生物技术在药用植物中的应用及研究进展

摘要：参阅大量文献资料对近年来生物技术在我国药用植物研究中的应用进展进行了综述。从组织培养技术在药用植物中的应用、细胞培养的研究概况、基因工程和分子生物学在药用植物中的应用等内容出发，指明了生物技术在我国药用植物中的应用前景。

关键词：中草药；生物技术；组织培养；基因工程

中图分类号：S567　文献标识码：A　文章编号：0439-8114(2010)04-0978-03

我国野生药用植物种质资源非常丰富，已发现11 000多种药用植物，种类和数量均居世界首位，为我国研制新的天然药物奠定了良好的资源基础。但传统的中草药获取方法是以采集和消耗大量的野生植物资源为代价的，当采集和消耗量超过自然资源的再生能力时，必然会导致物种濒危甚至灭绝。为了解决药用植物的供需矛盾，人们多采用人工栽培的方法扩大药源，但在人工栽培药用植物时又面临着花费时间长、繁殖系数小、耗种量大、种子带病与农药残留等问题，严重影响了产量和品质。近年来，生物技术的兴起，为我国药用植物的研究和发展提供了良机和手段。

1　植物组织培养

1.1历史与现状

近40年来，植物组织培养已成为生物学科研究的重要技术手段，并在农业、林业、医药业等行业中被广泛应用，产生了巨大的经济效益和社会效益。而我国药用植物组织培养的研究，可以追溯到20世纪60年代。1964年。中国科学院上海植物生理研究所罗士韦教授等首先报道了人参组织培养获得成功的研究成果。到目前为止，已有100多种药用植物通过离体培养获得试管植株，其中大多数为珍贵的药用植物。其中有的还利用试管繁殖技术用于生产栽培种植药材，如苦丁茶、芦荟、怀地黄、枸杞、金钱莲等。宁夏农林科学院枸杞研究所利用试管繁殖与嫩枝扦插相结合的方法繁殖新品种宁杞1号和宁杞2号苗木100多万株，加速了该品种的推广。

1.2组织培养技术在药用植物中的应用

1.2.1　药用植物种苗的快速繁殖利用植物组织培养技术进行药用植株无性繁殖来解决药用植物天然资源不足这一棘手问题，具有成本低、效率高、生产周期短、无性遗传特性一致的优点。特别是对某些种子繁殖慢、难繁殖的药用植物。组织培养通过选择材料的部位(如根、茎、叶的段、片、块等)，运用培养基获得芽体，最后培养成为植株。现在已经在药用植物中广泛应用，已在上百种药用植物上成功完成组织培养。

1.2.2无性植株的再生无性植株的再生是对植物通过组织培养和遗传工程进行品种改良的一个先决条件，也是实现获得大量人工种苗的重要途径，目前我国药用植物用组织培养技术繁殖的无性系可概括为以下几个方面：①带节茎段扦插快繁，即由带节茎段在无菌条件下扦插，可以进行快速无性繁殖，如黄芩、罗布麻等；②器官发生，细胞或愈伤组织培养通过不定芽形成植株，如枸杞、西洋参、毛地黄、丹参、黄连等已通过这种方式建立了无性繁殖系，得到了人工种苗；③类胚体途径，细胞或愈伤组织通过胚状体途径，即经过球形胚期、心形胚期、鱼雷胚期、子叶胚期经成熟胚发育成小植株。有些植物在成熟胚的类胚体上，还能继续不断地形成新的胚状体，如西洋参、人参、甘草、三七、黄连等；④原球茎，细胞或组织培养经原球茎途径分化形成植株。如铁皮石斛、百合等。

1.2.3胚的离体培养获得人工种苗

胚培养可以克服有性杂交中的胚乳败育、早期胚败育和珠心胚干扰等获得杂种苗，此项技术已进入实用阶段，西洋参、红花、枳壳、长春花、银杏等植物的胚培养已获成功。张新宁等通过对宁夏枸杞四倍体与二倍体交杂种子中幼胚和胚乳的发育形成的研究中发现，利用杂交授粉后12 d的幼胚进行胚培养，是解决无子枸杞选育中杂交败育问题的有效途径。李志良对中国红豆杉和短叶红豆杉的离体胚培养特性进行了研究，发现在适宜的条件下两种胚萌发率与成苗情况没有明显的差异，离体胚培养是实现大规模种植的一条快捷途径。

