【生物工程论文】药用植物生物工程技术研究进展

药用植物生物工程技术研究进展 【摘要】 人类对野生药用植物资源不加限制地开采使得其遗传多样性受到了严重的破坏，药用植物 的大规模规范化种植不仅可有效缓解这一矛盾，同时还能解决中药材产品加工过程中与质量不稳定因素有 关的诸多问题。传统的育种方法结合分子标记辅助育种技术已培育出了许多优质的中草药品种，在药用植 物组织培养和利用遗传转化等生物工程技术改造其活性成分的代谢途径等方面也取得了很大的进展。为了 进一步推广药用植物的规范化种植，还亟需对中草药市场需求进行合理地预测以及正确引导人们对草药制 品的消费观念。 转贴于正刊论文网：http:/www.Lunwen.cm/ 【关键词】 生物工程； 药用植物； 商业化种植 转贴于正刊论文网：http:/www.Lunwen.cm/ Abstract： Harvesting herbals from the wild is causing loss of its genetic diversity，domestic cultivation is a viable alternation and offers the opportunity to overcome the problems that are inherent in herbal extracts. Conventional plant-breeding methods can improve both agronomic and medicinal traits, and molecular marker assisted breeding will be used increasingly. There has been significant progress in the use of tissue culture and genetic transformation to alter pathways for the biosynthesis of target metabolites. Obstacles to bringing medicinal plants into successful commercial cultivation include the difficulty of predicting which extracts will remain marketable and the likely market preference for what is seen as naturally sourced extracts. Key words：Biotechnology； Medicinal plant； Commercial cultivation 据世界卫生组织估计，在发达国家人们日常消费的保健类产品中，中草药来源的占了近 80，它们 所使用的植物原料绝大部分依赖于野生的自然资源。在全世界近 5 万种药用植物中，将近 1/5 物种的生存 正在受到威胁，其中由于人类无节制地开采而接近灭绝的物种有熊果 Arcostaphylos uva-ursa、卡瓦胡 椒 Piper methysticum 和光果甘草 Glycyrrhiza glabra 等1。 转贴于正刊论文网：http:/www.Lunwen.cm/ 药用植物的供求矛盾引起了人们对药用物种遗传多样性降低和生境退化的不断关注，虽然通过加强监 管可以对某些物种提供一定程度的保护，但更加可行的办法是对药用植物进行大规模的规范化人工种植。 人工种植还为生物工程技术在中药材产品加工过程中的应用提供了舞台，如鉴定药材原料的质量、检测基 因型和表型变异、提高药材有效成分的稳定性、控制有毒和污染物含量等。这不仅有利于种植者根据市场 需求合理地调整栽培对象和实现定量生产，还可获得质量稳定的产品。在欧美等国，包括银杏 Ginkgo biloba 和贯叶连翘 Hypericum perforatum 在内的一些市场销量较高的品种，其野生资源受到的威胁反而 最小，原因就在于它们都已进行了大规模的人工种植。对于一些当前还不太引人关注的品种进行投资，尤 其是那些多年生的物种，为了降低潜在的市场风险，对未来市场的需求进行预测也是非常必要的。 1 药用植物栽培技术 较低的发芽率和对生境的特别要求使得许多药用植物的栽培十分困难，这也对种植者的专业技能提出 了更高的要求。发芽率较低通常是由于种子受到机械损伤或真菌感染而引起的，这一问题可通过提供最适 的保藏条件来解决，例如在对西洋参 Panax quinquefolium 生长条件的研究中发现，使用改进的土层保护 方法进行处理可明显提高种子的发芽率和生长速度，且在任何时候均可发芽。另外，对于那些常规条件下 很难培育的品种，采用人工授粉和液体培养的方法对它们的成功种植往往起到非常关键的作用， 转贴于正刊论文网：http:/www.Lunwen.cm/ 2 优良品种的选育 转贴于正刊论文网：http:/www.Lunwen.cm/ 传统育种技术在药用植物品种的改良方面有着广泛的用途。最近，一种激光斑点（Laser speckle） 技术被用于在植物生长早期对期望的性状进行测定，这是一种通过比较激光照射前后种子表面所产生斑点 的差异而对其活性进行预测的方法，该项技术的使用可显著缩短育种所需的时间2。育种者通过预先 对接近于期望标准的基因型进行筛选，还可对药用植物中活性和毒性成分的含量进行控制，从而达到了简 化分离工艺和降低生产成本的目的。 遗传标记辅助育种是传统作物育种技术的延伸，它以检测与性状直接相关的等位基因或与之紧密连锁 的 DNA 序列为基础，可在早期就鉴别出期望的基因型从而加速育种的过程。