高值木本油料植物蒜头果的资源发掘与利用

熊旭东，于安民，孙 蕊，李 萍，刘爱忠

（西南林业大学 林学院，云南 昆明 650224）

蒜头果（Malania oleiferaChun et S.Lee，MOC）是我国特有的铁青树科蒜头果单种属乔木，一般10～15m高［1-2］。蒜头果果实有丰富的可食用油脂，种仁中神经酸含量高达67%［3-6］。神经酸是治疗神经类疾病的重要物质，传统从海洋动物中获取神经酸含量有限且已被禁止。蒜头果等富含神经酸的植物已成为替代动物源神经酸的重要可持续性来源。然而目前蒜头果种质资源有限，野生蒜头果仅在我国云南文山州的富宁县和广南县以及广西西部的石灰岩地区有分布［7］。如何扩大蒜头果种植范围及人工栽培蒜头果是对其进行开发利用首要解决的问题。该文章综合蒜头果资源现状、基因组与遗传多样性研究、及人工繁殖、栽培、保护的研究进展，提出目前存在的问题及展望。

1 蒜头果的资源现状与生物学特性

蒜头果分布区域狭窄，仅分布于云南省富宁县、广南县及广西的乐业、巴马、隆安、田林、凌云等海拔300～1 640 m区域，分布地域为我国典型的喀斯特地貌区，且分布地植株稀少（多为单株或几株不等）［8］。对于蒜头果自然分布地域狭窄且集中在喀斯特地区原因，一般认为土壤pH值（中性或微碱性）是限制蒜头果自然分布的重要原因［9-10］。特别是蒜头果属于半寄生植物，在苗木生长初期蒜头果通过生成探针样结构侵入其他植物木质部，形成大量薄壁组织，具有半寄生植物的特性［11-14］；且蒜头果对寄主植物有较大的依赖，在与吊兰共生时，其形成大量吸器的同时苗木生物量显著提升［15］。

除了蒜头果的生境条件及与共生植物互作因素外，蒜头果本身的生长习性也是限制其扩大生长繁殖的主要原因。蒜头果主要依赖虫媒进行异花授粉，开花期（一般为4～5月）遇生长繁殖地雨季会大大降低其传粉效率［16］；此外，蒜头果一般5月上旬挂果，10月上旬陆续成熟，其长结实期中互作生物和非生物因素也是限制其产量的重要原因［2］。缩短蒜头果开花结实时间并辅以人工协助可适当缓解蒜头果因自身繁殖特性引发的产量损失。蒜头果栽培繁育中另一个影响因素是其幼苗成活率，除半寄生特性的共生植物栽种外，使用适当的生物与化学制剂可以有效防治蒜头果幼苗的叶斑病和膏药病［17］。除花期及生物病害问题外，蒜头果生长过程中的生殖特性也是限制其繁殖的主要原因。吴彦琼等［18］发现蒜头果花为两性花，虽传粉环节无障碍，但花粉活力低，低花粉萌发率导致其生殖障碍最终无法成果。除此之外，提升蒜头果单果大小是提升其产量的有效手段，但目前蒜头果中的研究发现通识的果核与果实大小的关联在蒜头果中并未呈现直接关联，对于蒜头果果实大小调控机制还有待进一步探索［19］，人工重点培养的果皮薄、果核重的调控机制仍需进一步研究。蒜头果生物学及生态学特性研究为选择优良种质资源，实现蒜头果产业良种化发展，缩短结实期，保证产量，提高栽培效益奠定了基础。

