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中国草地有毒棘豆的危害、防控及开发利用



全 文 :*通讯作者,E-mail:weiyahui@nwu.edu.cn
收稿日期:2012-04-18;修回日期:2012-05-29
基金项目:公益性行业(农业)科研专项“草原主要毒草发生规律
与防控技术研究”(201203062)
作者简介:樊鹏辉(1987- ),男,陕西省蓝田县人,在读硕士研究
生,从事生态毒理学研究,E-mail:puckyfan@126.com.
文章编号:1673-5021(2012)06-0101-06
中国草地有毒棘豆的危害、防控及开发利用
樊鹏辉,郭 斌,吴道长,车德路,尉亚辉*
(西部资源与现代生物技术省部共建教育部重点实验室/陕西省生物技术重点实验室/
西北大学生命科学学院,陕西 西安 710069)
  摘要:有毒棘豆是我国危害严重的毒草之一,在许多地区已经形成优势群落,其不仅加速了草地退化进程,而且
致使大量放牧家畜中毒死亡,对畜牧业造成了巨大的经济损失,有毒棘豆的蔓延已经形成了典型的“生态经济病”。
综合近年在有毒棘豆方面的研究成果,重点论述了有毒棘豆的危害及其机理、防控措施及开发利用方面的研究进展。
关键词:有毒棘豆;危害;防控;开发利用
中图分类号:S452   文献标识码:A
  棘豆属(Oxytropis DC.)植物为豆科蝶形花亚
科多年生草本、半灌木或矮灌木,全世界约300
种,我国约150种。其主要分布于较寒冷的北温
带和北寒带,如欧洲部分地区、亚洲北部地区、北
美洲等;我国主要分布于甘肃、青海、内蒙古、西
藏、新疆、宁夏、四川、陕西、黑龙江等省区。该属
植物生境较广,高山草甸、河滩砾地、荒漠草原都
为其主要生长地,多呈片状集中分布[1]。有毒棘
豆具有很强的抗寒、抗旱、抗病害能力,在荒漠草
原中生长旺盛,并能强烈抑制其他植物的生长,容
易形成优势群落。虽然其根系发达,有防风固沙、
水土保持的作用,少数种甚至还具有药用、饲料甚
至花卉的价值,但就目前的现状来看,这类植物的
危害远远大于它的利用价值。研究资料显示,我
国天然草地面积约4.17亿hm2,但90%的天然草
地在退化,30%严重退化,导致牧草产量、品质下
降,载畜能力越来越差。在造成草地退化的因素
中,毒草化是继荒漠化后第二大严重危害草原的
因素[1~2],有毒植物已成为当前天然草地畜牧业发
展的严重制约因素,棘豆是其中危害比较大的种
类之一。有毒棘豆主要有小花棘豆[Oxytropis
glabra (Lam.)DC.]、黄花棘豆(O.ochrocephala
Bunge)、甘肃棘豆(O.kansuensis Bunge)、冰川棘豆
(O.glacialis Benth.ex Bunge)、毛瓣棘豆(O.seri-
copetala Praim ex C.E.C.Fisch.)、急弯棘豆[O.
