生物技術在藥用植物中的應用及研究進展

摘要：參閱大量文獻資料對近年來生物技術在我國藥用植物研究中的應用進展進行了綜述。從組織培養技術在藥用植物中的應用、細胞培養的研究概況、基因工程和分子生物學在藥用植物中的應用等內容出發，指明了生物技術在我國藥用植物中的應用前景。

關鍵詞：中草藥；生物技術；組織培養；基因工程

中圖分類號：S567 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114(2010)04-0978-03

我國野生藥用植物種質資源非常豐富，已發現11 000多種藥用植物，種類和數量均居世界首位，為我國研制新的天然藥物奠定了良好的資源基礎。但傳統的中草藥獲取方法是以采集和消耗大量的野生植物資源為代價的，當采集和消耗量超過自然資源的再生能力時，必然會導致物種瀕危甚至滅絕。為了解決藥用植物的供需矛盾，人們多采用人工栽培的方法擴大藥源，但在人工栽培藥用植物時又面臨著花費時間長、繁殖系數小、耗種量大、種子帶病與農藥殘留等問題，嚴重影響了產量和品質。近年來，生物技術的興起，為我國藥用植物的研究和發展提供了良機和手段。

1 植物組織培養

1.1歷史與現狀

近40年來，植物組織培養已成為生物學科研究的重要技術手段，并在農業、林業、醫藥業等行業中被廣泛應用，產生了巨大的經濟效益和社會效益。而我國藥用植物組織培養的研究，可以追溯到20世紀60年代。1964年。中國科學院上海植物生理研究所羅士韋教授等首先報道了人參組織培養獲得成功的研究成果。到目前為止，已有100多種藥用植物通過離體培養獲得試管植株，其中大多數為珍貴的藥用植物。其中有的還利用試管繁殖技術用于生產栽培種植藥材，如苦丁茶、蘆薈、懷地黃、枸杞、金錢蓮等。寧夏農林科學院枸杞研究所利用試管繁殖與嫩枝扦插相結合的方法繁殖新品種寧杞1號和寧杞2號苗木100多萬株，加速了該品種的推廣。

1.2組織培養技術在藥用植物中的應用

1.2.1 藥用植物種苗的快速繁殖利用植物組織培養技術進行藥用植株無性繁殖來解決藥用植物天然資源不足這一棘手問題，具有成本低、效率高、生產周期短、無性遺傳特性一致的優點。特別是對某些種子繁殖慢、難繁殖的藥用植物。組織培養通過選擇材料的部位(如根、莖、葉的段、片、塊等)，運用培養基獲得芽體，最后培養成為植株。現在已經在藥用植物中廣泛應用，已在上百種藥用植物上成功完成組織培養。

1.2.2無性植株的再生無性植株的再生是對植物通過組織培養和遺傳工程進行品種改良的一個先決條件，也是實現獲得大量人工種苗的重要途徑，目前我國藥用植物用組織培養技術繁殖的無性系可概括為以下幾個方面：①帶節莖段扦插快繁，即由帶節莖段在無菌條件下扦插，可以進行快速無性繁殖，如黃芩、羅布麻等；②器官發生，細胞或愈傷組織培養通過不定芽形成植株，如枸杞、西洋參、毛地黃、丹參、黃連等已通過這種方式建立了無性繁殖系，得到了人工種苗；③類胚體途徑，細胞或愈傷組織通過胚狀體途徑，即經過球形胚期、心形胚期、魚雷胚期、子葉胚期經成熟胚發育成小植株。有些植物在成熟胚的類胚體上，還能繼續不斷地形成新的胚狀體，如西洋參、人參、甘草、三七、黃連等；④原球莖，細胞或組織培養經原球莖途徑分化形成植株。如鐵皮石斛、百合等。

1.2.3胚的離體培養獲得人工種苗

胚培養可以克服有性雜交中的胚乳敗育、早期胚敗育和珠心胚干擾等獲得雜種苗，此項技術已進入實用階段，西洋參、紅花、枳殼、長春花、銀杏等植物的胚培養已獲成功。張新寧等通過對寧夏枸杞四倍體與二倍體交雜種子中幼胚和胚乳的發育形成的研究中發現，利用雜交授粉后12 d的幼胚進行胚培養，是解決無子枸杞選育中雜交敗育問題的有效途徑。李志良對中國紅豆杉和短葉紅豆杉的離體胚培養特性進行了研究，發現在適宜的條件下兩種胚萌發率與成苗情況沒有明顯的差異，離體胚培養是實現大規模種植的一條快捷途徑。