1.2.4药用植物的品种改良

生物技术能在细胞水平上进行诱导和筛选。增大了遗传变异的资源；重组DNA技术和细胞杂交可增加、除去或修饰植物的某个基因，使有利基因按计划理想地组合：用花药培养或未授粉的子房培养，获得单倍体或纯合二倍体，极大地提高了选择优良基因型的效益，并可加速获得遗传性状稳定而一致的群体，通过原生质体诱导融合，还得到一些生物碱或次生代谢产物含量高的药用植物，例如曼陀罗属有一个种间细胞杂种，其生物碱含量可高于亲本20％-25％。植物基因工程已成功地将外源基因导入植物体中，并获得转基因植物新品种。利用这一技术可将某些优良性状基因导入本不具备这些性状的植物体内，可达到改良植物品种的目的，如通过抗病、抗虫等基因的导入，获得抗病虫植株；控制植物次生代谢产物合成酶的合成基因的导入，从而获得有效成分含量高的植株等。

1.2.5　药用植物离体种质保存

用生物技术进行药用植物种质保存有两种方法：一种是以抑制细胞生长来保存种质，另一种是超低温的种质保存。用抑制细胞生长的方式来保存，其主要手段是控制培养物的培养基成分及培养温度。在培养基中加入脱落酸等生长减速剂或提高细胞激动素、赤霉素的浓度，减缓培养物的生长速度，使继代周期延长，继代次数减少，以保存种质。降低培养温度，使培养物的分化代谢活动减弱，加长继代周期，也是种质保存的可行办法。药用植物种质的超低温保存研究，在我国近10年才开始，目前已有铁皮石斛、新疆紫草、浙贝母超低温保存研究的报道。铁皮石斛试管苗在4℃黑暗条件下可连续保存12个月，并能恢复正常生长。而李明军等利用怀山药的无菌苗进行离体诱导，形成微型块茎，发现微型块茎是怀山药离体繁殖和种质保存的又一途径，这将有助于种质资源的保存和交流。目前离体种质保存虽已进行了较长时间的研究，但因其本身的局限性和技术上的不成熟而在实际应用中受到了极大限制，而超低温保存却显示了其广阔前景。但长期使用冻存材料可使其再生能力衰退、组织培养后代遗传稳定性等仍未解决的问题还有待于进一步研究。

2　药用植物基因工程研究进展

目前植物转基因的方法主要有农杆菌介导的基因转移、种质系统的基因转移和外源基因直接导人法等。国内学者主要采用农杆菌介导的基因转移法。人工改造过的农杆菌Ti质粒或Ri质粒是一种很好的植物基因工程载体，同时Ti质粒或Ri质粒还可以配合使用。建立二元载体系统。有利于质粒在植物基因工程中的应用。张荫麟等用发根农杆菌和根癌农杆菌感染丹参无菌苗，分别诱导出毛状根和冠瘿瘤，使其在无激素培养基及光照条件下分化出丹参再生植株，以发根农杆菌转化的再生植株具典型毛状根再生植物的特征，根癌农杆菌转化的再生植株株形高大，根系发达，丹参酮含量高于原植物。常振战等以发根农杆菌转化天山大黄，建立

了发根离体培养系，以HPLC法测定天山大黄发根中多种蒽醌类成分，其中大黄酸、芦荟大黄素、大黄素、大黄酚-8-甲醚的含量均高于对照。蔡国琴等用发根农杆菌转化青蒿并建立了青蒿发根体外培养系统。王慧中等已成功地将外源卡那霉素抗性基因通过根癌农杆菌介导的基因转移技术导入了宁夏枸杞的幼茎外植体，所获得的再生植株经胭脂碱检测、NPN-Ⅱ活性测定及Southern分子杂交，证明外源基因NPN-Ⅱ及胭脂碱合成酶基因，已整合到枸杞细胞的核基因组上，并能在植株水平上表达出相应的性状。雷和田等用根癌农杆菌感染栝楼无菌苗后，形成栝楼冠瘿组织，将其作为培养系统生产无花粉蛋白有很好的开发前景。目前我国将转基因技术应用于药用植物主要在改进植物品质及适应性、抗虫和抗病毒、抗除草剂、生产药用有效成分等几个方面，某些领域已取得明显进展，其中转基因药用植物器官和组织的研究文献报道较多，已有青蒿、黄芪、丹参、红豆杉、决明子、大黄等10多种药用植物转化的器官——发状根诱导成功，并建立起了它们的培养系统。

