我国药用植物种质资源遗传多样性及其研究进展

第29卷第3期
农业科学研究2008年9月　Vol.29No.3 Journal of Agricultural Sciences Sep.2008
文章编号:167320747(2008)0320066205
我国药用植物种质资源遗传多样性及其研究进展
刘　萍,　马宏玮,　王掌军
(宁夏大学农学院,宁夏银川　750021)
摘　要:遗传多样性(Genetic diversity)作为生物多样性的重要组成部分,是物种多样性和生态多样性的基础,我国是世界上药用植物种质资源最丰富的国家之一,但也是生物多样性破坏较严重的国家之一.文章概述了植物种质资源遗传多样性的涵义和近些年我国药用植物遗传多样性的研究进展,并就人类活动对我国药用植物种质资源遗传多样性的影响加以讨论,指出应采用不同方式尽可能多地、有效地保护每个物种的遗传变异.建议加强药用植物种质资源可持续性利用的研究,加强野生药用植物的引种驯化和遗传育种.
关键词:药用植物;种质资源;遗传多样性
中图分类号:Q943 文献标志码:A
中医中药是我国几千年文明历史的宝库,在西医西药引入之前,人们的健康完全依赖于它.现在,越来越多的西方人也意识到中草药在治疗一些疑难病症上具有潜力,它不仅副作用小,更主要的是它种类繁多,有着很多未被人类探索和认识的东西.
药用植物是中药资源的主要组成成分.我国幅员辽阔,自然条件复杂,是世界上药用植物遗传多样性最丰富的国家之一,很多重要的药用植物都起源于中国.据调查全国有中药资源12807种,其中药用植物11146种[1].药用植物是一类与人类健康密切相关的植物,其使用价值和经济价值远非一般植物能比.
1　药用植物的遗传多样性
遗传多样性(Genetic diversity)是生物多样性的基本组成部分,是生态多样性和物种多样性的基础.通常被认为是种内不同群体间和一个群体内不同个体间遗传变异的总和[2],它源于染色体和DNA 的变异,是基因内的变化,亦称基因多样性.一个物种遗传多样性的大小与其自身的生存能力和竞争力密切相关,保护生物多样性最终就是保护其遗传多样性.
我国具有悠久的中药材引种、栽培和驯化的历史,除了原有的野生种,在长期自然选择和人工选择的作用下,为适应各种不同的自然条件和栽培制度以及医学利用的需要,还培育并构建出形形色色、丰富多彩的大量的新型改良品种、农家栽培品种及药用植物类型.药用植物在长期的生存竞争及自然界双向选择过程中与产地生态环境建立了千丝万缕的联系,同一植物的种或品种在不同的生态条件下,次生代谢类型会有所变化,表现为形态的改变或有效成份的差异.鲁鑫焱等对18个产地胡卢巴(Trigonella f oenum2graecum(L.) Cuss)总黄酮和槲皮素的质量浓度测定表明,总黄酮在8. 48～50.88mg・L-1,槲皮素在0.18～3.68mg・L-1,不同产地间表现出明显差异[3].产于北京的蛇床子(Cni dium monnieri L.)主要含角型呋喃香豆素,而产于南方的蛇床子却主要含线型呋喃香豆素;长期生长在潮湿地区的缬草(V aleriana of f icinalis C.A.MY.)就会失去药效.东北人参(Panax ginseng L.)生长的土壤中含有23种元素,如果土壤缺锌,人参根长比正常的减少33.76%,根粗减少13.16%,单产降低43.88%[4].
大多数药物开发研究者认为外界环境条件是影响药用植物有效成分质量分数的主要因素.事实上,植物种内不同种群和个体间次生代谢产物含量的差异大多由基因控制,遗传对有效成分的种类及其质量分数的控制起着决定性的作用[5-6].Daday 通过对全球(原产欧洲及东亚)白花三叶草(T ri f oli um re pens)产氰多态的研究,结果发现产氰
收稿日期:2008203210
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30660017)
作者简介:刘萍(19612),女,上海市人,教授,主要从事植物遗传育种研究,E2mial:liupingmy@.
