”的主要生态因子，避免单从土壤或其它单一因素考虑。迁入（immigation）是指其它居群内个体通过扩散进入到该研究居群的过程。在
12、“道”生产上这种迁入常常是伴随着人为的栽培引种而发生，引种药材质量的好坏，不仅影响当年每亩药材的产量和质量，而且因这种迁入能打破“道”与非“道”之间的隔离，导致居群间基因的流动，改变整个“道”的遗传组成，给整个产区以后的生产带来影响。如在茅苍术生产栽培中，其致命弱点在于常异花授粉性产生的实生后代普遍存在有效成分变异，它使后代难以保持亲代的优良品质12，所以目前 60以上的植物性道地药材在人工栽培时是采用无性繁殖方式。但是，长期的无性繁殖，后代始终是前代营养体的继续，植株得不到复壮机会，得不到新的基因，致使品种生活力下降。因此，防止“道”的品种退化，加强人工选择，施行科学留种应引起高度重视。迁出
13、（emigration）是指居群内个体移出的过程，它往往造成居群内个体数量的减少，同时会使该居群向外扩张，占领新的领地。这种现象的发生会导致道地产区扩大和迁移，影响因素是多方面的，有气候、土壤、温度以及人为因素。一般而言，在研究迁入和迁出时的困难是居群边界的不易确定，而“道”这一特殊居群中却有着比较固定的边界，使得这一研究相对比较容易。（2 ）空间特征：是指居群内个体在空间分布及其动态，居群大体上有 3 种分布类型：随机分布、均匀分布及群集分布。“道”在产区内的自然状态常常属于群集(cluped)这一分布型，即是个体成群或成团分布，这就使得“道”有着不同的密度分布，可称“道地药材密度”，就是单
14、位面积或体积内的个体数目。这一分布密度是对生境差异发生的结果，同时也受气候、生境的变化及季节变化的影响。有人指出，气候因素决定植物的分布范围，土壤因素决定植物分布范围内的密度13研究“道”与生境的的相互作用，要从“道地药材密度”入手，不仅是比较道道地产区与非道地产区之间的生境变化，而且更要揭示造成这一密度分布的原因所在，如盛产白术的江西安福县的 3 个乡，相距最多 40 公里，海拨及地理位置也极相近，但 3 个乡的白术生产质量有所差异，究其原因主要为土壤质地不同14。可以说，“道地药材密度”是道地产区内同种药材的质量参差不齐的生物学表现。上述这些数量特征和空间特征都受生态因子左右，各个生态因子
15、的影响总是相互联系作用的，每个生态因子对于同一种药材的影响是不同的，这一点决定于它与其它因子的配合。另外，必须区别出生态环境各个因子之间的直接关系和间接关系。水分状况、热量状况、土壤溶液的成分都是属于直接影响因素；地形、成土等都是通过直接因子起作用的，属间接因子。过去的研究着重在直接生态因子方面，但间接因子的重要意义并不小于直接因子，对此，已引起不少学者的关注，如 GBS 的制约效应15。总之，他们的研究属居群生态学的研究范围。（3 ）“道”的另一个重要特征就是“遗传特征”。由于“道”在“产区”多是以人为方式进行无性繁殖而不单单是通过有性繁殖来进行基因交换，形成一个在个体组成、数量以及遗传结构
16、上有一定界限的地方繁育居群（或称孟德尔式群体），因此，“道”应看成一个具有共同基因库的由交配和亲缘关系联系起来的同一物种的个体。研究其遗传特征就是要针对其特点，即要揭示在“道”之内及与非“道”之间的遗传变异大小、变化规律及其影响因素。“道”与非”道”之间和“道”之内存在大量的遗传变异这一事实，早已为人们所观察和意识到，比如伊克昭盟甘草，就可分为河地草、梁地草及淮地草等 3 种，它们在外部形态、组织构造和化学成分上都有明显区别16，它们在遗传上的变异程度却没有进一步研究。可见过去的研究多为形态标记研究，即为个体特征描述和宏观观测，这样得到的结论往往是不完善的，易引起争论。近年来，人们通过分子生物学方法比较不同生物在基因表达产物（蛋白质）乃至遗传物质（核酸）本身的异同性来研究遗传变异。这些方法目前主要指同功酶，RFLP，RAPD AP-PCR 等技术。其中后 3 种方法研究对象是遗传物质本身，不象形态学标记和同功酶标记是研究基因转录翻译后加工的产物，甚至是多基因型的表现型，因此不受显隐性关系，环境条