deflexa(Pal)DC.]、硬毛棘豆(O.hirta Bunge)、
镰形棘豆(O.falcata Bunge)等[3]。本文综述了有
毒棘豆造成的生态社会危害以及综合防控、开发
利用的思路,以期为草地毒草的科学防控利用提
供参考。
1 有毒棘豆的危害
棘豆毒性大,分布广。近年来,我国草地毒草灾
害越发严重,据不完全统计,我国西部地区共有草地
面积约3.06亿hm2,可利用面积约2.28亿hm2。
毒草危害草地占可利用面积9%以上,这其中棘豆
的危害面积占很大比例[2]。有毒棘豆的主要危害表
现在以下几个方面:
1.1 对畜牧业的危害
牲畜一旦误食有毒棘豆,轻则影响生长、繁殖,
重则引起死亡。本地牲畜对棘豆尚有一定的识别能
力,除非干旱少草等特殊原因,一般不会采食,而引
进的优良种畜则不能很好的辨别棘豆,容易造成误
食,一旦采食容易成瘾,并且大部分品种对棘豆中毒
较为敏感,从而对优良种畜的生长繁殖造成很大危
害,给畜种改良工作造成极大困难。另外,由于棘豆
对家畜的毒害作用,使得牧民不敢在棘豆密集的草
地上放牧,而棘豆生长的草地又不能迅速地恢复利
用,从而降低了草地的生产利用率。由此不但损失
了大量投资,还增加了成本投入,致使许多牧场入不
敷出,处于亏损或濒临停办的状态,给畜牧业造成了
巨大的经济损失。以冰川棘豆为例,据赵宝玉等[4]
调查,冰川棘豆在西藏阿里地区7个县均有不同程
—101—
第34卷 第6期
Vol.34 No.6
         
中 国 草 地 学 报
Chinese Journal of Grassland
         
2012年11月
Nov.2012
度分布,分布面积达209.25万hm2,占可利用草场
面积的11.25%。截至2005年,仅在东部3个牧业
县因冰川棘豆中毒死亡的牲畜总数接近100万头,
经济损失上亿元。
1.2 对草地生态的危害
棘豆根系发达,繁殖能力强,具有很强的抗寒、
抗旱、抗病害能力,在荒漠草原中生长旺盛,并能强
烈抑制其他植物的生长,容易形成优势群落。尤其
是在棘豆发生严重地区,棘豆常呈片状集中分布,使
草地植物成分简化,草地生物多样性减少,造成植物
群落抗逆性下降,抵御外界骤变能力变差。同时,由
于棘豆重灾区无法放牧,这又加重了其他优质草场
的放牧负担,从而形成了恶性循环,使草场严重退
化,并逐渐荒漠化,严重破坏了草地生态环境,促进
了水土流失和虫鼠灾害的发生。另外,对气候的极
端化也有一定影响。
2 有毒棘豆的危害机理
2.1 成分及毒理
棘豆主要成分为糖类、蛋白质类、生物碱类、黄
酮类、三萜皂甙类,还有少量的木脂素、有机脂肪酸、
醇、醛、烷、酚、金属类化合物等[5],但有毒棘豆的毒
性成分一直都是研究和争论的焦点。研究表明,有
毒成分大部分为生物碱,有的植物中还有血溶性毒
蛋白[6]。近年在棘豆中发现的有毒生物碱种类有所
不同,主要有喹诺里西啶类生物碱(Quinolizidine
alkaloids),如野决明碱(Themropsine)、鹰爪豆碱
(Sparteme)、臭豆碱(Anagyrine)等,吲哚里西啶类
生物碱(Indolizidinealkaloids),如苦马豆素(Swain-
donine)。这其中以棘豆及其几种内生真菌组成的
共生体所产生的苦马豆素为主要有毒成分[7~8],它
通过抑制多种甘露糖苷酶的活性引起细胞功能紊
乱,特别是神经细胞功能紊乱,使家畜表现出一系列
神经症状,其中以对溶酶体α-甘露糖苷酶和高尔
基体甘露糖苷酶Ⅱ活性的抑制对家畜所造成的伤害
最大。Dorling等[9]发现,苦马豆素对溶酶体中α-
甘露糖苷酶产生极大抑制,造成甘露糖积累,使糖蛋
白合成受阻,溶酶体内聚集大量不能代谢的低聚糖,
最终导致溶酶体贮积病———甘露糖过多症。牲畜中
毒症状呈渐进的慢性过程,肝、肾、心脏、神经系统受
损,引起广泛的空泡变性。空泡变性是棘豆中毒最
典型的病变,经电镜观察,空泡变性是由于线粒体、
溶酶体等亚细胞单位膜受损,从而使其吸水肿胀形
成空泡。但是苦马豆素是水溶性的,容易被动物肠
道吸收也容易通过尿液、粪、奶排出。因此,中毒动