与不产氰性状是由2对基因控制,不同的基因型产氰含量不同[7].李正等对全国何首乌(Pol y gonum m ulti f lorum Thunb.)的6个野生居群和4个栽培居群的特征成分二苯乙烯葡萄糖苷测定表明,以贵州及湖北产地的含量最高,四川和广西的含量较低,从而确定贵州和湖北为何首乌的道地产区[8].
2　药用植物种质资源
2.1　药用植物种质资源
种质是亲代通过生殖细胞或体细胞遗传给后代的遗传物质,同一物种的各种种质总称为该物种的种质资源.种质资源具备一定的遗传物质并表达一定的遗传性状,也称为遗传资源或基因资源.
植物种质资源包括植物各类栽培种、野生和半野生种、近缘植物种以及人工创造的特殊种质材料等的全部基因遗产,是物种进化、遗传学研究及新品种培育的基因来源,它还可以为人类提供生产和生活资料,包括特殊营养品和药品,是人类和生物赖以生存的基础.
药用植物种质资源是指一切可用于药物研究和开发的植物遗传资源,是所有药用植物物种和种下分类单位的总和.其研究内容包括:对药用植物品种(类型)进行考察与收集、鉴定与评价、保存和应用以及遗传学基础,起源和演化的研究.药用植物种质资源是中医药产业的源头,对我国中医药的发展有着举足轻重的作用.近年来,药用植物不再局限于传统的入药治病,而广泛应用于饮食、保健、化妆品、绿色农药、畜禽业等人类生活的各个方面.药用植物种质资源作为一种生物资源,对保护生物多样性和维持生态平衡有着积极的意义.
2.2　人类活动对我国药用植物种质资源遗传多样性的影响
我国是“巨大生物多样性国家”,素有“世界植物王国”之称,是北半球生物多样性最丰富的国家.我国的药用植物数量虽然很多,但长期以来,我国的中药业一直处于“吃资源”以换取低成本的生产方式.在我国现有的药用植物中,临床常用的有700多种,其中300多种以人工栽培为主,但栽培有一定规模的不到200种,传统中药材生产原料的70%～80%来自野生资源[9].
由于对生物资源保护和可持续利用意识的薄弱,我国是世界上生物多样性受破坏严重的国家之一.随着人们对土地、森林的开发利用,生态环境恶化,野生药用植物资源的贮量已逐年下降或趋于枯竭.部分常用中药材和道地药材的野生种质已趋于消失,少数物种濒临灭绝,某些种类已基本灭绝,常用药材人参、三七的野生个体已很难发现.目前全国甘草资源的蕴藏量较20世纪50年代减少了60%;厚朴、杜仲、黄柏等资源量下降了约86%[10].处于濒危状态的近3000种植物中,用于中药或具有药用价值的约占60%～70%.我国目前列入保护范围的野生植物300多种,有169种药用植物被列入《野生药材资源保护条例》、
《濒危动植物国际公约》和《国家野生植物保护条例》,在贸易和利用上受到相应的管制和限制[11].生物多样性的减少直接降低生物圈的平衡调节能力,对人类危害极大.
2.3　我国药用植物种质资源遗传多样性的保护
种质资源的保护就是物种遗传多样性或进化潜力的保护.丰富的遗传多样性是物种适应外界环境变化的物质基础,种内遗传多样性或变异性愈丰富,物种对环境变化的适应能力愈大,进化的潜力也愈大.
随着中草药逐步走向国际市场,对我国药用植物资源的需求量会越来越大,野生药材资源面临的压力日益沉重,若不注意合理开发利用,不重视野生药材资源的驯化栽培和保护,对野生药材的开发利用将使药用植物资源很快被挖光、采绝,造成更多的物种灭绝.天然药物生产将难以为继,从而影响到天然药用资源的安全、可持续发展和利用.
