多學科交叉的藥用植物組織培養課程理論教學

邢世海，柳鶯鶯，曹夢陽，蘇興隆，吳家文，彭代銀*

(1.安徽中醫藥大學 藥學院，安徽 合肥 230012；2.安徽省中醫藥科學院 中藥資源保護與開發研究所，安徽 合肥 230012；3.安徽中醫藥大學 人文與國際教育交流學院，安徽 合肥 230012)

植物是能合成初生和次生代謝產物的生物工廠[1-2]，藥用植物大多具有豐富的次生代謝成分[3]，某些藥用植物還能合成特異代謝產物，從而產生巨大的藥用價值，如黃花蒿特異地合成青蒿素[4]，紅豆杉樹皮特異合成紫杉醇[5]，長春花地上部分合成長春堿和長春新堿等[6]。然而，不少藥用植物難以育出種子、種子易休眠或缺少胚乳[7-9]等導致種子的有性繁殖方式存在障礙，而通過無性繁殖方式育苗，特別是組織培養技術培育藥用植物具有一定的優越性。

《藥用植物組織培養》是一門以現代生命科學知識為基礎，結合化學學科的相關科學原理，采用先進的生物技術手段，以藥用植物為研究對象，進行組織與器官的發生、培養和細胞融合、遺傳轉化及生產次生代謝物和中藥材工廠化育苗的一門綜合的、新興的、交叉的應用學科[10]。藥用植物組織培養在藥用植物種苗培育上的重要性，使該課程成為中藥學、中藥資源開發利用專業本科生的一門應用型專業課。

藥用植物組織培養的多學科交叉性，要求該課程教學過程中需結合多學科知識教學，指導學生掌握以下內容：①藥用植物本身的內在生理特征，生長與發育規律，形態特征與解剖結構；②藥用植物室外栽培的基本原理與基本技術、栽植管理與病蟲害防治方法，外界環境對藥用植物生長發育的影響等知識；③植物次生代謝物生物合成相關的植物化學知識；④植物分子生物學和基因工程技術相關知識；⑤種子、種苗學的繁殖技術，苗圃的規劃、設計相關知識；⑥生物統計學、實驗設計相關原理知識。鑒此，為深化藥用植物組織培養多學科交叉教學理論研究，促進高校藥用植物組織培養多交叉學科的實踐展開，本文從教學角度對藥用植物組織培養的相關學科交叉教學內容進行探討。

1 藥用植物組織培養教學與植物生理學內容緊密結合

植物生長需要合適的營養條件、適宜的水分條件和偏酸性的環境，這些在植物生理學上稱為礦質營養[11]，藥用植物所需營養成分根據濃度大小分為大量元素和微量元素，室外生長的植物營養成分和水分可由根系從土壤中獲得，植物缺少了某些成分會出現獨特的營養缺素癥現象[12]，藥用植物組織培養時，由于外植體離體培養，所有這些成分必須來自于培養基，培養基組成和配制的教學中結合植物生理學的礦質營養相關內容利于學生理解并把握基本培養基特別是MS培養基的成分組成和濃度水平。

植物能合成生長素、細胞分裂素、赤霉素、乙烯、脫落酸、油菜素內酯、獨腳金內酯等植物激素[11,13-16]，植物激素對植物的生長發育起著重要的調控作用，而離體植物材料即組培的外植體含有極其微量的內源激素且不能再生，組培時需加入外源激素或合成的類似結構且有相近活性的生長調節劑，來調控外植體的定向誘導。我校中藥學專業本科課程設置中未開設植物生理課程，植物激素和生長調節劑又是植物組培定向誘導的指揮棒，所以將植物激素相關內容融入到藥用植物組織培養的教學中顯得尤為重要；生長素與細胞分裂素的比例在誘導外植體成芽還是成根時起決定性的調控作用，掌握這一規律在實際組織培養中可以通過調節比例控制外植體向芽或向根誘導的定向分化；2,4-D在誘導植物愈傷組織中起極其重要的作用[17]，把握這個知識點，在誘導愈傷組織時加入合適濃度的2,4-D能更好地誘導出愈傷組織；在植物激素和植物生長調節劑中，同一類成分的不同種類對外植體的誘導作用的強弱不同，作用的時間周期也不同，這些植物生理學相關知識利于學生根據實際需要選擇合適的植物激素或生長調節劑及其濃度水平。

環境因素對生物生長發育具有一定的影響作用，這在植物生理學中稱之為植物生長生理[11]，對植物生長機理的理解能全面地考慮各種因素對藥用組織培養植物材料的影響，在實際組織培養中對于溫度、水分、氧氣和光照等外在環境條件的設置會更為科學、合理；植物具有不同光周期，這部分內容能指導在組培中根據不同植物及其不同的生長、發育時期設置不同的光、暗周期。