蒜头果种子富含油脂，其种仁含有高达51.85%～67.0%的油脂，其中脂肪酸含量占67%，以棕榈酸、油酸、硬脂酸和神经酸为主，神经酸含量为62.5%［20］，是目前已知的含神经酸最高的植物［21-22］。对于不同生境地收获的蒜头果有效成分及含量的研究是蒜头果推广应用及品种选育的基础。Wang等［23］对采自广南和阜宁的53棵蒜头果成熟种子进行分析发现单个树木之间形态特征差异比在不同地理区域之间更为显著，表明了蒜头果的个体差异性；对蒜头果种子油浓度及脂肪酸组成分析发现，差异个体中主要组成成分是均为神经酸（38.93%～47.24%）、十八碳烯酸（26.79%～32.08%）、二十二烯酸（10.94%～17.24%），但取自云南的蒜头果中神经酸含量（40.92%）低于广西乐业（47.16%）和巴马（46.55%）［24］。这些研究一方面表明了蒜头果的个体差异性，同时可推测出神经酸含量可能受气温影响，这对选择优良蒜头果开展栽培及推广提供了参考。

除神经酸及脂肪酸外，蒜头果含有丰富的营养及有益人体健康的物质。张磊等［25］测定了蒜头果果仁中主要的7种金属元素（Al、Ca、Fe、K、Mg、Mn、Zn）的含量，其中以K、Mg、Ca含量最高且高于光核桃种仁中的含量［26］，可以推广为营养保健食品。2021年，苏霁玲等［27］分析蒜头果种仁的营养成分，指出蒜头果种仁中含6种饱和脂肪酸和13种不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸含量在96%以上，同时发现蒜头果油粕中的氨基酸有17种，含量在0.08%～1.47%；其中人体必须氨基酸占氨基酸总量的41%，必需氨基酸与非必须氨基酸的比值高于世界卫生组织和联合国粮食及农业组织在1973年提出人体必须氨基酸含量40%和60%的理想蛋白质，研究还采用ICP-MS检测方法证明蒜头果油粕中含有22种矿物质元素，为蒜头果开发为高钾低钙的饲料或食品提供了理论支持，同时极大的发掘了蒜头果的营养价值。

2 蒜头果的基因组与遗传多样性研究

蒜头果初期基因组研究主要基于DNA稳定提取技术及RAPD类分子标记对其基因组遗传多样性的宏观研究［28］。2019年，Xu等［29］利用Pacific Biosciences测序平台10×单分子实时测序技术进行了蒜头果测序，获得了51 Gb和135 Gb的原始数据，基于测序平台的PacBio长片段组装后，确认蒜头果基因组大小为1.5 Gb（N50：4.65 Mb），分析发现其基因组包含约82%的重复率，预测蛋白编码基因24 064个，具有低杂合性。该研究首次组装了蒜头果的基因组，将为蒜头果的功能基因组学、遗传多样性及物种进化研究奠定基础。除全基因组外，遗传性细胞器的研究也为蒜头果的遗传多样性研究奠定了基础。Luo等［30］对蒜头果线粒体基因组测序发现其基因组大小为527 575 bp，GC含量为45.65%，包括1个假基因、38个蛋白质编码基因、32个tRNA基因、3个rRNA基因，对其进行进化树构建发现其与蔷薇科及菊科植物分属同一分支，这为蒜头果的基因功能及物种进化研究奠定了基础。原晓龙等［31］以蒜头果叶绿体基因组的高通量测序结果为基础，通过中性绘图、ENC-plot及PR2-plot方法分析了叶绿体基因组密码子偏好性并确立了最优密码子，为进行蒜头果的系统进化、遗传多样性分析提供了参考。基于蒜头果基因组开展的功能基因探索也逐步开展。Yang等［32］探究了蒜头果种子在四个发育时期的油脂含量变化，使用高通量测序技术进行了四个时期的转录组测序后，获得了55 843个基因，其中22 833个基因在油脂快速累积时期的表达量表现出了较初期至少两倍的增加，作者鉴定出与特殊油脂累积相关的基因198个，神经酸合成相关的核心基因（β-酮脂酰-CoA合酶、β-酮脂酰-CoA还原酶、β-羟脂酰-CoA脱氢酶和反式烯脂酰-CoA还原酶）也被鉴定和验证，神经酸合成及油脂合成路径的提出为蒜头果的应用及神经酸合成生物工程研究奠定了基础。基于蒜头果基因组数据及转录组中发现的油脂、神经酸合成路径，亚油酸合成关键酶、蒜头果3-酮酯酰-CoA合酶等基因已经被成功克隆并完成了信息及表达量分析，这为进一步开展蒜头果特殊脂肪酸及神经酸体外合成及基因工程研究提供了参考［33-34］。