具有中国特色并有着数千年研究与利用历史的中药药用植物,其遗传多样性的研究与保护无疑是中国生物多样性研究与保护的重点对象之一.就地保护、迁地保护和离体保存是药用植物遗传多样性保护的最重要途径.
就地保护的最大优点在于物种能在其自然生态中继续不断地进化,并能不断适应变化了的环境条件,增加遗传的多样性.保护区是保护物种及其遗传多样性最好的场所,目前,亚洲最大的专业植物园———广西药用植物园已保存有药用植物3000余种[12].然而,要把许多具有重要药用价值的物种及遗传资源全部都包括在保护区中是不现实的,而且保护区也并非绝对不受侵犯.因此有必要人工创造生境,保存稀有濒危的种质,一旦自然界中因某些原因导致一些物种难以适应生存时,受到迁地保护的个体仍有可能恢复其自然界中应有的地位,不至于陷入灭绝的境地.植物组织培养是离体保存的最常用方法,可以在较小的区域中保存尽量多的种质.就地、迁地保护和离体保存三者相互补充,对不同的物种可采用不同方式并结合运用,尽可能多地、有效地保护每个物种的遗传变异.
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　第3期 刘　萍等:我国药用植物种质资源遗传多样性及其研究进展
3　我国药用植物遗传多样性研究进展由于我国土地广阔,地形复杂,气候多样,因此我国药用植物资源的分布具有明显的地域性和种质多样性.种质资源遗传多样性的研究是药用植物资源研究的热点,进行种质资源遗传多样性的研究将为药用植物种质鉴定和育种打下基础.
检测植物遗传多样性的方法随着生物学,尤其是遗传学和分子生物学的发展不断得到提高和完善.从最初的表型变异到后来的染色体多态性、蛋白质多态性,最后发展到现在的DNA多态性.事实上,任何一种检测遗传多样性的方法都存在各自的优点和局限,但又都能从各自的角度提供有价值的信息,揭示遗传物质的变异,帮助我们认识遗传多样性及其生物学意义.
利用形态学或表型性状来检测遗传变异是最古老也是最简便易行的方法.郑玉忠通过对15个野生居群中国竹节草(Chrysopogon acicul at us)植株主要形态特征和生物学特性的研究表明竹节草不同居群的外部形态性状有较大的变异,我国竹节草野生种质资源具有较丰富的遗传多样性[13].李瑞奇等以国内外52份转基因抗虫棉品种(系)为材料,对其农艺性状和纤维品质进行形态遗传多样性研究,认为不同品种之间有一定差异,但差异不大,遗传相似性较高[14].形态标记虽然简单,但遗传表达有时不太稳定,还容易受到环境条件及基因显隐性的影响.
染色体是遗传物质的载体,是基因的携带者.染色体的变异必然导致遗传物质的改变,是生物遗传多样性的重要来源.目前染色体水平检测遗传多样性主要是依靠核型分析和染色体分带技术来完成. Barbujani在对意大利的虎眼万年青(Ornit hogal um mont anum)染色体C带研究发现,12条带中有8条在各居群中都存在,表现为较一致的单态型,另有4条则与地理分布有关[15].龚洵等对黄牡丹(Paeoni a del av ay i Franch.)8个居群的G iemsa C带进行比较研究,表明C带式样的多样性与其形态多样性相关[16].邱英雄等对珍稀特有单种属植物明党参(R a2 di x chan gii L.)的4个居群进行研究,结果发现居群间的核型多型性,表现为染色体的杂合性及随体染色体的位置有一定变化[17].可见,染色体C带多态性在植物种内普遍存在.然而由于染色体制片技术和观察时机把握上的影响,加之对染色体数目相等、形态相似的物种或类群,尤其是对同一居群的不同个体来说,单纯用染色体资料研究遗传多样性就失去了分辨能力.因此,在染色体水平上进行遗传多样性研究实现的难度相对较大.
