全 文 ：#研究论文#
国产姜黄属药用植物叶表皮显微图像模式识别
肖小河t o夏文娟u o秦松云u o李江陵v o方清茂v o舒光明v o苏中武w
kt q中国人民解放军第 vsu医院 药学部 o北京 tsssv| ~
u q重庆市中药研究院 o重庆 wsssyx ~
v q四川省中药研究所 o四川 成都 ytsswt ~
w q第二军医大学 药学院 o上海 usswvv l
≈摘要  目的 }为国产姜黄属药用植物的分类与鉴定提供新的依据 ∀方法 }应用体视学方法和计算机图像定
量分析系统 o对国产姜黄属药用植物叶表皮显微特征进行了立体定量分析 ∀结果 }姜黄属植物不同种类不同产地
的叶表皮的细胞密度 !大小和形状存在不同程度的差异 ∀上表皮细胞平均周长 !下表皮细胞平均截面积和平均圆
形度 !上表皮气孔面数密度和平均最大直径 !下表皮气孔面数密度和平均最大直径 !上表皮副卫细胞平均最大直
径 !下表皮副卫细胞平均周长和平均最大直径 !上表皮被毛情况 !下表皮被毛情况等可作为鉴别的主要体视形态学
特征参数 ∀结论 }国产姜黄属 tt种共 ut份材料系统整理为 y种 !t种复合体和 u栽培变种 ~体视学与图像分析技
术用于显微鉴定 o科学可行 o尤适于近缘品种和易混淆品种的分类与鉴定 ∀
≈关键词  姜黄属 ~体视学 ~图像分析 ~显微鉴定
≈中图分类号  • u{u qx ≈文献标识码  … ≈文章编号  tsst2xvsukusstls{2sxuv2sy
姜科植物姜黄属 Χυρχυ µ α q植物全世界约有
ys种 o我国 ts余种 o常用中药郁金 !莪术和姜黄等
都来源于该属 ∀姜黄属分布广 o生态和栽培变异大 o
并且不少种类不易采到具花标本 o因而该属植物的
亲缘关系 !系统分类和中药鉴定一直存在很大的争
议≈t  ∀近年来我们与重庆大学合作 o研制开发了基
于计算机图形学和体视学及数值分类学的图像定量
分析系统 o该系统为近缘种 !易混淆中药和道地药材
的鉴定提供了三维定量 !客观可重现的技术和资
料≈u  ∀本文报道了中药组织图像定量分析系统在
国产姜黄属植物叶表皮显微鉴定上的应用 ∀
1 材料与方法
1 q1 实验材料
姜黄属药用植物 ut个叶片材料均取自重庆市
中药研究院k原四川省中药研究所l标本园k所有材
料均系肖小河博士从产地引种栽培后取得 o部分标
本承中科院华南植物所刘念研究员和吴德邻研究
≈收稿日期  usss2tu2us
员 !广西药用植物园吴忠发高级工程师等鉴定l ∀见
表 t ∀
1 q2 实验方法
供试材料处理 }根据常规方法将上述各材料撕
取表皮制片 ∀其中每份材料选取 v ∗ x片叶子 o每片
叶子撕取上下表皮各 x ∗ ts个视野 ∀一般在叶片中
部中脉附近撕取表皮组织 ∀气孔 !保卫细胞及周边
的表皮细胞分别做观测 ∀
图像分析操作 }≠ 图像采集 o将制片置于配有
≤≤⁄摄像机的显微镜下观察采样 ~ 图像预处理 o
包括编辑 !轮廓修饰 !灰度变换 !逻辑运算和二值化
操作等 o以便获得清晰完整的目标灰度图像 ~≈参数
测定 o包括面数密度k个r°°ul !截面积kΛ°ul !周长
kΛ°l !最大直径kΛ°l !直径kΛ°l !长宽比 !圆形度 !
