我国中草药航天育种研究进展与展望△

李卫东，崔清宇，马长华，雷海民，王晶娟

1.北京中医药大学 中药学院，北京 102488；2.中药材规范化生产教育部工程研究中心，北京 102488

航天育种，又称航天诱变育种、太空育种、空间诱变育种，是指利用返回式航天器将植物材料带到太空，利用太空特殊的环境诱导变异，再返回地面选育出新材料、新种质，培育新品种的育种途径和方法。航天育种是集航天技术、农业育种技术和生物技术于一体的跨学科的高新技术。与传统诱变育种相比，航天育种具有变异幅度大、有益变异多、稳定性强、育种周期短等特点，且不存在基因安全问题，是培育高产、优质、早熟、多抗良种的有效途径[1]。经过30余年的不断探索与实践，我国航天育种在农、林等领域取得了重要成就。中草药育种是中药农业中的重要内容，虽然起步较晚，但这项工作的深入开展对于提高中药品质、产量及临床疗效具有重要意义。

1 我国中草药航天育种研究进展

我国中草药种子首次航天搭载于1987年8月5日发射的第9颗返回式卫星，首次搭载包括人参、甘草、东方罂粟、鸡冠花等中草药种子，从首次搭载至今，共搭载中草药种子29次，包括丹参、板蓝根、黄芩、桔梗、白芷、知母、防风、决明、射干、白术、玫瑰、红花、洋金花、夏枯草、长春花、欧李等，搭载后开展了相关的育种研究工作。

1.1 有效成分及其含量变化

有效成分及其含量是中草药发挥药效的物质基础，是其品质的重要体现。甘草、丹参、夏枯草、长春花、蛹虫草等10余种中草药种子航天搭载，地面种植评价发现，其有效成分含量明显增加(见表1)。如航天搭载后甘草中甘草酸的含量是对照的2.19倍，甘草苷的含量是对照的1.18倍[2]。太空丹参中的丹酚酸B、丹参酮ⅡA的含量分别较对照提高13%与50%，多糖含量提高16%[3]。航天搭载后的夏枯草干燥果穗中迷迭香酸质量分数为1.97%～2.69%，是对照的2倍[4]。太空长春花中长春碱质量分数为300 μg·g-1，为对照的3倍以上[5]。航天搭载蛹虫草的虫草素含量较原始菌株提高2.5倍，腺苷含量提高2倍[6]。此外，航天搭载后的桔梗、知母、白芷、防风、葫芦巴、黄芩、射干等[7-13]有效成分含量也发生了明显变化(见表1)。

航天搭载对中草药中的矿质元素种类及含量也有显著影响。太空丹参Cu/Zn比值由对照的0.68提高到1.0，Cr、Mn、Fe含量分别提高60%、50%、30%[14]。太空黄芩中Fe、Zn、Ca、Mg和Sr的含量高于对照，其中Ca和Sr的含量有大幅提高(75.7%和48.6%)，而K和Cu的含量却有所降低[15]。王志宙等[16]发现太空黄芩中Ca、Na、Zn、S含量分别比对照有不同程度增加。航天搭载后的射干K、Mg、Ca、Mn、Fe含量显著高于对照，而Al含量明显降低[17]。太空白术较对照少了Na和Ti 2种元素，K和Mn的含量分别提高1.16和1.15倍，而Si和P含量大幅度下降，分别下降了82.1%和71.2%[18]。

1.2 药效学

中草药种子搭载后代的药效学评价研究尚少。太空丹参对血瘀证大鼠的全浆黏度、低切(5/S)、低切相对指数、全血黏度中切(50/S)、全血高切、红细胞刚性指数、红细胞聚集等药效学方面的作用强于对照[3]。太空甘草较对照具有较强的抗炎药理活性，并且发现来自道地产区杭锦旗甘草种群的活性最强[19]。

1.3 经济产量

中草药经济产量指药用植物中可供直接药用或供制药工业提取原料的药用部位的产量，这是评价中草药应用的重要指标，但这方面的研究鲜有报道。太空丹参产量较对照提高了14%[3]，但未达到显著水平。太空玫瑰花产量提高了22%～64%，其最高出油率为0.235%(对照0.173%)，增加了35.8%[20]。

表1 航天搭载后有效成分含量变化的中草药名录

1.4 药材外观性状与显微性状

外观性状与显微性状是药材鉴定的重要指标。与地面板蓝根相比，太空板蓝根根部明显增粗，对照粉末呈浅黄棕色，太空板蓝根粉末颜色变浅，为淡白色，淀粉粒增多，且直径较大，薄壁细胞壁变薄，木栓细胞排列较好等，表明太空板蓝根部分显微组织有一定程度改变[21]。太空防风根部较对照明显增粗，表面颜色变深，气稍浓，横截面芯部颜色浅黄，韧皮薄壁细胞壁变薄，油管中条块状分泌物明显减少[22]。因此，航天育种可能会引起药材外观性状与显微性状的变化。

