一种并头黄芩新变种研究

李联地，张树梓，张业飞，郭娇娇，任启文，毕 君

（1河北小五台山森林生态系统定位研究站/河北省林业和草原科学研究院，石家庄 050061；2河北小五台山国家级自然保护区管理中心，河北蔚县 075700）

0 引言

并头黄芩(Scutellaria scordifolia)是多年生草本植物（图1），又名头巾草、山麻子，是被子植物门双子叶植物纲管状花目唇形科黄芩亚科黄芩属植物，一般生于海拔2100 m以下河滩草地、山地草甸、林缘、林下、撂荒地及路旁。国内分布于内蒙古、黑龙江、河北、山西、青海等地，国外分布于俄罗斯、蒙古、日本等地。并头黄芩作为一种中药材料，根茎含多种黄酮类化合物，可以抵抗细菌、真菌、病毒等感染，具有降压、降血脂、保肝、利胆、抗氧化、利尿等功能，叶可代茶用。

图1 并头黄芩

《小五台山植物志》[1]记录小五台山地区黄芩属植物分布有北京黄芩(S.pekinensis)、黄芩(S.baicalensis)、黏毛黄芩(S.viscidula)和并头黄芩(S.scordifolia)4种，其中并头黄芩有1个微毛并头黄芩变种(S.scordifolia var.puberula)。在小五台山地区并头黄芩大多分布在海拔1200～1600 m的林下草地或湿草甸。具体分类学特征见《小五台山植物志》、《中国植物志》[2]、《河北植物志》[3]。本研究是在河北省小五台山发现白色花冠并头黄芩极小种群的基础上开展的，前人及各种分类文献均未记录提及具有白色花冠的并头黄芩品种。研究人员从保护这一极小种群的角度出发，通过资源调查、化学物质检测、前人相关研究结论及基本遗传理论等方面分析研究这一品种是否是并头黄芩的新变种。

1 研究区概况

小五台山地处河北省张家口市的蔚县、涿鹿两县境内，有亚高山、中山、低山和丘陵、盆地、河滩、阶地等多种地貌类型；海拔高度变化为890～2882 m，气候为东部季风区高寒半湿润性多雨气候，四季分明，水热同季；年平均气温3～7℃，7月最高，1月最低，活动积温为1800～2800℃；年降水量450～620 mm，降水多集中在7—9月，约占全年降水量的55%左右。已发现分布有野生高等植物1350种，隶属于106科486属，其中蕨类14科、裸子植物4科、被子植物86科。

2 研究方法

2018年7月，研究人员在河北省小五台山山涧口东沟发现了5株白色花冠的并头黄芩，事后查询有关资料没有发现相关的记录；2019年对发现地进行再次踏查，白色花冠的并头黄芩种群数量增加到12株，调查结束后对分布地采取控制人为干扰的保护措施，并且于2020年进行并头黄芩和白色花冠并头黄芩的调查及取样研究。

生境调查通过实地踏查收集海拔、分布范围、株高及群落组成特征等资料。在实验室完成植物生理生化指标的检测，黄酮类物质用分光光度计法测定，叶绿素含量用日本产SPAD-502Plus叶绿素测定仪测定。

3 结果与分析

3.1 生境调查

在资料查询的基础上，采用野外实地踏查对白色花冠的并头黄芩生境及物候期进行实地调查。白色花冠并头黄芩发现于海拔1450 m的山地林缘（图2），下坡位，坡向东北，坡度20°，土壤为林下褐土，伴生植物有老鹳草(Geranium wilfordii)、赖草(Aneurolepidium dasystachys)、青蒿(Artemisia carvifolia)、猪秧秧(Galium aparine var.tenerum)、绣线菊(Spiraea salicifolia)等，群落高度40～60 cm。在白色花冠并头黄芩分布点的周围林下草地及坡底草地、草甸就有蓝紫色花冠的原变种并头黄芩分布，距离约20 m。

图2 白色花冠并头黄芩生境

3.2 茎、叶、根

从图3野外调查统计结果看株高分布，并头黄芩株高分布范围30～70 cm，白色花冠并头黄芩株高分布范围40～60 cm。2种黄芩在平均株高分布上没有明显差异；并头黄芩标准差大于白色花冠并头黄芩，归因于白色花冠并头黄芩数量较少和分布集中。

图3 株高分析

并头黄芩茎分枝较少、长势较粗壮，白色花冠并头黄芩茎分枝多、较细弱；并头黄芩叶片颜色深绿色，白色花冠并头黄芩叶片颜色呈浅绿色；并头黄芩根茎斜生，侧根少且粗壮；白色花冠并头黄芩根茎较直，侧根多且细长（图4）。