物停止摄食后,一般受损细胞可自我修复,但细胞功
能紊乱可能延长数天或数周,有些残留的损伤,如神
经损伤可能导致永久性神经功能紊乱[10]。一旦牲
畜中毒,目前还没有有效的治疗手段,所以关键在于
预防。
2.2 化感作用
棘豆在很多荒漠草原已经形成优势群落,并引
起了草原退化。除去管理不善、过度放牧等人为因
素,单就棘豆本身来说,除了其本身生长竞争能力强
外,还有一个重要原因就是化感作用。化感作用是
通过植物向周围环境中释放或分泌化感物质从而直
接或间接地抑制其他植物对养分的吸收来实现的。
化感物质主要为植物次生代谢产物,还有一部分是
微生物进一步分解的产物[11]。张宝琛[12]通过多年
对草场毒草危害的研究指出:草原的有毒植物具有
化感作用,这些毒草的不断蔓延是天然草原和人工
草场不断退化的重要原因。邓建梅等[13]对黄花棘
豆化感作用的研究表明:其化感物质主要为长链脂
肪酸类化合物、类萜和甾类化合物。并且无论处于
离体还是活体状态均对受体植物种子萌发以及幼苗
生长表现出较强的化感抑制作用,而且根部化感物
质作用强于茎、叶。罗扬等[14]证实了小花棘豆水浸
液对紫花苜蓿等几种牧草种子萌发和生长均有不同
程度的抑制作用,而对黄瓜、小麦和高粱种子影响不
明显甚至低浓度有促进作用。另外,如果能充分利
用棘豆的化感作用来防控田间杂草以及病虫害,对
缓解大量使用化学农药对环境造成的危害也有着重
要的意义。目前,国内关于棘豆的化感作用对牧草
的抑制机理、具体的化感物质及其应用报道还很少,
有待进一步研究。
3 有毒棘豆危害的防控
3.1 传统方法防控
传统方法主要有(1)人工防除:简单易行,但受
限于毒害面积、防除时节,并且破坏环境;(2)化学防
除:见效快,但成本高,易反复,而且污染环境;(3)去
毒利用法:营养价值高,但费时费力,只适合于棘豆
生长密度大、人力资源丰富的地区;(4)间歇饲喂法:
营养安全,缓解冬春季饲草不足,但没有长期圈养饲
喂的条件。
3.2 生物防控
—201—
中国草地学报 2012年 第34卷 第6期
生物防控利用的是生物间互相制约关系,即以
畜治草,以草治草,以菌治草。郭映义等[15]利用非
易感性家畜牦牛在棘豆含毒量低的生长阶段适时适
度放牧和践踏,防止棘豆的再生,从而充分利用草
场。李学森等[16]通过改变土壤氮、磷水平及引进竞
争草种红豆草,使棘豆的生长力和存活率均显著降
低。阿翰林[17]在对青海海北州天然草地棘豆天敌
病害的初步调查发现,青海海北州草地分布的八种
棘豆中有四种发生了黄锈斑病害,其中急弯棘豆、甘
肃棘豆、黄花棘豆及黑萼棘豆的发病率分别为
74%、33%、28%、11%。一旦侵染,全株丛发病,整
株丛极易枯萎死亡,根部也随之腐烂。不过其危害
性不明,需慎重研究该病菌对其他牧草或作物有无
传播性及危害。
3.3 药物防控
在针对棘豆采取措施的同时,对牲畜中毒的药
物防控也取得了一定进展。目前,国内研究和利用
疯草毒素疫苗、“腐敏散”、“棘防 A 号”、“棘防 C
号”、“棘防E号”、“康以定”、“疯草灵”解毒缓释丸
等来预防和治疗牲畜的棘豆中毒,这其中以“疯草
灵”解毒缓释丸和疯草毒素疫苗使用最为方便,效果
也最为显著。常建军等[18]试验表明,投服3丸“疯
草灵”解毒缓释丸对绵羊黄花棘豆中毒具有预防作
用,但还不能完全防止黄花棘豆对绵羊肝脏和肾脏
等组织器官的损害。童德文等[19~20]研制出的疯草
毒素疫苗给牲畜注射后,可使牲畜获得免疫力,安全
食用棘豆,充分利用棘豆资源。赵宝玉[21]通过比较
试验指出:疯草灵解毒缓释丸和疯草毒素疫苗都对
牲畜棘豆中毒有明显的预防效果。不过,虽然疯草
毒素疫苗更能有效保护山羊肝、心和肾等组织器官,
但是现阶段由于缓释丸预防简便实用,成本低廉,所
以更易于推广。但是,值得注意的是,从长远角度来
看,成熟的疫苗免疫技术应该是最为理想的预防措
施。
3.4 生态系统控制工程防控
生态系统控制工程防控是依据生态毒理学原理
调整植物毒素在生态系统中平衡关系所采用的一种
方法[1]。它是以毒草的生态位为核心,研究减轻或
消除毒草有毒成分对动物产生不良影响的措施,同
时又能充分利用毒草丰富的营养成分,发展草原畜