1.5 植物学特性

太空丹参表现植株较矮小，叶片肥厚、较大、表面皱缩、深绿色，茎节间距变短，根表面红棕色[3]。太空玫瑰表现在花期较对照延长了3～4个月，单个花径增大了23%～39%，此外，在单花重、花色、花型、香气质量、枝条皮色、株型等方面性状都有较大变化[3]。太空夏枯草出现了茎色变浅、叶色变浅、花色变浅、茎杆无毛等表型变异，还发现航天搭载处理使夏枯草生长、发育、成熟过程普遍减慢[4]。太空决明植株的株高、茎粗、分枝数、荚果数与对照相比显著增加，单株产量显著提高[23]。可见，航天诱变处理大大提高了植株表型突变率，其后代稳定性有待深入研究。

2016年9月15日，北京中医药大学提供的欧李种子搭载天宫二号飞向太空，在太空飞行64 d后于2016年11月18日，搭载神舟十一号载人飞船顺利返回着陆。2017年4月，经过沙藏的太空诱变欧李种子播种于河北承德基地，2018年进入初果期，调查表明，这些诱变种子后代的植株长势，叶片形状、大小，以及果实形状、大小、颜色等发生了不同程度变化，深入研究正在进行中。

1.6 植物生理生化变化

同工酶是指生物体内催化相同反应而分子结构不同的酶，也是植物基因表达较直接的产物。太空丹参的蛋白质谱带条数为14条，对照为7条；过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)同工酶的条带的数量有差异，并且太空丹参同工酶的多条谱带的表达强于对照[3]。太空板蓝根与对照间的酯酶同工酶酶带数目存在差异[24]。航天诱变后植株生物材料同工酶的差异揭示，在催化相同的化学反应上存在差异，这种差异可能影响次生代谢过程及其表达，导致中草药品质发生变化。

太空丹参中的叶绿素、类胡萝卜素的总量在其不同生长阶段均高于对照，其净光合速率、光补偿点、光饱和点均高于对照[3]。卫星搭载处理对鸡冠花种子萌发产生了明显的促进作用，发芽率和发芽势分别提高了7.28%和13.36%[25]。在干旱胁迫下太空甘草种子的萌发率和胚根长势都要明显的高于对照，其种子中可溶性蛋白质含量在种子萌发3 d 后，POD和CAT含量在萌发5 d后均明显高于对照[2]。太空决明植株叶片叶绿素含量显著升高，SOD含量高于对照，而POD、丙二醛含量较对照降低[23]。

1.7 细胞学效应与分子标记

太空丹参的根尖细胞染色体数目与对照相同，且类型相似，只在染色体的形态及臂比方面存在较小差异，表明航天搭载对丹参的染色体核型影响较小[3]。太空搭载对黄芩染色体类型影响较大，出现了染色体畸变[26]。太空洋金花植物的叶绿体中的囊泡、叶绿体的基粒片层、淀粉粒等存在不同程度的变化[27]。此外，在红花、桔梗搭载后植物细胞的超微结构也发生一定程度的变化[28-29]。

高文远等[30]应用随机扩增多态性DNA(RAPD)分子标记技术研究表明，微重力引起曼陀罗一定程度的基因组变异。太空丹参的中扩增出A1-900与A1-450序列中的部分序列与对照中的基因序列具有一定的同源性，可能为调控丹酚酸类与丹参酮类生物合成途径的关键酶基因[3]，这为下一步分子辅助育种奠定了基础。太空环境对植物亚细胞及其DNA水平产生一定的影响，这些变化可能与植株形态与内在品质产生直接相关[31]。

1.8 抗性

在不少中草药栽培中存在连作障碍问题，其根系分泌产生的化感物质是导致连作障碍的主要原因。如在丹参根系分泌物中检测到多种成分，这些成分在连作障碍中对生长发育起到抑制作用。杨先国[3]发现太空丹参根系分泌物中的化学成分的种类较少且含量明显低于对照，且表现为根部感染根腐病与根结线虫病的发病率低于对照，可作为抗病性较优的新种质资源。

孟宪水等[20]研究表明，参试的5个太空玫瑰花新品种中，2号、5号2个新品系都未见发病，属对锈病免疫型，其他3个品系也均表现出不同程度的抗病能力。

2 中草药航天新品种及其典型案例

2.1 中草药航天新品种

中草药种子经过太空诱变后，地面变异评价研究较多，性状稳定品种审定及推广应用较少。2004年南京中科集团利用长征二号运载火箭搭载灵芝菌种，经过不断观察筛选，培育出太空灵芝新菌种，此菌种抗肿瘤有效成分灵芝三萜显著高于对照[32]。

2012年8月31日《中国中医药报》报道，天士力集团培育的太空丹参变异较大，从中选育出的“天丹一号”新品种，该品种单株质量达1000 g以上，为普通丹参的3倍，有效成分含量显著高于对照，该品种已通过省级审定[32]。

中国医学科学院药用植物研究所将薏苡种子搭载“实践八号”返回式卫星，经地面多年选育获得了“太空1号”薏苡新品种，该品种于2012年通过了北京市品种审定。该品种有效成分含量明显高于对照，产量提高30%以上，并且抗倒伏、抗病虫性显著提高。经多点连续3年中试表明，该品种遗传性状稳定，产量和品质均显著高于对照[1]。