圆球度等参数 ∀各参数的定义的算法详见文献≈v  ~
…数据倍数转换 o求出目标实际大小值和密度值 ~ 
采用系统聚类分析和主成分分析进行模式识别处
理 ∀
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表 t 用于图像定量分析的姜黄属植物
材料号 种号 植 物 名 称 产 地 来 源
t t 姜黄 Χ. λονγα q 重庆长期自留自种k中药研究所l
u 姜黄 Χ. λονγα q 广西药用植物园引种
v 姜黄 Χ. λονγα q 四川双流引种 o道地产区
w 姜黄 Χ. λονγα q 四川米易引种 o原系野生
x u 川郁金 Χ. σιχηυανενσισ ÷ q÷ q≤«¨ ± 四川双流引种 o道地产区
y v 川郁金 Χ. χηυανψυϕιν ≤ qŽq‹¶¬¨« ·¨‹ q«¤±ª 四川双流引种 o道地产区
z w 温郁金 Χ. ωενψυϕιν ≠ q‹ q≤«¨ ± ·¨≤ q¬±ª 浙江瑞安引种 o道地产区
{ 温郁金 Χ. ωενψυϕιν ≠ q‹ q≤«¨ ± ·¨≤ q¬±ª 华南植物园引种 o原引自浙江
| 温郁金 Χ. ωενψυϕιν ≠ q‹ q≤«¨ ± ·¨≤ q¬±ª 华南植物园引种 o广东本地种
ts x 郁金 Χ. αροµ ατιχα ≥¤¯¬¶¥q 广西药用植物园引种
tt 郁金 Χ. αροµ ατιχα ≥¤¯¬¶¥q 华南植物园引种
tu y 蓬莪术 Χ. πηαεοχαυλισ ∂ ¤¯ ·¨ 重庆长期自留自种k中药研究所l
tv 蓬莪术 Χ. πηαεοχαυλισ ∂ ¤¯ ·¨ 四川双流引种 o道地产区
tw 蓬莪术 Χ. πηαεοχαυλισ ∂ ¤¯ ·¨ 南川药物种植所引种
tx 蓬莪术 Χ. πηαεοχαυλισ ∂ ¤¯ ·¨ 华南植物园引种
ty z 顶花莪术 Χ. ψυννανενσισ ‘q¬∏ ·¨≥ ±¨­¨ ± ≤«¨ ± 华南植物园引种 o原产云南
tz { 黄莪术 Χ. ζεδοαρια k≤«µ¬¶·°l • ²¶¦²q 华南植物园引种 o原产美国
t{ | 广西莪术 Χ. κωανγσιενσισ ≥ qŠ q¨¨ i ≤ qƒ q¬¤±ª 广西横县引种 o道地产区k叶脉有紫晕l
t| 广西莪术 Χ. κωανγσιενσισ ≥ qŠ q¨¨ i ≤ qƒ q¬¤±ª 广西横县引种 o道地产区k叶脉无紫晕l
us ts 印尼莪术 Χ. ξαντηορρηιζα • ²¬¥q 华南植物园引种 o原产印尼
ut tt 细莪术 Χ. εξιγυα ‘q¬∏ 华南植物园引种 o原产四川米易
2 结果与讨论
测试结果见表 u和图 t ∀表 u中各参数值均为
所观测制片及其视野的平均值结果 ∀图 t 为全部
ut个供试材料的叶表皮体视图像分析聚类谱系图 ∀
当分类阈值取 Κ€ y qux 时 o可将国产姜黄属原 tt种
ut份材料划为 |个类群 o结果与基于经典形态的数
值分类和基于基因组 • „°⁄多态性的分子标识鉴
定结果亦具有很大的吻合度≈y  ∀分述如下 }
2 q1 姜黄 Χ. λονγα}t ∗ w号材料 ∀不同产地姜黄
Χ. λονγα居群的体视形态学参数值存在差异 o如四
川米易野生的姜黄 Χ. λονγα和重庆长期栽培姜黄
Χ. λονγα差异较大 ∀
2 q2 川郁金 Χ. σιχηυανενσισ}x号材料 ∀
2 q3 川郁金 Χ. χηυανψυϕιν }y号材料 ∀
川郁金 Χ. σιχηυανενσισ和川郁金 Χ. χηυανψυ2
ϕιν在产地已十分罕见 o二者地下部分的形状 !大小
和颜色几乎一致 o但地上部分有些不同≈w ox  ∀前者
叶片黄绿色 o两面无毛 ~后者叶片翠绿色 o宽大 o叶柄
粗壮 o叶背面粗糙有毛感 ∀我们在产地调查与种源
栽培学比较观察中发现 o它们很可能均是姜黄 Χ.