随着水稻和拟南芥全基因组测 序计划的完成，以及以苜蓿、番茄和白杨树为代表的一些模式物种的基因组资源的快速增长，为比较遗传 学技术在作物育种中的应用提供了机会。研究者可利用不同物种中功能基因 DNA 序列的相似性，将某一个 物种的 DNA 探针用来鉴定近缘物种基因组中同源的序列，从而达到快速鉴定功能基因及与之连锁的遗传标 记的目的。 至今，利用分子标记对药用植物进行改良的报道仍相对较少，成功的例子如：AFLP 和微卫星标记在 大麻遗传育种3和法医鉴定4中的应用；利用 ISSR 分子标记技术研究药用植物野生或栽培种群的 遗传多样性；Mandolino5对大麻酯（Cannabinoid）生物合成途径中两个关键酶的基因序列进行了测 定； Delabays 等利用青蒿素（Artemisinin）的遗传特性，开发出了其特异的分子标签（Molecular tags）用于标记辅助育种。有理由相信，随着比较基因组学研究的进一步深入，还将对药用植物的研究和 开发产生更加普遍的影响。 3 农艺性状的改造 通过改造 DNA 序列来调控植物的基因表达在当前已有一定的研究基础，抗除草剂、抗虫、抗病等转基 因品种的开发仍然是当前药用植物生物工程研究中的重要领域之一。有报道，Choi 等6通过转化膦丝 菌素（Phosphinothricin）乙酰转移酶基因，获得了抗除草剂双丙氨膦（Bialaphos）和固杀草 （Glufosinate）的转基因颠茄 Atropa belladonna。Punja 等7利用原生质体融合技术还得到了抗杀 虫剂的龙葵 Solanum nigrum 和抗真菌病害的西洋参。 此外，生物工程技术在调控植物的生长发育方面也有广阔的利用价值。Lee8将根瘤脓杆菌的 rol 基因转入到蒲公英中，明显提高了其微繁的毛状根培养物的发育速度；Kang 等在蒿属 Artemisia 植物中 表达细菌 ipt 基因，不仅促进了其内源的植物细胞分裂素等一系列激素的生成，还提高了叶绿素和青蒿素 的产量。 4 活性成分含量的控制 转贴于正刊论文网：http:/www.Lunwen.cm/ 对一般的农作物进行基因调控的首要目标是改造与疾病抗性和生长发育有关的农艺学特征，而对于药 用植物来说，通过改造其生物合成途径而提高活性成分的含量则处于最重要的地位。Stevenson 等用根瘤 脓杆菌基因转化薄荷的毛状根培养物，不仅提高了其毛状根中必需油成分的含量，还增强了其抵抗真菌感 染的能力。其它在药用植物上成功应用的例子还包括罂粟、蒲公英、紫杉、紫锥菊（Echinacea）、玄参 和毛地黄（Digitalis）等9。 为了提高药效、降低有毒物质的含量和提高收获物中化学成分的稳定性，有必要对药用植物的生长条 件进行严格地控制。植物中次生代谢物的累积与温度、光照（如抗氧化剂）、协迫（如脯氨酸）、感染 （如类黄碱素 Flavanoids）和食草（如生物碱）等外界因素的影响有密切的关系。例如，在高加索生长 的颠茄中生物碱的含量为 1.3，瑞典生长的只有 0.3；阴生的胡椒薄荷 Mentha piperata 中必需油的 总量及其薄荷醇的含量均比光照条件下生长的要低；与较高温度条件下生长的罂粟相比，较低温度下生长 的罂粟中含有更多的吗啡，而生物碱的含量却低些。另外，次生代谢物的累积还与土壤中的微生物群落和 营养成分有关。 提高活性成分的含量是药用植物遗传控制的首要目标，但是目前人们对活性化合物生物合成途径的了 解还很少，只有为数不多的合成酶的基因被分离出来，这对应用途径工程技术进行药用植物育种提出了严 峻的挑战。Zhang 等10通过过量表达东莨菪碱（Scopolamine）生物合成途径中催化两个限速反应的 合成酶的基因，使得天仙子 Hyoscyamus niger 毛状根培养物中该化合物的产量提高了将近 9 倍；Robbins 等11将天仙子中编码莨菪碱羧化酶的基因转化到颠茄中，也使得东莨菪碱（前体物为莨菪碱）的产量 明显提高；Chitty12在篙属植物中通过过量表达法尼基（Farnesyl）二磷酸合成酶的基因而将青蒿素 的产量提高为原来的 3 倍。在针对催化某一特定限速反应的酶的研究中，利用转录因子能够开启和关闭整 个次级代谢途径的性质对其进行遗传改造，已经成为了一种新的研究药用植物途径工程的思路。 5 问题与展望 转贴于正刊论文网：http:/www.Lunwen.cm/ 药用植物作为药物使用最大的吸引力之一在于它的“纯天然”性质，由此也产生了两种极端的看法： 一部分人理所当然地认为它是安全的和最好的，另一部分人则认为用基因工程技术对农作物进行改造是非 常“不符合自然规律的”，后者则体现在许多消费者对转基因植物的恐惧和排斥上。即使不考虑此类由转 基因植物所带来的潜在的生态风险，消费者仍然有权利拒绝接受与以转基因为代表的生物工程技术有关联 的任何药用植物产品。 另外还有一个常被人忽视的问题是，随着药用植物人工种植技术的推广，其对应的野生资源也将具有 更高的商业价值，因而对其进行的破坏性挖掘活动可能会更加严重。此外，在药用植物种质资源的保护及 其知识产权的归属等方面也有许多棘手的问题有待解决。 【参考文献】 1Edwards R. 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Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation of Taraxacum platycarpum and changes of morphological charactersJ.Plant Cell Rep，20