3 蒜头果的人工繁殖研究进展

蒜头果具有重要的药用价值及经济价值，其基因组及转录组的研究确认其价值的同时，为其开发利用提供了参考，但其开发利用首要解决的是繁殖问题。植物繁殖主要的方式是无性繁殖和有性繁殖，目前蒜头果自然生长繁殖主要是通过种子繁殖（有性繁殖）的方式来进行，但其繁殖过程存在开花结实期长、成活率低等问题。利用无性繁殖的方法可以缩减植物繁殖周期，蒜头果的无性繁殖目前已经在单细胞悬浮培养、组织培养、嫁接、扦插等方面开展。

3.1 种子育苗

早在1970年的广西巴马就有蒜头果种子育苗实验，且发芽率在80%以上。目前蒜头果种子育苗的研究主要集中在不同处理方式、储存方式等对蒜头果育苗的影响方面。潘晓芳［35］对蒜头果进行了苗圃育苗和容器育苗，发现经沙藏催芽后的蒜头果种子发芽率可达到85%以上，而直播的发芽率却只有4%，为后期蒜头果种子储存和提升萌发率提供了参考。对于蒜头果为何存在不同处理方式的种子萌发力差异，丁俊峰等［36］通过蒜头果果实不同部位甲醇提取物对白菜种子发芽进行测试，证实了蒜头果果皮、种皮、胚乳中含有多种抑制发芽的物质，进一步诠释了未储藏及处理蒜头果种子发苗率低的原因。除了蒜头果种子的处理与储存方式外，不同成熟度的种子也会影响蒜头果萌发率，张国革等［37］发现不同成熟度的种子发芽率差异极显著，可以优先选择在果实成熟未脱落前搜集种子，结合适当的处理及存储方式提升蒜头果种子萌发率。余慧嵘等［38］在皖南引种蒜头果，指出对种子进行沙藏、消毒、多菌灵处理后结合适当的苗期管理技术可使蒜头果苗圃发芽率稳定在65%左右，进一步证明把握存储及播种条件对蒜头果种子育苗至关重要。

在种子育苗方面很多研究都获得了较高的发芽率，同时在种子育苗时的贮藏方式、种子消毒、催芽、土壤类型等方面也获得了大量可参考数据［39］。种子育苗是目前蒜头果培育最佳且应用最广泛的一种繁殖方式。云南林业科学院油茶研究所开展了多次蒜头果种子育苗尝试，收集当年成熟未落的蒜头果种子，采用沙藏催芽，控制沙子的湿度和大棚温度以及遮荫度，得到的蒜头果发芽率为92%，于次年4月份移栽种植后成活率达到90%以上［40］。但从育苗时间及植物生长速率方面，种子育苗方式需求时间长、生长周期长，利用无性繁殖开展蒜头果育种成为快繁育种的趋势。

3.2 嫁接

嫁接是传统无性繁殖技术，能保证植物的优良特性不会改变，且快速进入结果期，提高植物的抗逆性和产量［41］。嫁接在果蔬、药用植物、观赏植物等很多植物中都有应用［42-43］。在种质资源稀少的情况下，采用嫁接育苗能更快扩大蒜头果的植株数量，提升蒜头果的品质。1998年，潘晓芳［35］用蒜头果实生苗切接法嫁接，将露出的切口和接穗用地膜封口，得到的蒜头果嫁接苗成活率达90%，首次证明了嫁接的可行性。卯吉华等［44］对蒜头果嫁接时间、方法、部位、高度和包扎方式等九个因素进行了芽苗砧嫁接实验，获得的蒜头果嫁接存活率在90%以上并确定了最佳嫁接条件（半木质化的接穗留半叶，用嫁接膜包扎并对顶部切口封口，在芽砧5～6 cm处嫁接），使嫁接方式开展蒜头果的培育及优良性状研究更具稳定性。但嫁接繁殖方式需要有足够数量的砧木和穗木，蒜头果繁殖主要存在的问题是种质资源不足，生长繁殖周期长，更多的无性繁殖方式有待探索。