可見，無論是培養基的成分、激素篩選及配比、外植體的定向誘導、培養條件的控制等方面都需要植物生理學相關知識，所以在這部分的教學中將植物生理學知識與組織培養技術相結合，能起到更好的教學效果，保證教學質量。

2 結合植物栽培學知識的藥用植物組織培養教學

在工廠化育苗生產中，藥用植物試管苗需要從溫室移栽到大田中，這個過程中植物生存的環境發生很大的變化，需要對試管苗進行馴化移栽，室內的試管苗移植到室外成為大田中生長的種苗需要一個漸進的適應過程。藥用植物栽培學較為系統地介紹了植物生長發育與環境條件之間的關系，其中包括環境條件及其本身的互作、溫度和光照對植物生長發育的影響、植物的生長發育與水分的關系、土壤及其微生物與植物生長發育之間的關系、植物之間的關系等[18]。了解并掌握這些知識，在藥用植物組培苗馴化移栽中，采取正確的處理措施，將藥用植物組培苗科學合理地進行大田種植；也能更好地區別異地引種馴化與藥用植物組培苗的馴化移栽過程，了解并掌握它們之間的異同點。

3 藥用植物組織培養教學與藥用植物學知識相結合

藥用植物組織培養是建立在植物細胞全能性學說的基礎之上，以藥用植物為對象，在離體條件下利用人工培養基對植物的器官、組織、細胞、原生質體等進行無菌培養，使之再生細胞或長成完整植株的一門技術[10]。因此，在選擇外植體時對植物的組織類型、器官種類需充分地熟悉與了解[19]，對它們的生長及生理狀態能很好地把握，方能選出組織培養的適宜外植體；理論上任何組織、器官，無論處于什么狀態都可以作為外植體進行培養，但實際上很多組織、器官一旦達到或超過稱之為過渡態的生長發育時期就很難再脫分化，進而再分化了。在細胞培養中要對植物細胞的基本結構、細胞壁的組成充分了解，便于學習機械法和酶法獲得細胞的內容，分離單細胞時的酶處理過程將會更加熟練。在藥用植物組織培養教學的各論中，包括胚乳、子房和胚珠培養；花粉和花藥培養、原生質體培養和莖尖脫毒等內容，學生需要掌握植物花粉與花藥的形成相關知識，掌握子房、胚珠和胚乳的發育過程等基礎理論，才能更好地在植物活體上切割外植體，更好地理解胚乳培養為何可以獲得三倍體和花藥培養獲得單倍體植株。

4 藥用植物組織培養教學需結合分子生物學和基因工程相關知識

藥用植物組織培養與藥用植物的基因工程、遺傳轉化密切關聯，其中農桿菌介導的遺傳轉化方式大多必須借助于組織培養技術，特別是侵染了攜帶目的基因載體農桿菌的細胞培養和愈傷組織誘導，誘導的愈傷組織再生植株，這些環節都需要借助組織培養技術。同時分子生物學和基因工程的知識也能讓學生更好地理解植物組織培養：①不同部位的外植體具有不同的再生能力，可以從基因表達的時空、組織特異性[20]讓學生了解雖然同一植物體上的基因組是完全一致的，但因為轉錄及其調控的時空和組織特異性導致它們的生長發育時期和生理狀態存在差異，在這部分還可以把分子生物學的啟動子知識，特別是組織特異性啟動子[21]介紹給學生。②植物激素的調控作用，將激素受體及其信號轉導以及其級聯放大反應等相關知識傳授給學生，同時植物激素本身或其級聯放大產生的信號可能會作為順式作用元件，這些順式作用元件通過與相應啟動子的結合或分離，從而調控相關基因的表達，達到激素刺激植物生長發育的目的，這些知識點有助于學生更好地理解植物激素和植物生長調節劑在組織培養中具有強大的定向誘導功能。③在講解植物傳粉受精過程中的生殖隔離時，花粉與柱頭相互識別的識別蛋白知識利于學生理解。④在藥用植物的細胞遺傳轉化的教學過程中將植物基因克隆、載體構建、遺傳轉化、轉化后經組織培養再生植株以及這些植物材料的分子檢測相關基因工程技術穿插到教學中，既擴大了學生的知識面，激起學習興趣，也能讓學生更好地掌握植物細胞遺傳轉化的內容。⑤在原生質體培養、細胞融合等獲得體細胞雜種時，對體細胞雜種的鑒定，將分子鑒定引進來，既豐富了教學內容，又讓學生掌握了相關的研究方法。

