生物技术在中药资源研究中的应用及其前景

关键词: 生物技术; 中药资源 中图分类号: R28 文献标识码: A 文章编号: 1004-2199( 2004) 01-0059-03
中医药学是中华民族的瑰宝, 数千年来为中华 民族的繁衍昌盛和世界民族医药学的发展作出了重 大贡献。中药作为中医治疗疾病的物质基础, 随着人 类 疾病谱的改变与国际社会“回归自然”潮流的涌 起, 其用量逐年加大, 许多品种供不应求、自然资源 濒临灭绝。大力开展中药资源研究, 对于保护与保存 现有资源、寻找和开发新资源等以达到可持续利用 的目的, 具有非常重要的意义。生物技术作为一种综 合了生命科学与多种现代科学理论与研究手段的高 新技术, 在中药资源研究领域具有广阔的应用前景。 1 为中药种质资源保护提供了技术保障
养都十分成功, 有些已实现工业化生产。又如, 刘长 军等[ 14] 用四种真菌刺盘孢菌、间孢镰刀菌、黑曲霉、 米曲霉作为诱导子处理悬浮培养的新疆紫草细胞, 发现四种真菌诱导子对紫草素的合成均 有促进作 用, 其中, 以黑曲霉诱导子效果最好, 而且促进细胞 紫草素的外排; 在蜜环菌诱导子作用下, 延胡索愈伤 组织细胞培养物的生物碱的合成能力, 尤其是具有 抗菌、消炎作用的生物碱的合成能力显著增强[ 15] 。
现代中药研究与实践 2004 年第 18 卷第 1 期 Resear ch and Pr actice of Chinese M edicines
[ 1 ] 艾铁民, 张治 针. 21 世纪药用植 物学研究[ J] . 中 国中药杂 志, 1998, 23( 6) : 323.
[ 2 ] 卢新雄. 我国 作物种质资源 保存及其研究的 进展[ J] . 自然 资 源学报, 1995, 10( 3): 234.
近年来, 随着外源基因转化技术的成熟, 利用发 根农杆菌感染植物组织形成毛状根来获得中药活性 成分, 已发展成一种新的培养系统。据不完全统计, 国内外目前已对 23 科 50 余种药用植物进行了毛状 根培养的研究, 建立了长期的毛状根培养系统和获 得了次生代谢产物[ 16] 。转化后的毛状根生长迅速, 扩增速度快, 合成次生代谢产物的能力高且稳定, 有 些毛状根中的药物成分甚至大大高于原植株含量, 并用于工业化生产。邱德有等[ 17] 应用发 根农杆菌 Ri1601 菌株建立栝蒌离体培养系统, 经测定, 每克 鲜重栝 蒌发 根中 天花 粉蛋白 的含 量可 高达 8. 16 m g。黄遵锡[ 18] 从短叶红豆杉诱导出毛状根, 选育出 的 5 株无性系 20 天 d 后生物量增加 9 倍, 紫杉醇含 量是愈伤组织的 1. 3～8. 0 倍。类似的利用 Ri 质粒 转化植物建立发根培养体系的报道还见于青蒿、丹 参、茜草、银杏、黄芪、甘草等, 人参皂苷、黄连素等已 通过发根培养实现工业化生产。毛状根培养系统还 可使一些植物产生新的药用有效成分, 赵明强、丁家 宜等[ 19] 首次进行了利用人参毛状根生物合成熊果 苷的研究。还可用根癌农杆菌感染植物组织形成畸 形芽, 并已在薄荷、颠茄、烟草等药用植物上取得成 功。利用农杆菌作为基因工程新载体, 越来越显示出 其可行性与方便性, 随着表达效率和受体范围的不 断扩大, 还可利用转入目的基因, 产生具有抗逆性的 毛状根和冠瘿组织, 并再生出有抗逆行药用植株。 6 前景与展望
2 有助于对现有中药种质资源进行鉴定与优选 我国有道地药材约 200 种, 进行道地药材遗传