3.3 扦插育苗

扦插也是较传统的一种无性繁殖技术，具有成本低、操作简单、易产业化和易推广的特点，被广泛运用于各类植物的生产实践中［45］。扦插可以在一棵植株上找到若干枝条，保证植株在短时间内获得大量繁殖体。在蒜头果培育中，耿云芬等在蒜头果扦插繁殖专利中对蒜头果插穗类型、基质筛选、培养光照、温度、水分等做了测试，虽其生根率和成活率较低，但扦插苗的获得突破了蒜头果扦插繁殖的技术难题，突破了蒜头果无性繁殖的又一瓶颈［46］。2002年，吴彦琼的硕士论文中也提及了蒜头果的扦插技术，指出可使用上一年生已木质化枝条或者当年生半木质化枝条适当裁剪后用不同激素处理辅助苗床管理可促使愈伤组织形成，但不定根分化受限，对蒜头果根原基发育技术有待进一步研究［47-48］。目前关于蒜头果扦插的报道极少，扦插的可行性及提升扦插成活率的技术研究还需要不断突破。此外，除了传统的无性繁殖（嫁接、扦插等）方式，很多新兴的无性繁殖手段也在蒜头果中开展。

3.4 蒜头果单细胞悬浮培养研究进展

2004年，赖家业等［49］采用蒜头果新鲜种子胚乳在不同浓度激素的培养基上成功诱导产生愈伤组织，同时发现6-苄氨基嘌呤（6-BA）与二氯苯氧乙酸（2，4-D）比值降低有利于蒜头果悬浮培养细胞的生长，得出MS+0.2 mg/L 6-BA+2.5 mg/L 2，4-D+3%蔗糖的最佳诱导蒜头果愈伤组织形成的培养基。2005年，兰健［50］设计了不同转速及培养基的对比实验，发现100 r/min转速最适合蒜头果细胞悬浮培养，同时指出蒜头果悬浮培养中悬浮物的生长量和悬浮液的pH值呈负相关，提高了悬浮细胞培养成功率。2007年，苏树权［51］综合考虑pH值、蔗糖、转速、接种量等因素得出蒜头果愈伤组织悬浮培养的最佳条件：MS基本培养基，加入40g/L蔗糖，pH值6.0，按照6 g/200 mL的接种量接种，摇床转速110 r/min。同年，尹承颖［52］提出在28℃温度条件下进行愈伤组织悬浮培养可以进一步提高悬浮细胞培养成功率。随着细胞悬浮培养研究的开展，蒜头果的组培技术正在逐步完善，但悬浮细胞诱导分化成植株的研究尚无突破，这一问题限制了悬浮细胞培养技术的应用，利用其他无性繁殖方式培养蒜头果的研究逐渐增多。

3.5 蒜头果组织培养技术研究

兰健［50］通过蒜头果离体胚和带胚乳的胚为无菌诱导材料进行培养，发现带适量胚乳的胚有助于无菌苗正常生长，同时成功获得了蒜头果无菌苗，证明了蒜头果组织培养的可行性。后期研究者对组织培养基及体系进行了不断的优化，赖家业［53］研究发现高浓度的2，4-D与低浓度的6-BA在胚乳愈伤组织诱导时具有协同作用，同时提出蒜头果无菌芽苗继代增殖最佳培养基组合为：MS+1.0 mg/L 6-BA+0.2 mg/L NAA。尹承颖［52］利用种胚开展蒜头果无菌苗诱导，发现以种胚为原材料时IBA、6-BA、KT对蒜头果无菌苗出苗率无显著影响，获得蒜头果种胚无菌苗最佳组合培养基MS+0.2 mg/L NAA；同时发现蒜头果种胚无菌苗各部位（无顶芽茎段、带子叶腋芽茎段及下胚轴）都能直接诱导出芽；对诱导获得的无菌苗进行移栽实验确定移栽基质为河沙时存活率可达到80%，进一步验证了利用组织培养方式获得无菌苗的可行性。