等位酶(allozyme)是同一基因位点不同等位基因编码的催化同一反应的一种酶的不同形式.等位酶谱带与等位基因之间有明确的关系,其变化直接反映了DNA分子水平上的变化,因此是一种较为有效的遗传多样性检测技术.迄今为止,应用等位酶分析技术研究遗传变异已积累了丰富的资料[18-22],在采样原则、实验方法、数据处理和结果分析方面均形成了一套统一的标准,在药用植物遗传多样性的研究中广泛采用,使不同物种的研究结果可以在共同的基础上进行比较.
现代生物技术使我们可以进一步区分分类等级以下的种质资源,发现居群之间甚至个体之间的细小遗传差异,以便更有效地利用种质资源.用于药用植物遗传多样性分析的DNA分子标记主要为RA PD和RFL P.近两年来,随着各种分子标记的发展和成熟,高效快捷的A FL P、ISSR也逐渐被应用于药用植物遗传多样性分析.
DNA分子标记技术不仅克服传统分析法周期长的缺点,快捷地对多年生药用植物进行遗传多样性分析,获取更丰富的遗传信息,还可以排除环境干扰,使研究结果更可靠.陈永久等用RA PD方法分析冬虫夏草(Cor d yceps si nensis)的遗传分化,从分子水平上提供了冬虫夏草的分类、起源及进化方面的宝贵资料,可作为制定冬虫夏草资源保护和合理利用等措施的理论依据[23].吴卫等应用RA PD对92份鱼腥草(Herba houtt y ni ae)种质资源进行检测分析,得出鱼腥草种质资源在分子水平上存在较大遗传多样性的结论[24].魏玉清等利用RA PD分子标记对宁夏枸杞(L yci um barbarum L.)主栽品种和新育成的品系基因组DNA的多态性及遗传背景进行初步分析表明,宁夏不同地区主要栽培枸杞品种遗传上无明显差异,但新品系大果枸杞与标准宁杞1号在基因组织上有差异[25].
马小军等采用A FL P对5个人参(Panax gi n2 sen g L.)农家类型进行比较研究,找到了其DNA的特征指纹差异[26].伍莲等应用A FL P分子标记对濒危药用植物金毛狗居群遗传多样性研究显示,金毛狗(Ciboti um barometz)在居群水平存在明显的遗传多样性,地理种源影响居群间的遗传距离[27].沈永宝等利用ISSR标记,仅用2个引物就区分出13个银杏(Gi nk go biloba L.)主要栽培品种,研究发现ISSR标记能很好地揭示品种间的差异,鉴定效率和稳定性也明显优于RA PD标记[28].周延清等用RA PD与ISSR对地黄(Rehm anni a gl uti nosa Li2
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bosch.)的8个品种和2个脱毒品系进行种质遗传多样性分析表明,2种分子标记的分析结果呈极显著正相关,ISSR标记技术是一种多态性和重复性优于RA PD技术的实用技术[29].杨九艳等采用ISSR 分子标记分析了鄂尔多斯高原分布的锦鸡儿属(Caragana Fobr.)8个物种及种内的遗传多样性,结果显示遗传多样性在不同种间的分布不均匀,以藏锦鸡儿和柠条锦鸡儿的遗传多样性最高,短脚锦鸡儿的最低[30].孙群等筛选出18条多态性ISSR引物,对46份乌拉尔甘草(Gl ycy rrhiz a uralensis Fisch.)种质资源进行遗传多样性分析,结果显示我国乌拉尔甘草种质资源遗传变异以新疆地区最丰富,其次是西北地区和东北地区遗传变异最低[31].
4　展望和建议
4.1　加强我国药用植物种质资源的可持续性利用
药用植物作为一种特殊的种质资源,不仅能够提取有效成分用于制药生产,而且多数还可以用作保健品.长期以来,人们出于对健康的渴望,再加上一些错误的想法,认为野生药材要比家种药材的质量好,无形中加剧了对野生资源的破坏.所以我们必须重视对野生资源的保护,实施种质资源的可持续利用发展.
