紫蘇的研究與應用

紫蘇的研究與應用

紫蘇是嘴唇科的一種重要植物。它是一個新鮮的花授粉植物，具有獨特的味道。這是中國傳統(tǒng)的藥食油料作物和油料作物之一。這是衛(wèi)生部第一次制定的60種藥物，包括巴比妥。它在醫(yī)藥和食品領域具有重要的開發(fā)價值，近年來引起了國內外的廣泛關注。紫蘇原產亞洲東部,有野生型和栽培型,廣泛分布于我國各省區(qū),以及不丹、印度中南半島、印度尼西亞、爪哇、日本、朝鮮等地。在我國已有2000多年的栽培歷史,北方以供油用為主,兼作藥用,有西北、東北2個傳統(tǒng)油用產區(qū);南方主要以藥用為主,兼作香料和食用。作為一種多用途的經濟植物,紫蘇的研究與應用越來越引起人們的關注。目前國內外相關研究主要集中于紫蘇的開發(fā)利用、種質資源重要農藝性狀及多樣性研究、種植栽培技術、含油量分析和功能物質等化學成分的提取、離體再生培養(yǎng)和轉基因研究、以及重要物質的合成及基因分析等方面。本文就以上幾方面的研究進展做簡單概述,為紫蘇的深入研究和進一步開發(fā)應用提供參考,有效促進紫蘇產業(yè)的發(fā)展。1羅氏的開發(fā)利用價值1.1脂肪酸的保健功效蘇籽出油率高達45%~55%,不飽和脂肪酸占總含油量的90%以上,其中α-亞麻酸含量高達50%~70%。α-亞麻酸是人體重要的必需脂肪酸,紫蘇籽油及α-亞麻酸具有調節(jié)免疫力、降血脂和血壓、提高智力、延緩衰老、抗癌和預防多種疾病等保健功效,是高血壓、血栓病患者的理想食療油,可作為保健食用調和油中不飽和脂肪酸的主要來源。在工業(yè)上,因其碘值高、揮發(fā)性強、易干燥,既可用于制備油漆和油布,又可用于制備阿立夫油、油墨,以及肥皂、涂料、人造革等。此外,紫蘇油中的亞油酸及其衍生物還可配制出具有各種功能的化妝品。1.2清治血氣感冒表紫蘇籽、葉、苞和梗都可作為中藥材,治療多種疾病。如籽可用于主治下氣、消痰、潤肺、寬腸和治療腫瘤等;葉可主治發(fā)表,散寒,理氣,抗菌,升血糖,咳喘,安胎等;苞可治血虛感冒;蘇梗可理氣、舒郁、止痛、安胎和治食滯等。此外,紫蘇還富含黃酮類化合物、類胡蘿卜素及迷迭香酸等活性成分,具有抗氧化和抗菌消炎作用,可用于預防和治療心血管疾病、抗癌及增加免疫力及多功能醫(yī)藥中間體[4~6],研制抗過敏、抑制血小板凝聚藥物,開發(fā)抗衰老、增強免疫功能的產品。1.3食品添加劑的食品紫蘇葉片中含有豐富的蛋白質和類胡蘿卜素,營養(yǎng)價值高又兼有藥用功效,當鮮菜食用深受人們喜愛;另外,還可加工成紫蘇粥、紫蘇醬、紫蘇豆瓣醬、紫蘇汁、蜜餞、果脯、糖果、葉粉、糕點等多種形式的食品,以及拼盤、腌制產品等調味品;此外,還可用作色素、防腐劑、甜味劑和香料等食品添加劑的基料。以紫蘇為原料,日本相繼開發(fā)出了保健食用油、保健食品(如餅干、點心等)、紫蘇茶、紫蘇飲料、紫蘇醬油、紫蘇增白霜、藥品等,并且開發(fā)出含85%以上亞麻酸的蘇子油,每年從我國蘇州等地進口紫蘇葉,從東北大量進口蘇籽。美國已將紫蘇列入抗癌食品研制計劃,韓國每年要消費蘇子油1000噸。紫蘇因其含有高α-亞麻酸、黃酮、萜類、花青素及多糖等諸多功能成分,而倍受世界關注,成為國內外輕工業(yè)、食品、醫(yī)藥領域的研究熱點,其市場需求隨著開發(fā)利用的深入也不斷增加。