对于蒜头果的无菌苗培养，苏树权［51］进行研究发现，蒜头果种胚无菌苗愈伤组织，继代分化2～3代后生长停滞死亡，说明蒜头果组织培养体系尚不稳定。而褐化是植物无性繁殖的主要限制之一［54］，解决蒜头果外植体褐化问题，有助于蒜头果无性繁殖的稳定开展。2018年，陶俊锋等［55］以不同消毒方式、外植体、抗氧化剂和培养基设计正交实验确定外植体的类型是影响蒜头果褐化的主要因素，采用当年生半木质化外植体可以极大的减少褐化情况出现。2021年，王琼等［56］也做了相似的实验发现使用氯化汞和次氯酸钠混合液消毒，采用含PVP的1/2 WPM培养基培养，可以将蒜头果的褐化率控制到最低。褐化问题的解决将进一步增加蒜头果组织培养获得无菌苗的成功率及稳定性。

4 蒜头果的人工栽培与保护

4.1 蒜头果的人工栽培

蒜头果在实验阶段种子萌芽率高、培育存活率高，利用无性繁殖方式也能获得较高成活率的无菌材料，但是在移栽及实地栽培中蒜头果存活率较低。早在1981年，刘钊权［2］对野生蒜头果的生境、生长习性、栽培技术等做了调查，认为蒜头果幼苗具有喜阴特性，造林应选择阴湿灌丛的石灰岩山地或砂岩、页岩发育起来的山地黄壤，采用直播和植树方法进行，指出了蒜头果人工栽培中的注意事项。之后，刘钊权［57］在广南县进行了栽培测试，获得了成功成活植株，虽成活率较低，但证明了蒜头果石山栽培的可行性。肖来云等［58］多次将蒜头果引种到气候相似的地区，尚未获得成功，一方面可能是未考虑蒜头果的生境依赖特性，另一方面蒜头果本身成活率也值得探究。2001年，陈强等［59］在云南中南岩溶山区用种子繁育营养袋育苗栽培，但因霜冻问题未获得成活植株。吕仕洪等［60］在广西田林岩溶山区用沙藏催芽后的蒜头果栽培，发芽率为35%左右，袋装苗定植两年后的幼苗长势良好，为蒜头果人工栽培提供了参考。2016年，吕仕洪［61］等在广西西南岩溶山区的裸地、草丛、灌丛、疏林四种林地类型上进行蒜头果直播培育，发芽率为35%～53%，定植一年后幼苗存活率在80%以上，两年存活率在50%以上，其中以灌丛和疏林最高裸地存活率最低。蒜头果栽培存活率低，且随生长年限存活率降低，可能与以上研究未考虑蒜头果的根半寄生特性有关，可在后期研究中考虑进行共生植物的栽种。就目前报道来看，蒜头果的引种还存在一定的难度，其成功率有待提高，除蒜头果本身幼苗成活率外，生境依赖性及其半寄生特性都应加入蒜头果人工栽培的考虑因素当中。