4.1.1　建立药用植物规范化、集约化种植基地　事实上,由于盲目采挖,我国野生中药材资源日益减少,已不能满足医疗用药的需求,这就必然要求人们对药用植物进行引种驯化和栽培.随着经济的发展和对药用植物在医药和保健品等方面的开发,常用药用植物的年需求量逐年增加.自国家推行中药材GA P(G ood Agricult ural Practice)以来,全国各大制药企业纷纷到各大药用植物产区建立自己稳产、高产、优质的规范化种植基地,不仅缓解供求矛盾,在保证质量上起作用,也是保护生态环境的有效途径.
4.1.2　收集并建立药用植物的野生和栽培种质基因库,建立物种保存技术　对药用植物不同类型的种质资源应进行就地或迁地集中保护管理,种植资源圃(库).选择最适生长地,划拨出一定面积,就不同种质类型进行隔离管理.同时也维持与它在同一生境下的其他种群的正常生长,保证基因库的价值.建立珍稀、濒危药用植物种质资源基因库,尽可能多地对珍稀物种的遗传多样性进行保护.开展体细胞核移植技术、基因克隆技术、组织培养技术等方面的研究,为珍稀、濒危药用植物资源的良种繁育奠定基础.
4.1.3　争取政府支持,限制采集野生资源　争取当地政府的支持,严格按照《中华人民共和国野生植物保护条例》,在野生药用植物采收的数量、时间、地点等方面做出相应的规定,采取切实可行的措施,保证品种和蕴藏量的相对稳定,确保资源的恢复和再生,同时,在采集野生资源时要教育群众着眼于长远利益,把采、用、留三者结合起来,努力实现采集的规范化,保护其生机.
4.2　加强我国药用植物的引种驯化和遗传育种
药用植物的“优良品种”对药材生产存在着巨大的潜力,许多疗效优异的“道地药材”的形成在某种程度上应归功于“地方品种”的作用.野生药用植物在遗传上存在着巨大的多样性,不同的种群甚至个体,有效成分含量具有较大差异,因此以野生植物为原料生产出来的成品药常会存在质量不稳定的问题.植物的遗传特性不仅控制着有效成分的含量,也控制着非目的成分的含量.要想从本质上提高药用植物有效成分的质量,必须对种质进行引种驯化和遗传改良,通过人工种植和选育,选择出有效成分含量高且稳定的品系,并有目的地降低非目的成分的含量,使成品药在质量上保持稳定.我国药用植物的育种工作起步较晚,只是对少部分药材如人参、菊花、薄荷、红花、枸杞、地黄、贝母、山药、玉竹、桔梗、大麻、银杏、石斛、当归等进行了培育,形成地方优良品种,还有更多的药材正面临着艰巨的育种任务,同时也需要加速引进育种新技术[14].药用植物遗传育种是药用植物资源开发的一个重要方面,具有理论和实践上的重要意义.
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R esearch progress on genetic diversity of germplasm resources
of medicinal plants in China
L i u Pi ng,　M a Hon gw ei,　W ang Zhan g j un
(School of Agriculture,Ningxia University,Y inchuan750021,China)
Abstract:As an important component of biodiversity,genetic diversity is t he basis of species diversity and eco system diversity.Alt hough China is possessed of abundant plant germplasm resources,it is one of t he count ries t hat t he biodiversity has been destroyed more badly.The definition of genetic diversity on germplasm resources and t he research p rogress on several levels in medicinal plant s were reviewed in t his paper.The influences of people activities on genetic diversity are discussed and several met hods for p rotecting t he hereditary variations of every species effectively are pointed out.It suggested t hat t he sustainable utilization of t he germplasm resources and introduction,domestication and breeding about medicinal plant s all should be st rengt hened.
K ey w ords:medicinal plant s;germplasm resources;genetic diversity
(责任编辑、校对　郑国琴) 07农业科学研究 第29卷　。