λονγα的栽培品种 o在产地四川双流和犍为均为中
药黄白丝郁金的植物来源 o与 Χ. λονγα混生或逸为
野生 ∀植株较高大 o膨大的块根k郁金l植土深 !数
图 t 国产姜黄属药用植物叶表皮细胞的体视图像聚类图
量较少 o是当地药农栽培黄丝郁金和姜黄药材的淘
汰品种 ∀二者均根茎发达 o比 Χ. λονγα根茎粗大 o
但色泽比 Χ. λονγα浅淡 ,为淡黄色至黄色 ,姜黄素
和挥发油含量低 ∀在体视形态聚类谱系图上 ,川郁
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金 Χ. σιχηυανενσισ和川郁金 Χ. χηυανψυϕιν十分
接近 ∀当取分类阈值 Κ€ y qwx时 o可将二者并为
一个种 ∀鉴于二者的相似性及与姜黄的关系 o本
文拟将二者分别订为姜黄 Χ. λονγα的栽培变种 :
川姜黄 Χ. λονγα ¦√ q σιχηυανενσισ和川郁金 Χ.
λονγα¦√ q χηυανψυϕιν ∀该结果亦得到形态数值
分类 ! • „°⁄ 多态性和化学成分分析的支
持≈y oz otw  ∀
2 q4 温郁金 Χ. ωενψυϕιν : z ∗ |号材料 ∀不同
产地温郁金 Χ. ωενψυϕιν 居群的体视形态学参
数值亦存有一定的差异 ∀
最近陈毓亨先生等根据 • „°⁄分析结果 o认
为温郁金 Χ. ωενψυϕιν和川郁金 Χ. σιχηυανενσισ
关系密切 ,并建议将二者合并为温郁金 Χ.
ωενψυϕιν ≈tu  ∀本文的图像定量分析结果亦表明
二者有较密切的关系 ∀但陈先生的 • „°⁄研究
品种较少 o与 Χ. σιχηυανενσισ亦关系甚密的姜黄
Χ. λονγα未纳入考察 ∀二者的合并与否有待商
榷 ∀
在我们多年的产地调查和实际观测中发现 o
川郁金 Χ. σιχηυανενσισ与姜黄 Χ. λονγα不仅地
理分布和产区重叠 ,而且植物形态 !药材形状和化
学成分均十分相似 ,并均较易与温郁金 Χ.