4.2 蒜头果种质资源的保护

蒜头果是高度优先保护的极小种群物种，现存野生植株稀少，被列为国家二级保护植物［62］。目前研究报道中导致蒜头果濒危的主要原因总结如下：（1）蒜头果的半寄生特性：蒜头果种仁中的养分能满足幼苗生长期的需要，随着树龄增长自身提供养分不能满足生长需要，需要通过根部吸器从周边植物汲取营养物质以满足自身生长需要，但由于对造林地植被的清理及与其他植株的竞争，部分蒜头果无法获取足够的营养物质，从而逐渐凋零；（2）花粉活性低且缺乏专性的传粉者［16］：蒜头果花粉活性低，导致了其较低的得果率，专性传粉者的缺乏致使传粉不成功，导致大量落花落果；（3）近亲繁殖：野生蒜头果植株多以单株或几株孤悬野外，近亲繁殖导致其后代的衰退［63］，自交产生大量的纯合体后代，使植株在到达生殖年龄前死亡，出现近交衰退现象［64］；（4）野生蒜头果幼苗成活率低：由于蒜头果幼苗喜阴湿环境，长大后亦喜阴，这一特性使其在滇东南和桂西北岩溶地区的幼苗易因暴晒死亡；（5）发芽率低：蒜头果种皮中有抑制种子萌芽和苗木生长的化学物质，导致幼苗发芽率极低，子叶柄和子叶片无法断离导致的幼苗的死亡，自然生长及更新困难，是蒜头果种质资源匮乏的主要原因之一［6］。基于蒜头果的现状，该文章总结提升蒜头果成活率及保护的应对策略：（1）引入蒜头果寄生偏好性植物，保证其正常养分需求；（2）开展蒜头果花粉长期离体保存，为杂交育种做好前期准备；（3）开展蒜头果杂交育种研究，目前仅赖家业等［16］在巴马县对蒜头果进行过杂交育种实验，已证实蒜头果具有自交亲和性，并确定了其杂交可育的传粉模式，可利用杂交进行蒜头果育种尝试；（4）利用已报道的无性繁殖成功的方法开展蒜头果无性繁殖实验，把理论试验阶段延伸到推广应用阶段。

5 展望

神经酸在药品和保健领域有广阔的应用空间，可用于治疗和预防神经疾病和类似病症，如肾上腺脑白质营养不良、脑肝肾综合征、老年痴呆症等［65-67］；然而从海洋动物中获取的神经酸有限，已经不能满足市场需要；同时伦理道德及法律层面动物提取神经酸的方式已被禁止。神经酸急需寻求植物类的可持续来源。高神经酸蒜头果为神经酸提供了可观的植物源来源。随着蒜头果价值的发现，越来越多的人开始投入到这个被长期被忽视的高价值树种的研究当中。与此同时，各地方政府也发现蒜头果的创收效果；投资者们也利用这个高神经酸含量的种子开发了一系列保健品，如：神经酸凝胶糖果、神经酸压力糖果等均已获批上市。开展政府引导，民间自发保护，科研机构研究及企业产品开发等完整保护链及产业链可以促进蒜头果的种、产、研、用的一体化发展。这一产业链的形成，不仅可以解决蒜头果濒危问题还能实现乡村振兴及促进地方经济发展。蒜头果的价值开发已经使其完成从食用油到保健药品及医药产品的转变，但目前供给不足、收益周期长等瓶颈仍需要不断突破。

结合现有研究进展，目前蒜头果分布地域有限，人工栽培困难等问题，可以结合其半寄生特性及生境依赖性特点改善其栽培模式及栽培环境，提升蒜头果栽培存活率。蒜头果8年左右的开花结实期限制了其大规模利用，开展蒜头果无性繁殖及快繁技术研究，可以保证蒜头果苗木的供给，对进一步实现蒜头果产业化、规模化种植，缩短开花结实期，提高经济效益有极大裨益。解决蒜头果繁殖、栽培的问题后，未来蒜头果种植可以向矮化育种等方向发展，便于密植、采收的同时进一步提升土地资源利用率及蒜头果产量。基因组与遗传多样性的研究对于我们了解蒜头果并开展遗传改良等奠定了基础，结合基因组及神经酸合成路径进行育种是培育优良种质的可行方式，同时也可以在今后蒜头果遗传改良甚至神经酸植物工厂研究中得以应用。对与蒜头果的研究还有很多未知之处，蒜头果的价值也还需要更多的探索，比如在蒜头果中发现具有非常大毒性的植物蛋白Malanin有何作用等仍有待更多更深入的研究。

总之，蒜头果具有药用价值，同时也是良好的山地绿化植物，将蒜头果应用于植树造林、美化环境，符合“绿水青山，就是金山银山”理念，在获得其经济价值的同时也为我们的子孙后代留下一片绿荫。