3　DNA分子标记技术在药用植物研究上的应用

3.1　药用植物生物多样性保护与可持续利用研究

我国是世界上药用植物资源最丰富的国家之一，但随着生态环境的破坏，野生药材资源日益枯竭，人工栽培品种品质不稳定，资源问题将更加突出。生物技术的兴起为传统药材的生产发展展示了广泛的应用前景。因而，对药用植物多样性的保护受到国内外普遍关注。保护药用植物生物多样性，应围绕挽救、研究及合理利用3个环节，做到在传统药用植物资源研究与保护的基础上，运用分子标记技术结合计算机手段。从本质上揭示物种遗传变异及其演化规律：建立重要药用植物基因库，研究在自然或人工控制下个体更新速度及规律：从而制定相应的管理措施，实现药用植物资源研究与袋子保护的科学化、现代化、促进资源的可持续利用。

3.2　中药材的鉴定及道地性研究

中草药的基原鉴定是中草药研究工作的基础和关键，但目前在品种研究中主要还是集中在应用形态、细胞组织、化学成分等特征。这些特征在受遗传因素影响的同时，还受外界因素和生物体发育阶段及器官组织差异的影响。中药材多为干品，许多活性成分(酶、蛋白质等)失活或损失，给传统鉴定方法带来困难。由于PCR技术能将原来痕量的DNA扩增到足以进行分析与检测的数量，而且具有产物专一性强。不需特殊纯化等优点，使DNA分子标记方法特别适于目前生药学方法难以鉴定的一些多来源中药材、贵重药材及其伪品等。如RAPD技术已成功用于人参、西洋参、山麦冬、地胆草等的鉴定。通过对道地药材与非道地药材的比较研究，明确同种药材优质品种及其最佳的生长条件。众多试验已阐明，同种药材不同产地的质量可能差异很大。其本质是其物质基础——化学成分的种类或含量的差异。化学成分的差异可能是由遗传因子产生的，也可能是地理一生态因子(生境)形成的，还可能由其他因素如传媒等产生，各种因素对道地药材形成的作用与影响是不一致的。因而应用分子标记技术对常用的、著名的药材与非道地药材进行系统的比较研究，明确同一药材的优质物种及其最佳生长条件。可为中药材的栽培提供科学依据。

4　小结

目前国际上药用植物的研究主要集中在药用次生代谢产物的大规模工业化生产、利用转基因植物生产药物、中药材的分子生物学鉴定等领域。如国外已有几十种药用蛋白质或多肽在植物中得到成功表达，其中包括人的细胞因子、表皮生长因子、促红细胞生成素、干扰素、生长激素、单克隆抗体和可作为疫苗的抗原蛋白等，其中有些药物已实现商业化生产。虽然我国药用植物的研究已取得了相当大的进步，但与国外先进水平相比还有一定的差距，还有待更深入地研究。目前，生物技术在中药中的应用尚有很大的局限性，除了在细胞工程和发酵工程方面的应用有一定的进展以外，基因工程刚刚起步，而酶工程和蛋白质工程尚未涉及。因此，加强生物技术在中药基础和应用中的研究显得十分必要。

随着生物技术在中药现代化中的广泛应用和深入研究，我国正在加快中药现代化、标准化和国际化的进程，中药产业正面临着前所未有的机遇与挑战。通过生物技术的应用还可以在中药这一医药宝库中发现和生产具有新结构的有效成分，因此中药生物技术对发展我国中医药事业更具重要性，

总之，生物技术的兴起为开展中药生产和研究提供了发展良机和有效途径，应用生物技术不仅可以保存和繁殖珍稀频危的野生资源，大量生产高质量的常用药材，扩增临床上急需的数量稀微而又有价值的新结构，而且还可以增加或减少中药的遗传成分，从而创造新一代的“转基因药材”。重视和加强中药生物技术研究是我国中药现代化的迫切需求。

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