2關于江蘇省茶葉資源的研究2.1日本材料上的紫蘇單品在紫蘇資源的起源、分布及分類方面,Nitta等調研發(fā)現(xiàn)亞洲紫蘇主要分布在中國、韓國、日本、尼泊爾和越南等國,有紫蘇(Perillafrutescensvar.frutescens)和回回蘇(Perillafrutescensvar.crispa)種或近緣種兩類,前者在中國和韓國當作油料廣泛栽培,葉子在韓國還用于鮮食及泡菜制作;后者在亞洲許多地方已經消失,但日本和越南仍有栽植,中國和韓國主要用于藥材和蔬菜,日本用于腌制品。RAPD遺傳分析說明表型與栽培紫蘇(var.frutescens)和回回蘇(var.crispa)相近的野生紫蘇在遺傳上也分別與兩類栽培種相近,回回蘇和近緣種屬于原始種。研究者們通過對紫蘇資源重點分布的幾個亞洲國家長達十年的調查,認為二倍體紫蘇主要起源于日本,經傳播分布于中國和韓國,推測四倍體紫蘇主要起源于長江中下游某些地區(qū);此外,Pandey研究了印度喜馬拉雅山脈地區(qū)的紫蘇資源分布,并對收集的資源進行了簡單的植物學性狀描述。在遺傳多樣性分析上,Nitta等對130多份紫蘇的葉氣味、花青素、種子硬度及種子直徑等特征進行測定及聚類分析,結果將這些紫蘇分成五個類群,絕大多數(shù)油用品種聚為一類,藥用型紫蘇分屬于另外三個類群,野生/雜草型組成最后一個類群。Lee等利用AFLP標記評價了東亞兩類栽培型和其雜草型紫蘇共60份種質的遺傳關系,結果表明該物種多態(tài)性為64%,栽培型var.frutescens種質單獨聚為一類,野生型var.frutescens和回回蘇var.crispa的栽培型、野生型聚集形成另一類群,與中國和韓國分別是栽培種var.frutescens的起源中心和次生中心之說相一致。Park等利用已報道和新開發(fā)的SSR標記對來自韓國和日本的100多份蘇子種質進行遺傳多樣性評價,結果表明蘇子SSR多態(tài)性相當豐富,var.frutescens和var.crispa各自分為一個類群,并獲得了一些種質的特異性位點。2.2含油率及脂肪酸紫蘇種質資源的早期研究集中于重要農藝性狀和品質性狀的鑒定分析,挖掘篩選綜合性狀良好的優(yōu)異種質。馬堯等分析比較了3個紫蘇品種的農藝性狀及生理指標,認為紫蘇選育品種的部分農藝性狀(如株高、分枝數(shù)、花序數(shù))以及相關生理指標(葉綠素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量和粗脂肪含量)都高于左家紫蘇和白蘇。張?zhí)綄F州南部山區(qū)73份栽培紫蘇和40份野生紫蘇的農藝性狀、品質性狀及抗旱性等特征特性進行了初步研究,發(fā)現(xiàn)了一種六棱莖的新類型,鑒定出苗期超抗旱品種丹江野蘇,并測定了其中37份種質的粗蛋白含量(19.26%~29.26%)、粗脂肪含量(34.95%~45.51%),15份種子的17種氨基酸總量(19.66%~20.77%)。廖揚春對21份紫蘇種質的主要農藝性狀、含油率及脂肪酸組成進行鑒定和分析,篩選出綜合經濟性狀較好的恭門-1、恭門-2和四龍紫蘇等材料。蔡乾蓉等對來自日本、美國以及中國四川和廣東等地26份紫蘇屬植物的主要農藝性狀與單株籽粒產量進行相關性通徑分析,發(fā)現(xiàn)白蘇籽千粒重、含油量和亞油酸含量均相對較高,表明千粒重、總穗數(shù)和穗粒數(shù)是影響單株籽粒產量的主要因素,在油用型紫蘇選育過程中應該注意選育大粒、穗多型品種。王計平等和胡彥等分別測定了山西省內12份野生紫蘇和紫蘇屬5個變種10份材料的種子含油量及脂肪酸組成,結果表明12份野生紫蘇的含油量介于30.83%~32.76%之間,樣品間無明顯差異,10份試材種子含油率則介于33.49%~42.58%之間,存在極顯著差異。