牧业[22]。生态系统控制工程防控关键在于调整草
群结构和畜群结构,其特点是:①不是采用化学的或
机械的方法消除毒草,而是以生态学的方法调整草
群结构,控制毒草生长,逐步提高资源再生系数,降
低毒草中毒危险性;②依据该毒草对不同动物的易
感性差异或改良畜种的特异性,调整牧场畜群结构,
以发挥物尽其用、降低毒草危害的功效[23]。通过大
力发展生态畜牧业,加强草原管理,杜绝过牧,引进
优势牲畜[24],同时推行草库伦法、植被良性演替法、
围栏轮牧法等,最终找出维持放牧草场生态系统平
衡的最佳模式。马寿军等[22]1996~1998年在青海
英德尔种羊场实施“围栏轮牧”预防棘豆中毒,效果
良好。生态系统控制工程防控避免了人工挖除和化
学灭除所造成的沙化、退化、水土流失及环境污染,
对减缓草场的破坏与退化,维护草地生态平衡具有
巨大的社会、经济、生态等多种效益。
值得注意的是,通过一系列方法改变棘豆内生
真菌的生长代谢,降低或消除苦马豆素的产生,从而
使牲畜安全采食棘豆,也是一种很有前景的防控方
法[25~26]。同时,应因地制宜灵活运用各种方法单独
或结合防控,只有这样才能最大限度降低棘豆的危害。
4 有毒棘豆的开发和利用
4.1 医药的开发利用
棘豆在藏药和蒙药中被广泛使用,主要作用是
止血消炎、消肿止痛、抑菌抗病毒,对治疗炭疽病、麻
风病、流感、神经衰弱、扁桃体炎等很有疗效。现代
研究也证实这些药用植物含有多种化学成分,具有
多方面的药理活性。棘豆的主要有毒成分苦马豆素
就被证实具有高效的抗肿瘤和免疫增强活性。Hi-
no等[27]报道苦马豆素能抑制人类肿瘤的生长,其抗
癌作用在于苦马豆素对肿瘤细胞的直接杀伤和提高
机体免疫功能的双重作用。张守信、吴达[28~29]的研
究也证明:苦马豆素对小鼠移植性肿瘤S180、H22
有明显抑制作用,若和干扰素同时使用,抑制效果更
好。此外,还发现黄花棘豆的醇浸液也有抑制肿瘤
的作用。正是由于苦马豆素这些药用价值,目前,国
内外许多研究者正在将其作为一种抗癌药物进行研
究,并且取得了很大的进展,已经进入了Ⅲ期临床试
验阶段。
4.2 内生真菌的开发利用
在长期的进化过程中,棘豆及其内生真菌已经
形成了互惠共生的关系。现已确定,苦马豆素与棘
豆的内生真菌相关。随着苦马豆素作为抗癌药物的
研发不断取得进展,其需求日益增长。但是植物提
取及化学合成均有很大局限性,而通过内生真菌的
—301—
樊鹏辉 郭 斌 吴道长 车德路 尉亚辉   中国草地有毒棘豆的危害、防控及开发利用
分离发酵来生产苦马豆素具有成本低、周期短、可控
性强、易于工业化生产等特点,具有很大的发展前
景。2003年,Braun等[30]从美国疯草[密柔毛黄芪
(Astragalus mollissimus)、兰伯氏棘豆(O.lam-
bertii)、绢毛棘豆(O.sericea)]中分离到可以产生
苦马豆素的埃里格孢属(Embellisia sp)内生真菌,
并证明疯草中苦马豆素的含量和内生真菌感染程度
呈正相关。国内一些研究人员也成功的从几种棘豆
中分离出可产苦马豆素的棘豆埃里格孢菌(Embel-
lisia oxytropis)和镰孢菌属(Fusariumsp)内生真
菌,并从发酵培养液中测得了苦马豆素[31~34]。但目
前尚无利用棘豆内生真菌大规模生产苦马豆素的报
道。这说明对产苦马豆素优势菌种的分离筛选及工
业化生产条件的摸索还存在很大问题,有待进一步
研究。
4.3 动物饲料的开发利用
棘豆虽然有毒,但它营养价值高且非常适应高
寒、干旱等环境,是一种宝贵的生物资源。据分析测
定,青干棘豆草营养价值普遍高于同地产可食青干
野山草和青干燕麦草,更高于当地牧民储备饲喂家
畜的小麦秸,与优质苜蓿青干草营养价值相近,这为
把棘豆开发为家畜饲料提供了重要依据[23]。棘豆
在我国分布十分广泛,生物产量大。如果能充分利
用合理轮收法、间歇饲喂法、脱毒利用法、免疫法等,
把棘豆作为一种优质的饲料日常饲用或是在营养价
值高的时节集中收割、脱毒后存放,作为冬春季的蛋
白补饲或抗灾备用牧草,其社会、经济效益都将十分
