品质生态学理论

20世纪80年代开始陈士林、肖小河率先开始道地药材品质生态学研究，完成研究生论文“川贝母（松贝）品质生态学”“附子品质生态学研究”，发表了川贝母品质生态学研究、乌头品质生态学研究、四川乌头和附子气候生态适宜性研究、乌头和附子生产布局研究等论文。在大量研究基础上提出中药品质生态学的概念及研究内容。品质生态学是由中药品质学和生态学复合而成的综合性交叉应用学科。是以中药品质为研究对象，应用生态学原理与方法，探索道地药材品质与生态系统中的相互联系及其作用机制，并在实际中加以应用的一门新兴学科。旨在从基因、细胞、组织、个体、种群、群落、生态系统等微观、介观、宏观不同层次上把握中药品质形成的生态学规律。包括中药品质、中药品质形成的生物学成因、药用生物分布、产地与生态因子的关系、优质药材产地生态适宜性与区划、生态系统调控与保护对中药品质的影响、优质中药资源开发利用、中药品质生态学理论体系与技术方法。为科学揭示优质道地药材形成科学内涵，合理保护与利用道地药材，保障中药材安全、有效、可控、稳定与可追溯提供理论依据和技术支撑。1987年，陈士林提出“生态型是道地药材形成的生物学本质”的科学假说，从生物学角度对道地药材形成的科学内涵进行了论述。认为我国复杂多样的气候地理生态条件，形成了特有的多道地、多产区现象，即中药材生态型的多样性。单从自然因素分析，中药材生态变异与生态型的分化和形成是物种种内对不同环境生态条件长期适应与自然选择，在形态、生理、生化上表现出差异的结果。该种内变异是中药材品质优劣和疗效差异的实质，认为居群变异与环境适应是道地药材形成的生态学机制。生态宗、生态型、地方宗、地理宗等是道地药材形成的生物学实质。物种内分化成生态型的原因主要有两条途径：一是物种扩散到新生境；二是原生境局部条件改变。通常物种分布越广，特别是分布区内生境差异越大，分化出的生态型就越多；物种系统发育的历史越久，分化的机会也越多。由于长期自然选择和人工栽培，在分类学上中药材形成了多种在形态结构、生理生化及遗传上具有稳定差异的生态型。肖小河认为中药系统演进的基本规律是用进废退，去伪存真，优胜劣汰，择优而立，道地自成。根据中药系统演进的三大动力——遗传变异、环境饰变和人文作用（生产技术、临床选择、文化传播、市场交通、社会政治等）及其对道地药材形成的贡献大小，将道地药材形成模式分为生态环境主导型、生物物种主导型、生产技术主导型、人文传统主导型、多因子关联决定型。如冬虫夏草属生态环境主导型，有川草、藏草、滇草之分；郁金属生物物种主导型，有川郁金、温郁金、桂郁金之分；四川江油附子属生产技术主导型等。这些学术思想赋予了道地药材新的科学内涵。2012年，黄林芳等对中药材品质生态型进行了气候生态型、地理生态型、群落生态型、化学生态型、品种生态型五类划分，丰富并完善品质生态学创新理论。① 气候生态型。指长期适应不同的温度、水分、光照等气候因子而形成的在形态、生理、生活等方面表现差异的各种生态型。如熊仪俊将余甘子划分为干热区、较湿润区和湿润区不同生态型区。李敬忠等根据农艺性状、化学成分、同工酶将叉分蓼划分为内蒙古科尔沁生态型、浑善达克生态型和多伦中间型3种，分别适宜在沙地、高寒沙地及山地种植。② 地理生态型。指长期适应不同的生境、地形地势、海拔、坡度、经纬度、土壤等自然地理因子而形成的各种生态型。物种在区系和种系的发生发展中，随着分布区的不断迁移和扩大，出现地理或生态的梯度变异。如张小波等发现青蒿素含量纬向变异明显，北部高纬度地区青蒿素含量较低，南部青蒿素含量较高；亚热带湿润气候区最适宜黄花蒿的生长。冯全民等根据形态、生理生态和性状特征，认为内蒙古伊克昭盟的甘草可划分成沙地型甘草、梁地型甘草、滩地型甘草3种生态型。③ 群落生态型。陈士林以数值分类方法确定了暗紫贝母分布的植物群落类型及群落生态特征，并研究了群落类型与暗紫贝母品质的关系。④ 化学生态型。是植物种内分化变异的一种，其形态的差异不明显，仅化学成分含量及组成差异，是植物种内生物多样性的一种表现，其本质是生态型的一种。主要有挥发油型、生物碱型、香豆素型、蒽醌型、微量元素型等。挥发油型化学生态型在芳香性中药中较为普遍，如樟科樟属的各个种，樟富含多种芳香油，具有普遍的种内化学变异的现象。研究表明樟的化学型呈明显的地理分布，与经度和纬度有关，不同化学型的挥发油对大鼠炎症的抑制程度和作用机制存在差异。周涛等发现大果木姜子挥发油可分为桉叶素型、桉叶素-环己烷型、桉叶素-香桧烯型和桉叶素-α-松油醇型4个化学型。郭兰萍等研究发现苍术挥发油组分及含量变异与地理分布有相关性，挥发油组分含量从南向北方呈现连续递减，形成了湖北苍术型和茅山苍术型2种类型。此外，唇形科薄荷、紫苏、白苏、广藿香，伞形科茴香、苍术、蛇床子，三白草科鱼腥草等都存在化学生态型现象。⑤ 品种生态型。指在一定生态条件下，通过自然选择和人工选择的双重作用，结合品种本身的生育特性和抗性，形成了与生态相适应的生理遗传特性品种类型。当药用植物种成为栽培植物或农作物时，出现品种生态型。如长期栽培的中药材形成种内变异的不同农家品种。如栽培红花1号、2号、3号、黄花红花等品种类型。忍冬不同农家品种的叶形态、非腺毛及花粉的特征可以作为不同品种间鉴别依据。该理论立足于道地生态整体观角度，在解析道地药材的成因，道地产地溯源，道地药材生态产地适应性及道地品质评估等方面具有重大理论意义与实践指导意义。