特征分析对中药资源优良品种选育意义重大。郭兰 萍等[ 5] 用 R A PD 技术对南北苍术间的差异进行了 分析, 认为苍术的道地性是在遗传和生态两因素长 期复杂作用下形成的遗传和化学成分有稳定差异的 居群; 李萍等[ 6] 将 5s-rRN A 基因间区序列的变异用 于对金银花药材道地性的分析, 也有较好效果。到目 前为止, 我国已对大约 300 种中药进行过引种栽培。 在进行药用植物的引种时, 先在众多遗传资源中筛 选最有用的遗传资源, 就能在同等消耗情况下获得 更多的产品[ 7] 。例如, 红豆杉同属植物有 11 种( 含中 国 4 种 1 变种) , 种下又有许多地理品种 和栽培品 种, 仅欧洲红豆杉 T . baccata L . 就不少于 40 个地理 品 种, 有 效 成 分 紫 杉 醇 t axo l 的 含 量 通 常 仅 有 0. 01% 。1990 年前后, 美国在广泛调查的基础上, 在 北 美 栽 培 品 种 中 筛 选 出 一 杂 交 类 型 T . med ia Hicksii , 含量为 0. 014% , 并具有生长迅速等优良性 状, 于是, 这一类型被大规模引种栽培[ 8] 。 3 用于选育优良品种或进行品质改良
一些药用植物只能进行无性繁殖或种量有限, 特别是对珍稀、紧缺药用植物, 可通过细胞培养达到 快速繁殖的目的。如欧美国家试管苗的产量在数千 万株以上, 且以每年 7% ～8% 的速度增加[ 12] 。近年 来, 我国在药用植物快速繁殖的研究与应用领域, 也 取得了一定的成果。目前, 已有金线莲、铁皮石斛、曲 茎石斛、人参等名贵中药通过组织培养, 实现快速繁 殖的报道。百部扦插难生根, 成活率低, 主要用其块 根来繁殖, 而块根正是其药用部分, 用块根繁殖不仅 繁殖系数低, 而且浪费药材, 杨振德等[ 13] 进行了百 部组织培养快速繁殖技术的研究, 为高产、优质、抗 病性强的种苗生产提供了科学依据。最近发展起来 的封闭式强化快繁通风育苗系统和自动大规模培养 系统, 为优质药材的生产提供了强有力的保证。 5 加快中药次生代谢产物生产
[ 3] 李 隆云, 钟国跃. 中国中药种质资 源的保存与评 价研究[ J] . 中 国中药杂志, 2002, 27( 9) : 641.
[ 4] 郑 丽萍, 王 玲. 云南药用植物种 质资源的试管 保存方法[ J ] . 资源开发与市场, 1999, 15( 1) : 3.
[ 5] 李 萍, 蔡朝晖. S -rRN A 基因序列的变 异用于对 金银花道 地 性研究初探[ J ] . 中草药, 2001, 32( 9) : 834.
随着分子生物学和基因工程技术的发展, 特别 是遗传图谱研究资料的积累, 作物育种技术正从传 统的表现型向基因直接选择的方向转变。在加强药
用植物传统育种的基础上, 利用 RFL P 、RAP D 等分 子遗传标记技术, 构建重要药用动植物遗传连锁图, 开展重要药用植物 QT L 的研究和实践; 从野生类 型筛选优良目的基因, 实现药用植物杂交强优结合, 将成为今后药用植物育种的重要方向之一[ 9] 。一些
— 60 —
现代中药研究与实践 2004 年第 18 卷第 1 期 Resear ch and Pr actice of Chinese M edicines
药用植物由于长期进行营养繁殖, 容易感染病毒, 严 重影响生长发育, 降低药材的产量与质量, 如地黄、 半夏、太子参等。通过组织培养进行脱毒, 可使其药 材的产量与质量得到大幅度提高。另一些药用植物 对环境的适应能力差, 如易遭受病虫危害等, 可通过 转基因技术, 对其品质进行改良, 提高其对环境的适 应性, 从而提高药材的产量与质量。
现代中药研究与实践 2004 年第 18 卷第 1 期 Resear ch and Pr actice of Chinese M edicines
·综述·
— 59 —
生物技术在中药资源研究中的应用及其前景
张 芳1, 张永清1, 于 晓2
( 1. 山东中医药大学中药学院, 山东 济南 250014; 2. 山东福瑞达生物工程有限公司, 山东 济南 250014)