2.2 典型案例

1994年，江西省广昌县开展了白莲航天育种研究，培育出航天白莲新品种，新品种比常规品种增产60%，经过20多年的发展已成为当地的支柱产业。

经过航天育种的白莲，其藕、花、叶、莲、籽粒都产生了较大变异。莲蓬大，每粒莲子2.4 g以上，产量高(每公顷产1800 kg)。莲子表现颗粒均匀，结实率高达90%以上。此外，莲子采收期比常规品种延长30～40 d。自2000 年以来，已累计推广面积13万公顷，每公顷纯增收12 000多元，累计增收20多亿元。此外，白莲航天育种还选育出10多个观赏品种，已被引种到北京北海公园、北京莲花池公园、杭州西湖、广东三水荷花大世界等各大景点，起到了很好的观赏效果[33]。

3 展望

存在的主要问题：1)缺少中药学研究，如药效物质基础、毒理学和药效学系统评价。2018年7月23日，国家市场监督管理总局颁布了《中药材生产质量管理规范(修订草案征求意见稿)》，其中第四十一条中明确指出：“如需使用非传统习惯使用的种间嫁接材料、人工诱变品种(包括物理、化学、太空诱变等)和其他生物技术选育品种等，企业应当提供充分的风险评估和实验数据证明新品种安全、有效和质量可控”。太空育种选育出的新材料、新种质在审定品种推广前需要科学系统评价；2)农艺形状研究不够，如产量、性状稳定性、抗性等；3)缺少空间诱变的分子水平的机制研究；4)植物新品种保护与品种审定有待加强；5)达到产业化应用案例少。针对上述问题，提出下一步的研究展望。

3.1 中草药航天育种研究方向

主要从以下几个方面开展研究工作：1)安全性评价，开展毒理学研究评价其安全性；2)药效学研究，明确药效学变化及其关键药效成分构成的作用机制；3)药性变化研究，从药效物质基础角度明确药性变化机理；4)功能性有效成分的生物合成和遗传调控机理研究以及空间诱变的分子机制，该研究对提高中药有效成分、产品质量和临床疗效起关键作用；5)变异后代稳定性研究，包括农艺性状和中药学性状，进行多代培育及系统评价，直到考核的性状稳定；6)抗性育种，特别是抗病虫害以及连作障碍，这是解决中草药农残及重茬问题的关键；7)早期变异筛选，通过高通量分子标记技术进行早期变异筛选，加速育种进程。

3.2 中草药新品种保护与品种审定

植物新品种保护是知识产权保护的一种形式，国家农业农村部、国家林业和草原局是我国植物新品种权的审批机关，这两部门按照农业和林业分工，共同负责植物新品种权申请的受理，审查申报新品种的选育过程、特异性、一致性和稳定性等内容，对符合规定条件的新品种授予植物新品种权。良种是指在一定的区域内，其产量、品质、抗性等方面优于当前主栽品种或材料。一般情况，首先要获得植物新品种权，经过实践证明有应用前景的前提下，并经过品种比较试验和区域化试验，再申请良种审定，对于审定的良种才能在适宜地区推广应用。上述药用植物新品种保护和中草药良种审定工作开展尚少，开展相关工作是产业化提升的重要内容，要引起广泛重视。

3.3 建立我国航天育种的协同创新平台

为更好解决空间环境资源应用研究问题，2018年5月，由中国空间技术研究院牵头，联合中国科学院、中国农业科学院、北京中医药大学等共8家单位成立了空间环境应用联合实验室，该实验室将开展微重力科学研究、空间材料科学、空间生物工程、空间先进制造、空间育种等方面的技术应用研究。空间育种是该实验室的重要组成部分，中草药航天育种由北京中医药大学负责。通过发挥各联合单位优势，形成专业合力，促进和推动空间应用研究和发展。

为了使我国航天育种形成合力发挥更大作用，2018年7月，航天育种产业创新联盟在北京成立，该联盟由中国航天科技集团有限公司、中国科学院、中国农业科学院、北京中医药大学、中国农业大学等单位共同发起。联盟由全国从事农业、林草业、中草药、生态环境等领域研究与应用的单位组成，挂靠在中国高科技产业化研究会。联盟搭建航天育种研究、产品研发、成果推广的共享平台，建立“产学研用”协同创新机制和利益共享机制。该联盟于2018年12月在北京召开了“航天育种产业创新联盟第一次联盟大会”，在会议期间举办了“航天育种2018论坛”。上述协同创新平台的建立对于中草药航天育种工作具有极大的推动作用。

3.4 创新“航天科技+中药农业+文旅创意”产业融合新模式

随着国家大力推进产业融合，鼓励发展乡村旅游与休闲农业，提倡航天育种产业融合发展。我们提出“航天科技+中药农业+文旅创意”产业融合新模式，创新提出“航天中药农业”示范基地和科普教育基地，集聚航天技术、中药农业等资源要素，打造特色农业新名片和智慧农业新样板，促进“三产融合、三生统筹”发展，形成航天中药农业现代化体系，为我国生态农业、中药农业、观光农业发展做出贡献。