5 與植物化學相關知識相結合

藥用植物含大量的次生代謝物，主要包括：萜類、酚類和生物堿等化合物[3]。這些代謝物在生物體內的合成機制與調控方式既涉及植物生理學知識也涉及分子生物學基因的轉錄與蛋白的合成調控機制[22]，同時涉及植物化學知識。藥用植物次生代謝物可以通過植物組織培養方式來生產，特別是珍稀瀕危且具有高藥用價值的特異性代謝產物，如采用天然植物材料，利用植物化學方法提取純化代謝物，材料來源非常有限。此時，可以利用組培產生的愈傷組織、大規模發酵培養的細胞作為材料，提取次生代謝成分，既克服了材料來源的問題又可保護這些瀕危藥用植物資源不被破壞。因此，在藥用植物組織培養關于次生代謝物生產部分的教學中，將植物化學相關知識，特別是提取、純化知識與工藝向學生做相應的介紹與補充尤為重要。植物組織培養形成的愈傷組織和再生植株的次生代謝物組成與含量往往與天然的中藥植物體本身體內成分往往也存在一定的差異[23]。

6 藥用植物組織培養教學需結合種子種苗學

藥用植物組織培養一個重要的應用就是通過叢生芽再生的方式快速繁殖苗木[10]。愈傷組織經由胚狀體或器官發生再生叢生芽，再將叢生芽分植誘導生根，最后形成再生芽和根之間由維管束相連的植株，從而獲得組培苗，叢生芽誘導率直接影響著快繁的速度[10]。藥用植物組織培養誘導的胚狀體可作為人工種子的胚，再加入營養成分、附加成分，包被上人工種皮如海藻酸鈉等材料，就可制作成人工種子[24]。藥用植物的組培苗或人工種子的種植利用，需有種子種苗相關的知識背景，所以將苗圃規劃設計、種子種苗的繁育[25]等相關知識穿插到組織培養快速繁殖和人工種子相應章節會產生更好的教學效果，便于未來從事藥用苗圃建設相關工作的同學有一個良好的知識背景。

7 藥用植物組織培養教學需結合實驗設計與生物統計學

藥用植物組織培養是實踐很強的一門學科[10]，在植物培養過程中，需從不同的外植體種類，消毒試劑的種類、濃度和消毒時間，基本培養基種類，激素種類和濃度及不同激素組合等方面考慮；還需考慮培養方式，包括：通過愈傷組織再生器官(芽或根)或胚狀體然后形成植株，還是器官發生方式等方面，綜合考慮這些因素才能篩選出最佳培養方案。這需要學生有實驗設計和生物統計方面的相關知識，掌握大樣本和小樣本的量、全實施或部分實施實驗等知識，才能合理設計實驗和實施科學的樣本量，得出令人信服的結果。如實驗中需考慮上述的多因素，不同因素設置多個水平，這類實驗如果采用全實施方式，工作量極其巨大，如采用部分實施的正交實驗設計[26]，可大大減少工作量和節省實際開支。為此，需將正交實驗設計的實驗設計思路、如何設計、怎樣選擇正交表相關知識講解清楚，同時將正交實驗的數據分析方法與該部分教學內容相結合講解；還需考慮各因素間是否存在交互作用，若存在交互作用需選擇交互作用的正交表來安排實驗，此時需根據交互作用的自由度安排實驗列，從而應用與無交互作用不同的正交表，導致實驗的安排不一樣[27]。由于正交實驗可以適當節省工作量，在應用正交實驗設計篩選最佳培養方案時，可將各方面因素全面考慮進來。使用正交實驗全面研究各因素對藥用植物組織培養的影響，既可促進學生更好地理解植物生長所需要的營養條件和形態建成的激素條件，也利于學生以后進行植物組織培養研究時能更好地設計實驗和分析數據。

在教學過程中，以“正交實驗設計及其數據分析在藥用植物的組織培養中的應用”為專題，進行一個正交實驗設計的實例來進行實驗安排設計和結果的統計分析專題教學，將藥用植物組織培養的最佳外植體、最佳激素組合、最佳篩選方法，不同階段包括啟動培養、生根培養和生芽培養等要求的最佳配方中的影響因子作為因素，設置水平，進行正交實驗篩選。通過專題教學，以組織培養作為論文課題的畢業設計的學生能更好地安排實驗。其實，植物組織培養的基本培養基如MS、WPM、N5、B6等，對于不同的培養材料、培養階段有時需對大量元素、微量元素和有機成分等的含量和組成進行微調，以獲得具體外植體材料具體培養方式的最佳基本培養基，優化過程可采用正交實驗來完成。

綜上所述，在藥用植物組織培養教學中采用多學科內容相結合教學，使學生既掌握了組織培養的基本原理和基本技術，也能更深層次、更好地理解與把握這門技術及其應用。同時，藥用植物組織培養在工廠化育苗、人工種子培育、大規模細胞發酵培養生產次生代謝物時還需要考慮成本預算，也需要了解經濟學相關知識。所以在藥用植物組織培養相關章節教學過程中與學生互動，根據學生的背景知識復習或全面講解相關學生欠缺的知識點，能起到更好的效果。