1.2.4藥用植物的品種改良

生物技術能在細胞水平上進行誘導和篩選。增大了遺傳變異的資源；重組DNA技術和細胞雜交可增加、除去或修飾植物的某個基因，使有利基因按計劃理想地組合：用花藥培養或未授粉的子房培養，獲得單倍體或純合二倍體，極大地提高了選擇優良基因型的效益，并可加速獲得遺傳性狀穩定而一致的群體，通過原生質體誘導融合，還得到一些生物堿或次生代謝產物含量高的藥用植物，例如曼陀羅屬有一個種間細胞雜種，其生物堿含量可高于親本20％-25％。植物基因工程已成功地將外源基因導入植物體中，并獲得轉基因植物新品種。利用這一技術可將某些優良性狀基因導入本不具備這些性狀的植物體內，可達到改良植物品種的目的，如通過抗病、抗蟲等基因的導入，獲得抗病蟲植株；控制植物次生代謝產物合成酶的合成基因的導入，從而獲得有效成分含量高的植株等。

1.2.5 藥用植物離體種質保存

用生物技術進行藥用植物種質保存有兩種方法：一種是以抑制細胞生長來保存種質，另一種是超低溫的種質保存。用抑制細胞生長的方式來保存，其主要手段是控制培養物的培養基成分及培養溫度。在培養基中加入脫落酸等生長減速劑或提高細胞激動素、赤霉素的濃度，減緩培養物的生長速度，使繼代周期延長，繼代次數減少，以保存種質。降低培養溫度，使培養物的分化代謝活動減弱，加長繼代周期，也是種質保存的可行辦法。藥用植物種質的超低溫保存研究，在我國近10年才開始，目前已有鐵皮石斛、新疆紫草、浙貝母超低溫保存研究的報道。鐵皮石斛試管苗在4℃黑暗條件下可連續保存12個月，并能恢復正常生長。而李明軍等利用懷山藥的無菌苗進行離體誘導，形成微型塊莖，發現微型塊莖是懷山藥離體繁殖和種質保存的又一途徑，這將有助于種質資源的保存和交流。目前離體種質保存雖已進行了較長時間的研究，但因其本身的局限性和技術上的不成熟而在實際應用中受到了極大限制，而超低溫保存卻顯示了其廣闊前景。但長期使用凍存材料可使其再生能力衰退、組織培養后代遺傳穩定性等仍未解決的問題還有待于進一步研究。

2 藥用植物基因工程研究進展

目前植物轉基因的方法主要有農桿菌介導的基因轉移、種質系統的基因轉移和外源基因直接導人法等。國內學者主要采用農桿菌介導的基因轉移法。人工改造過的農桿菌Ti質粒或Ri質粒是一種很好的植物基因工程載體，同時Ti質粒或Ri質粒還可以配合使用。建立二元載體系統。有利于質粒在植物基因工程中的應用。張蔭麟等用發根農桿菌和根癌農桿菌感染丹參無菌苗，分別誘導出毛狀根和冠癭瘤，使其在無激素培養基及光照條件下分化出丹參再生植株，以發根農桿菌轉化的再生植株具典型毛狀根再生植物的特征，根癌農桿菌轉化的再生植株株形高大，根系發達，丹參酮含量高于原植物。常振戰等以發根農桿菌轉化天山大黃，建立了發根離體培養系，以HPLC法測定天山大黃發根中多種蒽醌類成分，其中大黃酸、蘆薈大黃素、大黃素、大黃酚-8-甲醚的含量均高于對照。蔡國琴等用發根農桿菌轉化青蒿并建立了青蒿發根體外培養系統。王慧中等已成功地將外源卡那霉素抗性基因通過根癌農桿菌介導的基因轉移技術導入了寧夏枸杞的幼莖外植體，所獲得的再生植株經胭脂堿檢測、NPN-Ⅱ活性測定及Southern分子雜交，證明外源基因NPN-Ⅱ及胭脂堿合成酶基因，已整合到枸杞細胞的核基因組上，并能在植株水平上表達出相應的性狀。雷和田等用根癌農桿菌感染栝樓無菌苗后，形成栝樓冠癭組織，將其作為培養系統生產無花粉蛋白有很好的開發前景。目前我國將轉基因技術應用于藥用植物主要在改進植物品質及適應性、抗蟲和抗病毒、抗除草劑、生產藥用有效成分等幾個方面，某些領域已取得明顯進展，其中轉基因藥用植物器官和組織的研究文獻報道較多，已有青蒿、黃芪、丹參、紅豆杉、決明子、大黃等10多種藥用植物轉化的器官——發狀根誘導成功，并建立起了它們的培養系統。