在几十年道地药材实践及生态型理论研究的基础上，总结并创新性提出道地药材研究新体系：集遗传-化学-生态特征于一体的道地药材研究体系，即应用遗传分析技术、化学分析技术和中药材产地生态适应性分析技术（GMPGIS）的集成方法综合评价道地药材的新体系，为道地药材的现代研究提供新技术和新方法，同时为道地药材基因生态型的深入研究奠定基础。该体系成功应用在肉苁蓉、西洋参、人参、黄芪等大宗道地药材，并实现对道地药材及其不同产区的鉴别溯源与道地性评价。

在遗传分析方面，DNA条形码技术是目前影响较大、应用较广泛的基于序列分析的DNA鉴定技术。该技术是指利用基因组中一段公认标准的、相对较短的DNA片段作为物种标记而建立的一种新的生物鉴定方法。与其他分子鉴定方法相比，DNA条形码鉴定具有鉴定结果可重复、通用性强、可构建统一鉴定平台及易于推广、标准化等优势，建立了以ITS2为核心、psb A-trn H为补充序列的植物类药材DNA条形码鉴定体系和以COI序列为核心、ITS2为辅助序列的动物类药材DNA条形码鉴定体系，并编著《中国药典中药材DNA条形码标准序列》。中药材DNA条形码分子鉴定指导原则已获准纳入《中华人民共和国药典》，并建立了中药材DNA条形码鉴定数据库和网站，为DNA条形码技术应用于道地药材原药材、粉末、颗粒饮片鉴定及形成中药材鉴定统一的国际标准提供技术支撑。已成功应用该技术发现了道地药材肉苁蓉新疆与内蒙古2个主产地的地理分子标记psb A-trn H序列，通过比对分析发现肉苁蓉的两大产地间序列位点存在稳定差异，新疆产肉苁蓉在191位点为G，内蒙古产则为A。该技术需要建立标准数据库，以便于大范围推广与应用。

在化学分析方面，色谱技术是中药化学成分分离分析及中药质量评价和控制的核心技术。目前以HPLC为代表的高效液相色谱技术逐渐成为中药鉴定的主要技术，此外还有气相色谱法（GC）和高效毛细管电泳（HPCE）等。基于UPLC-QTOF/MS化学成分特征的中药材肉苁蓉生态型研究表明，内蒙古与新疆产肉苁蓉明显不同，2’-乙酰毛蕊花糖苷可作为区分两大产地肉苁蓉的指标成分。自动顶空固相微萃取结合GC-MS的分析方法检测用于分析当归挥发性成分，结果显示此方法能鉴别道地产区与其他产区当归。基于UPLC-PDA-QTOF-MS的茯苓三萜成分检测的方法，表明不同产地的茯苓三萜成分的种类和含量有很大的差别。通过吴茱萸挥发油含量测定表明，贵州栽培吴茱萸药材品质较好，其挥发油含量较疏毛吴茱萸高1.73倍。利用HPCE对半夏和其伪品水半夏蛋白进行检测，显示半夏及水半夏在3种提取液中的HPCE吸收峰有明显的差异，可供半夏及其水半夏鉴别时参考。

在生态特征方面，以中药材产地生态适应性分析技术（GMPGIS）为关键技术建立了道地药材产地生态特征平台。该分析平台可厘定道地药材原产地生境特征，对药材产地的生境相似度比较，能快速对中药材产地适宜性进行定量化、空间化、可视化及多元统计分析。肖小河研制出首个数字可视化中药材及显微图像模式识别技术，实现了中药材组织鉴定三维可视化与经验鉴别客观定量化，为解决道地与非道地药材鉴定难题提供了新的手段。黄林芳等基于化学成分及生态特征的中国产西洋参生态型研究表明，中国产西洋参可分为人参皂苷Rb1-Re山海关外型和Rg2-Rd山海关内型两大化学生态型；在气候特征上亦相应存在山海关内与山海关外两种生态型，揭示西洋参的化学生态型的形成及分化与其所在气候地理环境变异相关。进一步研究表明温度是影响人参皂苷富集的关键生态因子，适度低温有利于人参皂苷富集。日照时数、海拔、年降水量是影响羌活醇、异欧前胡素累积的主要因素。李文涛通过PLS分析表明土壤类型与铁皮石斛多糖富集正相关，年降水量与金钗石斛中石斛碱含量正相关，温度与鼓槌石斛的毛兰素含量相关。如黄林芳对黄花蒿分布区系的气候等生态环境开展研究，并对道地产区气候特征进行分析、预测，结果表明武陵山区为高含量青蒿素的黄花蒿的主要区域，湿度、年降水量、日照与青蒿素含量相关程度高。郭兰萍等开展生态因子对黄芩次生代谢产物积累的影响及综合效应分析。结果发现，黄芩中黄芩苷等多数化学组分与纬度成负相关，而与温度成正相关。并对青蒿、锁阳、甘草和人参等的生态适宜性及等级区划进行了示范研究。完成了200余种中国道地药材的产地适宜性数值区划，出版了《中国药材产地生态适宜性数值区划》。品质生态学理论研究对道地药材的种质资源保存，优良品种选育及资源可持续利用方面起到积极作用。