植物组织培养在中药领域的应用研究

植物组织培养在药用领域的应用研究

李淼

（中山大学生命科学院09级生物科学与技术广州510275）

摘要：现阶段，药用植物的研究发展快速，组织培养作为一个有效的技术手段可以解决草药稀缺、次级代谢产物过少的问题，能够显著推动药用植物的发展。本文就近几年来在药用领域的应用进展进行了探讨，特别就抗癌药物的进展做了简单介绍。

关键词：药用植物；组织培养；次级代谢产物

药用植物组织培养是现代生物技术在药用植物学领域中研究与应用的一个重要组成部分，是指在无菌和人为控制的营养及环境条件下对药用植物器官、组织或细胞进行培养，用来生产药用活性成分或进行药用植物无性快速繁殖的技术。药用植物所以能够发挥防治疾病的作用，是因为其体内含有一些药理活性成分，包括酚类化合物、萜类化合物、含氮化合物三大类[1]。植物组织培养技术具有生产周期端、不受地域限制、便于工业化生产等优点。在拯救濒危药用植物和引种驯化等方面具有重要的科研和生产意义。

1 药用植物组培概述

植物组织培养生产药物的优点很多，主要在于生产具有自主性，便于寻找新的有效药物成分，生产周期短，设备简单，能够保存种质资源。药用植物的组织培养主要着重于四个方面：植株的培养、成分的比较、植物生理和工业化生产的探索。

1.1 植株的培养

植株培养的首要任务是成功培养出新的植株，而决定能否成功的关键是培养条件。近十年来，已有约200多种药用植物通过试管育苗获得了成功[2]。其中代表性的研究成果如：中国科学院植物研究所的紫草细胞大规模培养、代中理工大学的红豆杉细胞大规模培养、上海中医药大学的黄芪毛状根大规模培养等。

1.2 成分的比较

药用植物的组织培养价值如何，主要取决于其有效成分与自然植株的差异，有研究表明，有40余种化合物在培养的组织细胞中含量高于完整植物水平。如培养的人参细胞中人参皂甙含量是天然植物的5.7倍[3]；雷公藤培养细胞中雷公藤内酯的含量是原植物含量的49倍；紫草的色素含量达干重的14.26%，而于完整植株的仅含1.5%。1.3 植物生理的研究

在植物组织培养的过程中，“种子植株——愈伤组织——再生植株”的培养模式需要各类植物激素的共同作用。组培有助于了解药用植物的生物合成和生长规律，人们不仅研究再生植株的培育，还重点研究研究愈伤组织的一些特性，比如利用愈伤组织鉴别植物抗性[5]。可以通过人工调控生长物质来进行亚细胞组织的电镜观察等，并研究胚性在植物生理上的重要作用[4]。

1.4 工业化生产研究与革新技术

组织培养的技术能够使发芽率极低的药用植物一小部分可以培养出数十万株植物。试管育苗工厂已经成为一种新型产业。目前，应用细胞悬浮培养或毛状根生产人参皂甙和紫草宁已达到了工业化生产的规模[6]。但如何实现工业化仍面临一部分难题：主要是：细胞增殖速度慢、生产成本较高、生产设备的完善度不够。为了改进工业化生产工艺，产生了一些新技术，20世纪80年代末，日本千叶大学古在丰树教授发明了一种全新的植物组培技术——无糖组培技术。此项技术改变碳源供给途径，使植株由异养型转变为自养型。这能够大大降低工业化生产的成本，但同时却对环境的要求更高。无糖组培技术现已成功应用于半夏[7]、草莓、

花椰菜的培养中，并且取得了很好的实验结果。

2 组培产生次生代谢产物

植物组织及细胞培养对生物种植及生

产技术方面是一个突破性进展，可以使不易进行有性繁殖的植物经组织培养出新苗而

用于生产；可以加速植物的生长，如半夏、贝母等经组织培养其生长速度大大高于自

然生长速度[8]。植物组织、细胞培养生产的次生代谢产物是药用植物重要有效成分，但由于野生资源日益减少和栽培品种品质退化，给提取工作造成了很多困扰。利用组织培养生产有效成分，能有效缓解药用植物资源压力。对于生长条件要求严格、生长缓慢、产量小、采集困难、价值昂贵的植物药，此种方法更具有重要意义。