3.3 花

白色花冠并头黄芩与并头黄芩主要差别在花冠颜色，其他特征较为一致（图5）。白色花冠并头黄芩花期6—8月，花单生于茎上部的叶腋内，成对生长偏向一侧，有花梗；花萼被短柔毛及缘毛。花冠白色，长2～2.2 cm，外面被短柔毛，内面无毛；冠筒基部浅囊状膝曲，宽约2 mm，向上渐宽，至喉部宽约6 mm；冠檐2唇形，上唇盔状，内凹，先端微缺，下唇中裂片圆状卵圆形，先端微缺，最宽处约7 mm，两侧裂片卵圆形，先端微缺，宽约2.5 mm。雄蕊4，均内藏，前对较长，具能育半药，退化半药明显，后对较短，具全药，药室裂口具髯毛；花丝扁平，前对内侧后对两侧下部被疏柔毛。花柱细长，先端锐尖，微裂。

图5 花的对比

3.4 种子

白色花冠并头黄芩与并头黄芩的种子近似（图6）。白色花冠并头黄芩子房4裂，裂片近等大，子房内含种子1～3粒，稀4粒；种子小坚果型，单生，褐色或黑色，椭圆形，坚硬外壳具瘤状突起，腹面近基部具果脐。果期8—9月。

图6 种子的对比

3.5 黄酮类物质和叶绿素含量测定

由表1可见，白色花冠并头黄芩叶绿素含量略低于同属品种。并头黄芩作为一种药用植物，主要有效成分是黄酮类化合物，包括黄芩素、黄芩新素（黄芩黄酮Ⅱ）、黄芩甙、汉黄芩素、汉黄芩甙、木蝴蝶素、7-甲氧基黄芩素、黄芩黄酮Ⅰ、二氢木蝴蝶素A等[4-6]。通过对植株黄酮类化合物的测定，白色花冠并头黄芩黄酮类物质含量约是并头黄芩原种的1.4倍，具有很好的药用开发利用潜力。

表1 叶绿素及黄酮含量

3.6 白色花冠并头黄芩特征总结与分析

3.6.1 白色花冠并头黄芩特征总结 通过近3年的调查和测定可见，白色花冠并头黄芩与分布在附近的并头黄芩在花冠颜色上有明显差异，可以稳定遗传；白色花冠并头黄芩叶片颜色稍淡，叶绿素含量略低于原变种；黄酮类物质含量约为原变种的1.4倍；白色花冠并头黄芩分枝多、较细弱，侧根多且细长，也与附近并头黄芩分枝和侧根少且粗壮有差别。

白色花冠并头黄芩根茎近直伸，节上生须根。茎直立，高40～60 cm，四棱形，基部粗1～2 mm，稍带紫色，在棱上疏被上曲的微柔毛，具多数短的分枝。叶具1～3 mm的短柄，腹凹背凸，被小柔毛；叶片三角状狭卵形，长1～4 cm、宽0.4～1.5 cm，先端微尖，基部浅心形，边缘具浅锐齿，上面绿色，无毛，下面较淡，沿中脉及侧脉疏被小柔毛，具多数凹点，侧脉3～5对，上面凹陷，下面明显凸起。花腋生，成对生长偏向一侧；花梗长2～4 mm，被短柔毛，近基部有一对长约1 mm的针状小苞片。花萼开花时长3～4 mm，被短柔毛及缘毛，盾片高约1 mm，果时花萼长4～5 mm，盾片高2 mm。花冠白色，长2～2.5 cm，外面被短柔毛，内面无毛；冠筒基部浅囊状膝曲，宽约2 mm，向上渐宽，至喉部宽约6 mm；冠檐2唇形，上唇盔状，内凹，先端微缺，下唇中裂片圆状卵圆形，先端微缺，最宽处约7 mm，两侧裂片卵圆形，先端微缺，宽约2.5 mm。雄蕊4，内藏，前对较长，具能育半药，退化半药明显，后对较短，具全药，药室裂口具髯毛；花丝扁平，前对内侧后对两侧下部被疏柔毛。花柱细长，先端锐尖，微裂。花盘前方隆起，后方延伸成短子房柄。子房4裂，裂片近等大。种子褐色或黑色，椭圆形，长约1.5 mm、径约1 mm，坚硬外壳具瘤状突起，腹面近基部具果脐。花期6—8月，果期8—9月。