ωενψυϕιν 区别 ∀温郁金 Χ. ωενψυϕιν 叶片宽椭
圆形 ,主根茎粗壮 ,侧根茎分枝少 ,根茎端面灰黄
色至灰白色 ,总姜黄素含量低(约 s .sw%) ;而川
郁金 Χ. σιχηυανενσισ与姜黄 Χ. λονγα均叶片椭
圆形或长椭圆形 ,主根茎较细 ,侧根茎分枝多 ,川
郁金 Χ. σιχηυανενσισ根茎端面淡黄至黄色 ,总姜
黄素含量较高(s .v%) ,姜黄 Χ. λονγα根茎端面
黄色至橙红色 ,总姜黄素含量最高(约 v%) ∀较
少混淆 ,二者不仅地理分布和产地不同 ,植物形
态 !药材形状 和化学成分均有明显不同 ∀
2 q5 郁金 Χ. αροµ ατιχα : ts ,tt号材料 ∀可见
温郁金 Χ. ωενψυϕιν 与毛郁金 Χ. αροµ ατιχα差
异较大 ,主要表现在被毛特征方面 ∀后者叶背有
毛 ,前者叶背未见柔毛 ,但手触多少有毛感 ,在显
微镜下观察亦偶见毛茸 ∀
有文献报道过去有将川郁金 Χ. χηυανψυϕιν
列为郁金 Χ. αροµ ατιχα项下 o二者植株高度 !叶
片大小 !形状和色泽十分相似 o然前者叶背面粗糙
有毛感 o主根茎较细 o侧根茎分枝多 o根茎端面淡
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黄至黄色 o总姜黄素含量较高k约 s qv h l ~后者叶背
面密被柔毛 o主根茎粗壮 o侧根茎分枝少 o根茎端面
灰黄色至灰白色 o总姜黄素含量低k约 s qsv h l ∀本
文图像分析结果支持陈毓亨先生将二者分别订为独
立的种≈{  ~并与陈先生的 • „°⁄ 分析结果相吻
合≈tu  ∀
2 q6 蓬莪术 Χ. πηαεοχαυλισ!黄莪术 Χ. ζεδοαρια
和顶花莪术 Χ. ψυννανενσισ∀三者在聚类分析谱系
中十分接近 ,他们之间的分类学地位和关系有待进
一步研究 ∀标本查核和引种观察 ,三者在形态和习
性方面差异亦甚小 ,过去文献记载 Χ. ζεδοαρια根
茎断面淡黄色或类白色 ,而 Χ. πηαεοχαυλισ根茎断
面淡蓝色或黄绿色至墨绿色或深褐色≈{ ∗ ts  ∀但据
我们多年观察 o二者根茎断面在不同发育时期 !不同
干燥过程中甚至同一主根茎纵剖面的上下方颜色是
不尽一致的 ∀一般来说 o老根茎断面为淡黄色至黄
绿色 o幼嫩根茎断面为灰蓝色或黄绿色至墨绿色 ~干
燥后常为墨绿色至黑褐色或铅灰色或深褐色 ~同一
剖面上方一般为淡黄色 !淡蓝色或类白色 o下方多为
深蓝色或黄绿色至墨绿 ∀结合形态数值分类 !
• „°⁄多态性和化学成分分析 o似可将上述三者作
合并处理≈y oz otw  ∀考虑到国内外中药蓬莪术原植物
学名沿用历史和习惯 o建议采用其原学名 Χ. ζε2
δοαρια∀
2 .7 广西莪术 Χ. κωανγσιενσισ(含二变种) ∀从聚
类图可见 Χ. κωανγσιενσισ是一个很独立的种 ∀广
西莪术 Χ. κωανγσιενσισ的叶片中脉有的有紫色晕 ,
有的则无 ;花序既有从根茎单独抽出 ,亦有从叶鞘内
直接抽出 ∀有学者在种下设立若干变种[ {] ,但图像
定量分析似不予支持 ∀鉴于广西莪术种内性状的多
态性 ,建议将广西莪术作为种复合体或多型种处理 ,
即 :广西莪术 Χ. κωανγσιενσι󦲰³¯ ¬¨∀
2 q8 印尼莪术 Χ. ξαντηορρηιζα }us号材料 ∀本种
植株高大 o高达 u ° o叶脉两侧具有紫色带 o类似/莪
术类0 ~但叶脉本身及叶背叶脉处均着紫色斑 o主根
茎特别发达 o郁金少见 o根茎和块根断面均为黄红
色 o又近/姜黄类0 ~并且该种既含酚性姜黄素类成
分 o又含非酚性姜黄素类成分 ∀近年我国云南发现
有分布≈tt  ∀
2 q9 细莪术 Χ. εξιγυα}ut号材料 ∀本种系四川野
生 o植株矮小 o高 vs ∗ xs ¦° o叶脉两侧具有狭长紫
色带 o近 /莪术类0≈ts  ~但主根茎不发达 o侧根茎发
达 o其形态断面颜色和气味均类似/姜黄类0 ∀
3 小结
根据图像定量分析结果 o并结合经典形态分类 !