此外,Shin等人研究分析了5個紫蘇品種種子的油脂成分及特性,通過分析28份紫蘇種質的千粒重、種子硬度及全草油成分,利用GC-MS分析方法發(fā)掘了一份高α-白蘇烯的候選材料;Zhang等利用GC-MS法對26份紫蘇種質的鮮葉精油成份進行分析研究,鑒定出了49種成分,并新發(fā)現(xiàn)了D-檸檬精油或薄荷酮、洋芹醚和脫氫異雄(甾)酮3種成份。對比國內外紫蘇種質資源的研究狀況,我國與國外的差距十分明顯,我國除繼續(xù)擴大紫蘇資源的收集范圍和加強征集力度,豐富紫蘇種質基因庫以外,還需加強對紫蘇資源農藝性狀、重要成分、抗病性及遺傳多樣性等方面的綜合研究與評價,篩選高產、優(yōu)質、抗病等優(yōu)異種質,有效促進我國蘇子的遺傳育種研究和提高蘇子的產量產值。3溫度、濃度和萌發(fā)介質對種子萌發(fā)率的影響張春平等人通過研究經不同濃度的硫酸鋅(ZnSO4)和聚乙二醇(PEG)處理后的老化紫蘇種子的萌發(fā)、活力及相關酶的活性變化,表明600mg·L-1的ZnSO4和20%的PEG處理能有效減緩老化對紫蘇種子及幼苗產生的不利影響,提高種子及幼苗的抗老化能力;通過對紫蘇種子外部形態(tài)、千粒重、凈度、含水量和吸水量等多項指標的測定及超聲、低溫和熱水等預處理,分析不同溫度、不同濃度化學物質和不同萌發(fā)介質處理對種子萌發(fā)率的影響,認為種子萌發(fā)的最佳溫度為變溫15℃/23℃,先用60℃熱水對種子預處理,然后再用200mg·L-1的GA3處理種子,可在短時間內顯著地提高種子的萌發(fā)率。朱小平等通過田間定期采樣,測定紫蘇株高、葉面積、各器官干物質積累量和分配情況,明確了不同氮肥水平下的紫蘇株高、葉面積、干物質積累和分配動態(tài)相似,株高和干物質積累動態(tài)符合Logistic生長曲線方程,呈現(xiàn)“慢-快-慢”的生長趨勢,并且認為紫蘇施氮量以75~150kg·hm-2較為適宜。孫燕玲研究了不同種植密度下紫蘇的生物產量情況,表明結合農事操作與栽種效率考慮,以采收紫蘇葉,提取揮發(fā)油為目的的最佳種植密度為4700株/667m2。梅虎對紫蘇花芽生理分化期葉片內源激素含量變化進行了動態(tài)研究,并且對內源激素和核酸與紫蘇花芽生理分化的關系開展了相關研究;郭鳳根等通過研究紫蘇資源的芳香油積累動態(tài),發(fā)現(xiàn)在營養(yǎng)生長階段芳香油含量不斷上升,花芽分化期含油量最高。此外,在紫蘇大棚栽培、葉用高產栽培及日光溫室葉用栽培、寒地籽用栽培、有機栽培、間作套種及病蟲害防控技術等方面都有相關研究報道。4高效活性成分檢測方法紫蘇富含黃酮、類胡蘿卜素及迷迭香酸等多種重要活性成分,在醫(yī)療、食品和保健方面都具有重要價值,這些活性成分的提取工藝和檢測方法成為研究熱點之一。4.1從葉片中提取類胡蘿卜素劉大川研究了溶劑法提取紫蘇葉中類胡蘿卜素的最佳工藝,認為石油醚是浸提的最佳溶劑,紫蘇和白蘇提取類胡蘿卜素的最佳工藝條件分別為:每次浸提3h,溫度60℃,固液比1∶20,浸提1次;每次浸提3h,溫度65℃,固液比1∶20,浸提3次。通過對超臨界二氧化碳萃取紫蘇葉中類胡蘿卜素的方法進行初步研究,發(fā)現(xiàn)壓力40MPa時類胡蘿卜素(β-胡蘿卜素)基本能萃取出來,并且以一定量紫蘇油作為萃取載體可大大提高提取率。此外,高桂珍等研究了不同提取溶劑、時間、料液比等因素對油菜種子中類胡蘿卜素的提取效果和測定結果的影響,建立了一種快速、準確和簡便的測定油菜種子類胡蘿卜素總量的方法,并測定比較了油菜、花生、大豆、芝麻、蘇子和紅花等6種油料作物種子及30份不同類型油菜種質資源種子中類胡蘿卜素總量。