寻找中药活性成分生物合成关键酶及其基因与 抗病基因定位、分离和克隆已成为学术界关心的热 点。关键酶的确定和分离, 将为利用生物技术手段操 纵代谢途径及中药材品质定向调控提供科学基础。 如日本科学家发现天仙子胺 6- -羟基化酶是合成莨 菪胺的关键酶, 将此酶的基因通过 Ri 质粒转移到富 含天仙子胺的莨菪毛状根中, 莨菪胺的含量即比对 照组增加了 5 倍[ 10] 。我国现已克隆出青蒿素生物合 成途径中的关键酶基因, 东北红豆杉中紫杉醇生物 合成途径中起限速作用的紫杉烯合成酶基因[ 11] 。 4 加快药用植物繁殖
我国中药资源十分丰富, 但随着环境破坏与人 们乱采滥挖, 许多种类濒临灭绝。如何采取有效措施 对这些珍稀濒危物种进行保护, 已经成为迫在眉睫 的事情。保护这些种质资源的途径大致有两方面, 一 是进行人工栽培与饲养, 用以保证物种; 二是利用生 物技术建立基因库, 在低温条件下保存药用动植物 的基因组、克隆的基因、组装好的质粒和 RF LP 探 针即使在某种药用动植物灭绝的情况下, 其基因也 可以得到保存并加以利用。利用生物技术手段建立 种质库是保存药用植物的又一有效手段, 将离体培 养的药用植物器官、组织和细胞在低温和超低温( 150℃～- 196℃) 下保存, 建立集约化细胞库, 可以 作为种质保存的一种方式[ 1] 。目前, 全国已建成了 2 座长期种质库( - 10 ℃以下) , 10 多座中期( 0～10 ℃) 种质库, 保存种质资源[ 2] 。建立国家药用植物种
[ 8] 陈 毓亨, 程克棣. 近年来国外紫杉 醇资源研究进 展[ J] . 国外 医 学药学分册, 1994, 21( 1) : 36.
[ 9 ] 肖 培根, 肖小 河. 21 世 纪与 中药 现代 化 [ J] . 中国 中 药杂 志, 2000, 25( 2) : 67.
[ 10] 余Baidu Nhomakorabea阳 . 中药与天然药物生物 技术研究进展与展望[ J] . 中国
生物技术在中药资源研究中广泛而 深入的应 用, 将使部分名贵、濒危、难于繁殖的药材从原始的、 毁灭性的采挖式农业过渡到工业化生产, 将使原始 的中药农业步入现代经济农业产业的轨道, 使中药 资源得到保护和可持续利用, 为中药材质量标准化 和规范化提供有效的手段和可行的方法, 有力地推 动我国中医药事业的现代化和国际化进程。 参考文献
中药在自然状态下, 有效成分的含量往往很低。 单纯依靠野生资源获得药效成分, 实际收率不高, 很 难适应批量生产, 同时也易造成资源枯竭, 使生态环 境恶化, 利用细胞培养和微生物发酵法生产药用成 分, 探索中药生产工业化在很大程度上可改观这种 局面。人工培养药用植物细胞能进行次生代谢, 其强 度甚至大于原植物, 从而产生与积累大量有效成分, 这为提取工业的快速生产创造了条件。如紫草、人 参、黄连、毛地黄、长春花、西洋参、石斛等的细胞培
收稿日期: 2003-10-12 作者简介: 张芳( 1979- ) , 女, 硕士研究生, 主要从事中药质量控制与
资源 调 查的 研 究, T el : 0531-2612842, E-mail: zfang- 819 @ 163. com。
质资源库 200 m2, 保存 药用植物 种质资 源 600 余 种[ 3] 。此外, 郑丽屏等[ 4] 提出了药用植物种质资源的 试管保存及试管苗基因库的建立方法。
— 61 —
药科大学学报, 2002, 33( 5) : 359-362 [ 11] 刘 建勋, 从伟红. 我国植物药 研究的问题与 建议[ J] . 中国中
药杂志, 2002, 27( 7) : 484. [ 12] 高文远, 肖小河. 略论 21 世纪的药用植物栽培研究[ J ] . 中国
中药杂志, 2000, 25( 3) : 133. [ 13] 杨振德, 黄寿先. 药用植物百部的组织培养与快速繁 殖[ J] . 中
[ 6] 郭兰萍, 黄璐琦. 南北苍术的 R A PD 分析及其划分的初步 探讨 [ J] . 中国中药杂志 2001, 26( 3) : 156.
[ 7] 马小军, 肖培根. 种质资源遗传多样性在药用植物开发中 的重 要意义[ J] . 中国中药杂志, 1998, 23( 10) : 579.