2.1 影响次生代谢产物生物合成的因素

2.1.1 外植体选择一般来讲，由次生代谢活动旺盛的植物或器官诱导出的愈伤组织

中的次生代谢产物含量高。有人证明，杜仲植株叶片中绿原酸、总黄酮的含量比茎高，以叶片作为外植体诱导出的愈伤组织绿原酸、总黄酮含量也均高于茎来源的愈伤组织。也有人发现，组织分化与次生代谢产物的生物合成之间无明显关联，次生代谢产物可能是慢速生长或老龄期细胞处于或接近

稳定生长期时产生的多余物质[9]。这说明外植体的选择具有一定的随机性，没有对个体差异因素的影响了解透彻。为了得到足量的此生代谢产物，只能够进行多区段取材，尝试多种外植体。

2.1.2 培养基组成培养基通常由碳、氮、磷源和无机盐、维生素、氨基酸及生长调节物质等组成。组分的配比对植物次生代谢产物生产具有重要影响。液体培养基比固体培养基的利用率高，工艺简单，能够在工业化生产中推广。在进行液体或固体培养的同时，有意识加入某些物质能够明显提高有效成分的含量。如添加剂能够促进营养，或者增加中间代谢物，调节培养基的梨花性质，起到辅助生长调节剂的作用等。

2.1.3 碳源目前最广泛使用的是蔗糖。高浓度蔗糖提高了培养基的渗透压，所以往往能够提高次生代谢产物含量。但传统的含糖培养基很容易染菌，为了防染菌而培养容器紧闭则会造成植株的形态和生理异常。前面已经提过，许多新技术应用为了解决这一难题。可以提出的是开放组培技术和光独立培养法[10]。这两种方法都改变了碳源的供给途径，力求让植株在组培过程中尽可能自然化，降低培养的成本。

2.2 抗癌植物药研究小结

许多中药植物是人们重视的抗癌药物

来源，在种类繁多的植物体内对发现研制新抗癌药物有很大潜力。

2.2.1 紫杉醇对于卵巢癌、乳腺癌、肺癌等均有显著疗效。通过全合成方法来提供药源的过程繁琐，无法实现工业化生产。许多实验室都开展了用组织培养法生产紫杉醇

的研究。红豆杉属11种植物现都在进行组织培养[11]。Agenetics公司宣布他们用细胞培养法获得的紫杉醇含量是树皮的2-5倍。现在的研究方向是引入诱导子、两相培养系统等技术生长点，有望力求实现红豆杉细胞培养工业化生产紫杉醇的目标。

2.2.2 鬼臼毒素是一类具有显著细胞毒性的天然活性物质，主要来自小檗科鬼臼属（Podophyllum）植物及同科八角莲属（Ddysosma）及山荷叶属植物，大麻科亚麻属（Lutum）。鬼臼类木质素具有抑制癌细胞增殖的作用，由鬼臼毒素半合成的VP-16和VM-26具有广谱抗癌活性[12]，对小细胞肺癌、睾丸瘤、白血病、淋巴肉瘤、神经胶质瘤等多种癌症具有特殊疗效。同样，鬼臼毒素的全合成相当困难，依然依赖从天然生药资源中提取、分离。从80年代初期至今，约有6中植物获得了细胞株，并建立了细胞悬浮培养系。

2.2.3 人参皂甙和人参多糖具有多方面的抗肿瘤活性。两者可直接作用于某些癌细胞，使其生长受到抑制。可以通过促进机体的特异性或非特异性免疫功能而起到抗癌

作用。手术后使用，可促进机体早日恢复，抑制杀伤残存的癌细胞，人参属的人参（Panax ginseng）、西洋参（Panax quinquedfolium）、三七（Panax notoginseng）