4.2熱水浸法提取張鑫等以紫蘇葉為原料,研究不同提取方法、不同品種和不同生育時期對迷迭香酸提取效果的影響,認為開花后至結實初期葉片中迷迭香酸的含量最高,是提取的最佳時期,以水:甲醇:HCl(20:80:1)提取最有效,也可用水∶丙酮∶HCl(20∶80∶1)代替。周平等對迷迭香酸乙醇浸提法的提取工藝進行優(yōu)化試驗,確定其最佳工藝條件為50%乙醇提取劑,1∶50(W/V)料液比,65℃提取溫度,35min提取時間。朱惠麗通過實驗認為乙酸乙酯萃取的最佳萃取級數(shù)為3次,料液溶劑比為5∶3(v/v),熱水浸提法的最佳條件為:以40∶1(v/w)溶劑原料比在100℃下浸提45min。此外,杜桂彩等研究發(fā)現(xiàn)迷迭香酸在50~300μg范圍內與吸光度呈良好的線性關系,并利用此特點建立了一種快速、簡便、準確地測定迷迭香酸含量的分光光度檢測法;呂曉玲等人對酶法輔助提取迷迭香酸的新型工藝條件開展研究,確定了該法提取的最佳工藝條件為:加酶量25U/g紫蘇,料液比1∶40(w/v),提取溫度50℃,酶反應時間為5min,高效液相色譜測定得率為0.625%,比熱水浸提法提高26.26%。4.3紫蘇葉活性成分的提取關于紫蘇黃酮類物質的提取,李秀信等采用不同化學溶劑提取方法對紫蘇莖中黃酮類化合物進行提取研究,認為采用80%乙醇和60%丙酮提取效果明顯;王薇等采用響應面分析法優(yōu)化超聲提取白蘇總黃酮的工藝條件,得出其最佳提取工藝條件為:加60%乙醇超聲提取4次,每次18min,固液比1∶15,總黃酮提取率可達24.65mg/g;超聲波提取紫蘇梗中黃酮類化合物和迷迭香酸的最佳工藝條件為:3%硼砂水溶液為提取劑,料液比為1∶50(m/v),超聲波輸出功率為300W,提取時間90min,提取溫度75℃;但以70%乙醇為提取劑時,超聲波提取紫蘇葉黃酮的最佳工藝為:料液比1∶20(g/mL),溫度為60℃,功率為150W,提取次數(shù)2次(40min/次)。在分離純化方面,王薇等認為HPD300大孔樹脂對白蘇總黃酮有良好的吸附分離性能,其吸附分離工藝條件為:總黃酮上樣濃度為5mg/mL,最大吸附量為13.73mg/g,吸附流速為1mL/min,以10倍柱體積50%乙醇洗脫,樹脂可重復使用4次。但有人認為利用AB-8大孔吸附樹脂純化紫蘇葉總黃酮,可得到總黃酮含量為58.74%的精制品,富集效果好,適用于工業(yè)生產。盡管關于紫蘇活性成分提取檢測分析的方法較多,但仍有不完善的地方,還需進一步提高提取效率和穩(wěn)定性。如溶劑提取法雖然簡單易行,成本低,但較為費時;超臨界提取技術則存在如何提高溶劑功能、增強對極性成分的提取能力及提高提取的選擇性等問題,且所需設備價格昂貴,生產成本高;超聲波輔助提取可縮短提取時間,降低成本、增大提取率,是一種較為優(yōu)良的提取方法,但用于大規(guī)模提取則有待于進一步研究。5離體基因的構建相對其它大宗作物來說,紫蘇生物技術方面的研究報道較少,主要有離體組織培養(yǎng)、轉基因體系建立、γ-TMT基因、PfOle19等基因的遺傳轉化以及Myb相關基因、花青素合成相關酶基因和脂肪酸合成途徑相關基因的分離、克隆及表達分析。5.1多葉含根、誘導增殖,進展之一國內有關紫蘇組織培養(yǎng)方面的報道較多。于淑玲等對紫蘇幼嫩莖尖、帶葉腋芽和嫩葉等外植體進行離體誘導培養(yǎng)及快繁研究,建立了誘導、分化、增殖和生根等一整套離體快繁體系。周川云等研究探討了不同滅菌方法對紫蘇不同外植體污染和生長的影響,為紫蘇再生體系的建立和快速繁殖奠定了基礎。