人参(Panax ginseng C.A.Mey.)为五加科珍贵中药材,应用历史悠久。吉林省长白山区是人参的主产区,人参药材原料及其大量药品和保健品供应全国并出口众多的国家和地区。目前,人参主要药效成分人参皂苷合成与积累规律研究的不足,制约了药材质量调控技术的创新。从生态学视角开展人参皂苷合成及其关键酶基因表达与生态因子相关性研究,对阐明人参皂苷合成的生态调控机制及其主导因子,推动人参药材质量调控技术的科技进步具有重要意义。本文以吉林省栽培人参为研究对象,采样区覆盖人参道地产区15个县市,设127个研究样地,位于北纬40°58′1.2″~44°26′54.6″,东经125°20′43.8″~130°51′24.1″,跨3.4个纬度,5.5个经度;样地海拔高度在96m~1450m之间,高差1354m。研究中共获得人参总皂苷及8种单体皂苷含量、人参皂苷合成途径FPS、DS、β-AS和CYP716A47等4个关键酶基因表达量,以及土壤pH、电导率、盐浓度及主要土壤元素等原始数据13000余个。基于GIS地理信息技术,应用ArcGIS软件的空间插值功能,通过DEM的多元线性回归运算,获得127个样地位点的9个气象因子数据。采用小气候定位观测系统对抚松县老岭五年生人参栽培样地进行24小时全生长季连续观测。在此基础上,从宏观空间尺度和微观时间尺度上,开展了人参皂苷含量、人参皂苷合成关键酶基因表达与气候、土壤、海拔高度等生态因子相关性的大数据分析研究,阐释了生态因子对人参药材质量的影响,提出了人参皂苷合成与积累的生态调控策略及相关主导因子,旨在为推进人参药材质量的生态调控提供科学依据。主要研究结果如下:(1)建立了人参Rb1、Rb2、Rb3、Rc、Rd、Rg1、Re、Rf等8种皂苷离子液体超声辅助提取技术,人参皂苷的提取率是H2O和乙醇提取的1.42倍和5.57倍,其最佳工艺条件为0.3mol/L溴化1-丁基-3-甲基咪唑盐离子液体([C3MIM]Br)为溶剂,以固液比(g:mL)1:10溶解人参粉末,超声波辅助提取20min。(2)成功克隆了人参皂苷合成FPS、DS、β-AS和CYP716A47等4个关键酶基因,建立了GAPDH基因实时荧光定量RT-PCR方法,该方法具有灵敏、特异、快速及重复性强等优点,为进行人参功能基因表达的定量分析奠定了基础。(3)吉林省15个主产区人参质量均符合《中国药典》标准,其中Rb1、Re+Rg1分别达到国标的2.10-5.90倍、2.68-5.10倍;人参总皂苷和单体皂苷Rb1、Rc、Rg1、Rf含量随着栽培年限增加明显增加,其中,Rb1、Rg1增幅最大,二者含量最多可增加到1.1796%、1.0510%,说明延长栽培年限将有利于Rb1、Rg1的合成积累;聚类分析结果表明人参品质分区逐渐由片状向带状转化,其带状分区呈现出明显的以长白山为中心距离梯度,原因值得进一步的深入研究。(4)海拔高度对人参总皂苷含量有显著影响,海拔600-1000m范围内栽培人参有利于总皂苷积累。8种单体皂苷与海拔变化的关系比较复杂,其中Rb1和Rc为“双峰型”,但高海拔大于低海拔峰值;而Rg1、Re、Rf、Rb2、Rb3、Rd为“单峰型”,其中,Rg1、Re、Rf、Rb2峰值出现在600-800m区域,而Rb3、Rd的峰值出现在800-1000m区域。海拔高度间单体皂苷含量差异显著性分析表明,Rb1、Rg1、Re的差异显著性均较差,特别是Rb1在300-1000m内无显著差异。(5)采用偏最小二乘法分析气候因子与人参总皂苷和8种单体皂苷的回归系数和VIP权重系数研究结果表明,影响人参皂苷合成积累的主导生态因子依次是年降水量、日照时数、年均温度。人参皂苷含量与年均温度变化呈明显负相关性,而与日照时数和年降水量呈明显的正相关,说明较高的年降水量、较长的日照时数和较低的年均温度条件有利用人参皂苷的合成与积累。(6)采用多元逐步回归分析土壤因子与人参总皂苷和8种单体皂苷的偏相关系数和通径分析决策系数研究结果表明,人参皂苷含量与土壤pH呈显著正相关,说明土壤酸化显著抑制人参皂苷合成;与土壤K、Ca、Mg元素含量呈一定的正相关,并且土壤中较高的Cu、Mn、Zn元素含量对人参单体皂苷合成有一定的促进作用,而Na元素含量的增加不利于人参皂苷合成。但是,土壤因子对人参皂苷含量的影响远不如气候因子明显。土壤生态因子比较复杂,需要通过控制性试验开发更加深入的研究。(7)FPS、DS、β-AS和CYP716A47基因表达研究结果表明,4种基因在人参展叶期、绿果期、红果期和果后根生长期及根、茎、叶和果中均有表达,β-AS在绿果期表达量明显增强,并且一直处于高位,果后根生长期达到相对最高值,其关键表达部位是根,且极显著高于其它部位;DS的表达峰值出现在果后根生长期,且显著高于其它时期,其关键表达部位是叶,且极显著高于其它部位;FPS的表达峰值出现在红果期,且显著高于其它时期,其关键表达部位是根和叶,以根为相对优势;CYP716A47的表达峰值亦出现在红果期,且极显著高于其它时期,其关键表达部位是叶和果,以叶为相对优势。DS的表达极显著增加Rb2、Rb3、Rc、Rd含量,而CYP716A47的表达极显著增加Re含量,二者的表达均显著增加总皂苷含量。(8)生态因子与FPS、DS、β-AS和CYP716A47基因表达量相关性研究结果表明,相对湿度和土壤含水量明显增强FPS、DS、β-AS和CYP716A47的表达,并且人参皂苷合成途径下游的DS、β-AS和CYP716A47的表达显著增加总皂苷的合成与积累,而处于中游的FPS的表达对总皂苷含量没有显著影响,说明水分因子调控人参皂苷合成关键部位可能是下游基因。DS的表达与海拔高度呈显著正相关,最适范围在700m~900m之间。在4个供试基因中,DS对生态因子变化的反映最敏感,特别是与年均温度呈显著负相关,这与宏观尺度气候因子分析结果一致,说明DS很可能是人参皂苷合成的重要生态调控基因。