• „°⁄和化学分析结果 o可将国产姜黄属 tt个种初
步整理为 y种 !t种复合体和 u栽培变种 o即 }姜黄
Χ. λονγα , 川姜黄 Χ. λονγα¦√ q σιχηυανενσισ , 川
郁金 Χ. λονγα¦√ q χηυανψυϕιν ,郁金 Χ. αροµ ατιχα
, 温郁金 Χ. ωενψυϕιν ,广西莪术 Χ. κωανγσιενσισ
¦²°³¯ ¬¨ o莪术 Χ. ζεδοαρια ,印尼莪术 Χ. ξαντη2
ορρηιζα , 细莪术 Χ. εξιγυα ∀该分类方案尚待进
一步的完善 ∀
运用体视学原理和计算机图像测试技术 o从大
小 !密度和形状因子 v大类参数全方位多目标地综
合刻划组织细胞显微图像的形态特征 o在此基础上
结合数值分类方法 o从零散而浩繁的实测数据中归
纳出其形态学特征并建立客观可重复 !定性定量相
结合的分类鉴定谱系图 o技术先进可行 o尤其适合于
易混淆品种和近缘中药的真伪鉴别及其原植物分
类 o因而在中药鉴定学 !系统分类 !发育解剖 !生态解
剖等方面具有一定的应用价值≈tv  ∀
但是 o显微图像模式识别毕竟只是部分组织形
态特征的定性定量描述和判断 o并且图像定量分析
本身亦是一项十分复杂的工作 o其技术规范性如取
样代表性 !视角效应 !图像二值化的赋值等尚待进一
步完善 ∀因此 o图像定量分析可作为植物分类与中
药鉴定的一种有效的辅助手段 o但不能替代经典分
类和传统组织形态学 ∀
≈参考文献 
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药 ot||z ou{kul }ttw q
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≈{  陈毓亨 q我国姜黄属植物的初步研究 Œq植物鉴定 q药学学报 o
t|{t otykxsl }v{x q
≈|  吴德邻 o刘 念 q莪术学名考 q中科院华南植物所汇刊 q第 x
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集 qt|{z quy q
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tx q
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国中药杂志 ot||| ~uwkvl }tvt q
≈tv  肖小河 o贺承山 o夏文娟 o等 qut世纪我国生药学研究的机遇与
挑战 q中国药学杂志 ot||| ovwkzl }wv{ q
≈tw  肖小河 q国产姜黄属药用植物的分类学和生药学研究 q第二军
医大学学位博士论文 qt||{ qv{ q
Παττερν Ρεχογνιτιον οφ Στερεοσχοπιχ Φεατυρεσ οφ τηε Λεαϖεσ Επιδερµισ
οφ Μεδιχιναλ Χυρχυµα Πλαντσιν Χηινα βψΙµ αγε Αναλψσισ
÷Œ„’ ÷¬¤²2«¨ t o÷Œ„ • ±¨2­∏¤±u o±Œ‘≥²±ª2¼∏±v oŒ¬¤±ª2¯¬±ªv oƒ„‘Š ±¬±ª2°¤²v o
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§¨·«¤·¶·¨µ¨²¯²ª¼ o¤±§¬°¤ª¨ ¤±¤¯¼¶¬¶¤µ¨ ¤§√¤±¦¨§¤±§©¨ ¤¶¬¥¯¨¬± ³«¤µ°¤¦²ª±²¶¼ ¤±§·¤¬²±²°¼ ¶¨³¨ ¦¬¤¯ ¼¯ ¬±
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[ Κεψ ωορδσ] Χυρχυ µ α , ¶·¨µ¨²¯²ª¼ o¬°¤ª¨ ¤±¤¯¼¶¬¶o °¬¦µ²¶¦²³¬¦¤∏·«¨ ±·¬¦¤·¬²±
≈责任编辑 袁桂京 
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