Hou等利用紫蘇胚軸和子葉為外植體,以MS為基本培養(yǎng)基并添加不同濃度的激素,成功誘導出不定芽和再生植株,并開花結果。Zhang等以子葉和胚軸為外植體建立了紫蘇的快速再生體系,91.06%的子葉和76.4%的胚軸在添加適宜激素組合的MS培養(yǎng)基上能直接產生出芽,并在1/2MS培養(yǎng)基中成功生根,80%再生植株移栽成活,并開花結果;在此基礎上,他還對紫蘇離體開花的影響因素進行研究,建立了紫蘇離體開花體系,為開花生理機制研究提供了模式系統(tǒng)。另外,以含頂芽的紫蘇胚軸莖段為外植體進行離體培養(yǎng),結果發(fā)現(xiàn)幾種外植體的再生頻率從高到低依次為:頂芽,胚軸頂段,胚軸中段和胚軸基段,3-4星期之內可從頂芽處產生許多小芽,隨后將小芽在添加2mg/L6-BA的MS培養(yǎng)基上增殖培養(yǎng),在MS基本培養(yǎng)基上7~10d就自發(fā)生根形成植株,建立了多葉紫蘇的高效離體再生體系,為多葉紫蘇的遺傳操作奠定基礎。此外,Zhong等研究了紫蘇細胞懸浮培養(yǎng)中蔗糖濃度對花色素排泄的影響,表明高濃度的蔗糖可導致細胞膜結構改變,細胞體積變小,滲透壓增高,從而釋放更多的花色素和蛋白質。5.2超量誘導生物學特性Kim等研究建立了紫蘇胚軸的離體再生體系,胚軸外植體在添加6-BA3.0mg/L的MS培養(yǎng)基上能再生出大量的不定芽。在此基礎上,利用農桿菌EHA105菌株(含Pig121-Hm質粒)對胚軸進行遺傳轉化研究,經GUS染色、PCR擴增和基因組印跡雜交驗證,其轉化頻率約為1.4%。Lee等利用含不同質粒(pBKΙ質粒和pIG121Hm質粒)的EHA105農桿菌菌株侵染的紫蘇胚軸、子葉和葉片三種外植體,進行遺傳轉化效率的研究,結果表明胚軸的轉化效率最高,其pBKΙ和pIG121Hm的轉化率分別達3.1%和2.2%,并篩選出芽誘導和芽伸長階段選擇劑的適宜濃度分別為:草胺膦2mg/L+卡那霉素150mg/L和草胺膦1mg/L+卡那霉素125mg/L。在紫蘇轉基因體系建立的基礎上,學者們研究了種子特異性啟動子下的γ-生育酚甲基轉移酶(γ-TMT)基因在紫蘇中的表達情況,結果說明γ-TMT基因在轉基因植株的未成熟種子中特異性表達,γ-生育酚可快速向α-生育酚轉換,迅速提高種子中α-生育酚的含量,高α-生育酚性狀能在植株后代中遺傳,生育酚合成途徑與脂肪酸合成之間沒有相互作用。同時,研究還發(fā)現(xiàn)從紫蘇中分離的種子特異性表達的γ-TMT基因還能在大豆中超量表達,使轉基因大豆T2種子的α-生育酚含量和β-生育酚含量分別提高10.4倍和14.9倍,使維生素E活性高出野生型4.8倍。此外,Chung等研究了紫蘇PfOle19種子特異表達啟動子在轉基因擬南芥中的表達情況,結果表明PfOle19啟動子能使Egfp基因在發(fā)育的長角果中表達,在葉片、莖和根中不表達;在PfOle19啟動子下成熟種子中的EGFP表達強度和GUS活性分別是花椰菜花葉病毒35S啟動下的4倍和5倍。5.3紅色紫蘇葉片相關基因的缺失目前主要克隆分離了LFY同源基因、Myb-p1基因、花青素合成相關酶基因、3-酮脂酰-酸性磷酸酶轉運蛋白合成酶基因以及亞油酸脫氫酶等基因,并對部分基因的表達情況進行了研究。蘭樹斌等運用RT-PCR方法克隆了LFY同源基因的cDNA片段,通過序列比對分析表明該片段與彩葉草的FLO1、花椰菜的BOFH、鼠尾草的FLOA2、擬南芥的LFY和金魚草的FLO同源性依次為90%、67%、9