3 DNA分子標記技術在藥用植物研究上的應用

3.1 藥用植物生物多樣性保護與可持續利用研究

我國是世界上藥用植物資源最豐富的國家之一，但隨著生態環境的破壞，野生藥材資源日益枯竭，人工栽培品種品質不穩定，資源問題將更加突出。生物技術的興起為傳統藥材的生產發展展示了廣泛的應用前景。因而，對藥用植物多樣性的保護受到國內外普遍關注。保護藥用植物生物多樣性，應圍繞挽救、研究及合理利用3個環節，做到在傳統藥用植物資源研究與保護的基礎上，運用分子標記技術結合計算機手段。從本質上揭示物種遺傳變異及其演化規律：建立重要藥用植物基因庫，研究在自然或人工控制下個體更新速度及規律：從而制定相應的管理措施，實現藥用植物資源研究與袋子保護的科學化、現代化、促進資源的可持續利用。

3.2 中藥材的鑒定及道地性研究

中草藥的基原鑒定是中草藥研究工作的基礎和關鍵，但目前在品種研究中主要還是集中在應用形態、細胞組織、化學成分等特征。這些特征在受遺傳因素影響的同時，還受外界因素和生物體發育階段及器官組織差異的影響。中藥材多為干品，許多活性成分(酶、蛋白質等)失活或損失，給傳統鑒定方法帶來困難。由于PCR技術能將原來痕量的DNA擴增到足以進行分析與檢測的數量，而且具有產物專一性強。不需特殊純化等優點，使DNA分子標記方法特別適于目前生藥學方法難以鑒定的一些多來源中藥材、貴重藥材及其偽品等。如RAPD技術已成功用于人參、西洋參、山麥冬、地膽草等的鑒定。通過對道地藥材與非道地藥材的比較研究，明確同種藥材優質品種及其最佳的生長條件。眾多試驗已闡明，同種藥材不同產地的質量可能差異很大。其本質是其物質基礎——化學成分的種類或含量的差異。化學成分的差異可能是由遺傳因子產生的，也可能是地理一生態因子(生境)形成的，還可能由其他因素如傳媒等產生，各種因素對道地藥材形成的作用與影響是不一致的。因而應用分子標記技術對常用的、著名的藥材與非道地藥材進行系統的比較研究，明確同一藥材的優質物種及其最佳生長條件。可為中藥材的栽培提供科學依據。

4 小結

目前國際上藥用植物的研究主要集中在藥用次生代謝產物的大規模工業化生產、利用轉基因植物生產藥物、中藥材的分子生物學鑒定等領域。如國外已有幾十種藥用蛋白質或多肽在植物中得到成功表達，其中包括人的細胞因子、表皮生長因子、促紅細胞生成素、干擾素、生長激素、單克隆抗體和可作為疫苗的抗原蛋白等，其中有些藥物已實現商業化生產。雖然我國藥用植物的研究已取得了相當大的進步，但與國外先進水平相比還有一定的差距，還有待更深入地研究。目前，生物技術在中藥中的應用尚有很大的局限性，除了在細胞工程和發酵工程方面的應用有一定的進展以外，基因工程剛剛起步，而酶工程和蛋白質工程尚未涉及。因此，加強生物技術在中藥基礎和應用中的研究顯得十分必要。

隨著生物技術在中藥現代化中的廣泛應用和深入研究，我國正在加快中藥現代化、標準化和國際化的進程，中藥產業正面臨著前所未有的機遇與挑戰。通過生物技術的應用還可以在中藥這一醫藥寶庫中發現和生產具有新結構的有效成分，因此中藥生物技術對發展我國中醫藥事業更具重要性，

總之，生物技術的興起為開展中藥生產和研究提供了發展良機和有效途徑，應用生物技術不僅可以保存和繁殖珍稀頻危的野生資源，大量生產高質量的常用藥材，擴增臨床上急需的數量稀微而又有價值的新結構，而且還可以增加或減少中藥的遺傳成分，從而創造新一代的“轉基因藥材”。重視和加強中藥生物技術研究是我國中藥現代化的迫切需求。