3.6.2 分析 经过资料查询及走访询问当地居民，均未查询到白色花冠并头黄芩的资料；通过网上关键词查询中外文资料也没有白色花冠并头黄芩的信息记录。从3年实地踏查的结果看，白色花冠并头黄芩分布集中、遗传稳定，没有其他杂合体的出现，白色花冠并头黄芩种群分布特征和数量不符合隐性基因表达的遗传规律。

白色花冠并头黄芩与《中国植物志》、《河北植物志》报告的4种并头黄芩变种——并头黄芩微柔毛变种、并头黄芩雾灵山变种、并头黄芩喜沙变种、并头黄芩多毛变种有明显差异，已有变种及新变种与原变种差异见表2。

表2 变种并头黄芩与原变种特征差异

《中国植物志》和《四川植物志》[7]记录具有白色花冠的白花黄芩是唇形目唇形科黄芩属黄芩亚属顶序黄芩组狭叶黄芩亚组植物，生长海拔约800 m，主要分布于四川中部，除花冠颜色外其他特征与白色花冠并头黄芩差距明显。因此，可以认为白色花冠并头黄芩是一个新变种，可以为花色遗传变异研究提供一个新的案例。

4 讨论

国内外学者对植物叶色、花色的成色机理和变色机理进行了大量的研究，从遗传学和基因表达等方面都有研究结果和突破，普遍认为植物的色彩主要由类黄酮、花青素及胡萝卜素等化合物来决定，这些主要色素的种类与多寡决定叶片和花的最终颜色表达。花色的变化是内部因素和外部条件共同作用的结果，内部因素主要是生理生化条件改变（花色素组成、色素在花瓣中的空间分布及其对光的作用、细胞液pH、花发育阶段和植物激素等变化）或基因突变造成；外部条件包括真菌（病毒）侵染、机械损伤、园艺措施、光、温度、水分、矿质营养和土壤pH等[8-10]。

依据调查资料结合白色花冠并头黄芩分布特征和附近原变种的分布情况分析，可以排除外部条件变动引起花色改变的情况；另外，白色花冠并头黄芩从花蕾显色就表现出白色特征并且稳定保持到花落，也排除了由生理生化条件改变造成花色变化的情况；只有白色花冠并头黄芩是基因突变造成才符合实地调查结果，这也符合花色遗传变异的一个研究结论——花色在蓝紫色与白色间易出现突变[11-15]。

其次，花青素是植物类黄酮次生代谢途径的产物，是一种天然水溶性色素，以花色苷的形式存在，它使花、果实、种子、根等器官呈红色、蓝色、紫色、蓝紫色等[16-17]。白色花瓣的色素是存在于花瓣中的极浅的黄色色素类黄酮造成的，一些研究结论表明白色花不含花青素或含量极低。如白色花仅含有黄酮类化合物[18]，芍药花色素的组成特点芍药花瓣中类黄酮的组成和含量在品种间差异明显，尤其在不同色系之间，但差异主要集中在花青苷含量上，白色和黄色品种不含或含有微量的花青苷[19]。由以上研究结果结合并头黄芩新变种含有极高的黄酮类物质却不能转化成花青素，可以推论白色花冠并头黄芩由黄酮类物质转化成花青素的过程受阻或中断；由于参与花青素合成的途径和物质多样[20-23]，新变种花青素合成具体是由直接参与合成过程的酶类、激素等转录调控因子影响，还是受LBD基因的负调控影响尚待深入研究确定。

另外，叶片颜色稍淡、叶绿素含量低与黄酮类物质浓度升高有关。植物叶片的颜色与叶绿素、类黄酮、花青素等的浓度组成有关。有研究表明，叶绿素与类黄酮类物质含量的变化显著相关[24-25]；叶绿素含量分别与类胡萝卜素、花青苷和类黄酮极显著负相关[26]；干旱处理后，早生叶总叶绿素显著下降了18.7%、花青苷和类黄酮相对含量分别显著升高了37%和7.4%[27]，由上述研究结论可知，白色花冠并头黄芩比原变种叶片颜色淡、叶绿素含量低是黄酮类物质浓度远高于原变种的结果。

综上推断，白色花冠并头黄芩由于基因突变造成花青素合成受阻，并且产生一系列区别于原变种的性状特征，体现了基因表达的关联性和复杂性。新变种的发现为花色遗传变异研究提供了一个新的案例，有助于研究花色的遗传变异。

5 结论

经过资料查询及走访咨询均未查询到白色花冠并头黄芩的资料，白色花冠并头黄芩种群分布特征不符合隐性基因表达的遗传规律，也没有其他杂合体的出现，且与4个已记录变种及白花黄芩有明显差别，因此，可以认为白色花冠并头黄芩是一个新变种，命名为白花并头黄芩(Scutellaria scordifolia var.white corolla)。