巨大。同时,大量研究证明未感染内生真菌的棘豆
植株体内不产生有毒生物碱,因此可以通过去除内
生真菌来提高棘豆作为动物饲料的利用率[35]。另
外,Romero等[36]的研究表明棘豆的内生真菌只存
在于种子的种皮中,并利用已去种皮的种子培育了
无菌无毒苗,这为把棘豆作为动物饲料提供了另外
一条途径。
4.4 生态环境保护的开发利用
棘豆分布广、籽实多、耐干旱、耐贫瘠、繁殖力
强,并且绝大多数根系非常发达,适合荒漠化草原、
沙漠地区生长,可用于防风固沙。在许多地区,正是
由于棘豆的大面积生长,才使得草原不至于进一步
荒漠化。所以从生态学角度讲,决不能为了畜牧业
的发展而一味的对棘豆进行灭除。那么,如果能解
除棘豆的化感作用对其他植物的抑制或者改变内生
真菌的生长代谢特性,甚至基因水平上进行改良,培
育出无毒品种,则不但有利于畜牧业的发展,对于恢
复草原生物多样性,保护生态环境也有积极的作用。
5 展望
农业部畜牧兽医司和全国畜牧兽医总站于
1992年将中国重要有毒植物的调查研究列入“八
五”重点科学研究计划,并组织出版了《中国草地重
要有毒植物》专著。2004年开始建立草原鼠虫病害
监测预警系统(毒草灾害部分)“草原毒草基础知识
数据库”。2012年3月又在西北大学启动了公益性
行业(农业)科研专项“草原主要毒草发生规律与防
控技术研究”。虽然从目前的现状来看,有毒棘豆给
我国的畜牧业、生态环境造成了巨大的损失,但同时
它也显现出在饲料、医药、环境保护等方面的巨大价
值。通过广大科研工作者的共同努力,有毒棘豆一
定能化毒为利,变废为宝。
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The Hazards,Prevention and Exploitation of Poisonous
Oxytropisin Grassland of China
FAN Peng-hui,GUO Bin,WU Dao-chang,CHE De-lu,WEI Ya-hui
(Key Laboratory of Resource Biology and Biotechnology in Western China,Ministry of Education,
Shaanxi Provincial Key Laboratory of Biotechnology,College of Life Science,Northwest
University,Xi’an710069,China)
Abstract:Poisonous Oxytropis is one of the serious toxic weeds in China.It has became a dominant
community in many areas,which not only speed up the process of the grassland degradation,but also leads
to a large number of grazing livestock poisoning deaths,and caused huge economic losses for animal hus-
bandry.The spread of poisonous Oxytropis has formed a typicalecological-economic disease.Based on
the recent researches on toxic Oxytropis,the present review focused on the research progress of hazards
and its mechanism,prevention and control strategy as wel as exploitation.
Key words:Poisonous Oxytropis;Hazards;Prevention and control;Exploitation
—601—
中国草地学报 2012年 第34卷 第6期