现代生物技术在药用植物研究中的应用现状

梅 瑜，黄能旭，顾 艳，王继华*

（1.广东省农业科学院作物研究所，广东省农作物遗传改良重点实验室，广东广州510640；2.康美（惠来）中药材种植有限公司，广东揭阳515200）

生物技术是一门利用生物科学研究成果和工程手段来增加生物制品数量、提高质量，从而满足人类日益增长需求的技术，具体内容包括细胞工程、发酵工程、酶和蛋白质工程、基因工程等4 个方面[1]。

自20 世纪70 年代重组DNA 技术产生后，许多科学家致力于应用生物技术改良生物体。随着科技的发展，生物技术已经广泛应用于园艺产业。我国园艺作物主要包括蔬菜、水果、花卉，以及特有的食用菌、茶叶、中药材和西甜瓜等[2]。生物技术使中国园艺产业具有广阔的应用前景，尤其在中国药用植物研究和中药现代化发展方面，提供了重要机遇，如目前已经实现了对金线莲[3]、石斛[4]、岗梅[5]、穿心莲[6]等珍稀药用植物的组培快繁。通过此技术可对中草药的活性成分、生长规律、生产特征等进行研究，也可运用生物工程技术对中草药资源进行保存，为濒危中药材资源保护创造了有利条件。

我国中药资源丰富，应用历史悠久，是我国传统药学宝库，也是我国中医学防病治病的物质基础，中药在医疗保健中发挥着越来越重要的作用[7]。现代生物技术能够从分子水平阐述中药及其复方的作用机理，保护中药的种质资源与基因资源，研发中药新药以及进行中药材的现代鉴定等。可以根据不同品种的生产要求，实现自动化控制和在线监测，利用超临界二氧化碳萃取技术、膜技术、大孔树脂吸附、纳米科技等高新技术实现药品质量的稳定和可控。另外，还可应用蛋白质重组等高通量技术研究其作用的分子机制，从蛋白质图谱的变化中寻找中药靶点和途径，以利于新药研发和中药的二次开发[8]。

1 组织培养技术

由于野生药材资源日益枯竭，而人工栽培品种品质不稳定，组织培养技术成为现代最先进的植物繁殖技术，利用植物细胞再生能力，培育出完整植株，具有低成本、高效率、生产周期短、无性遗传特性一致的优点。利用植物组织培养技术进行药用植株无性繁殖，能够解决药用植物天然资源不足的问题，特别是某些种子繁殖慢、繁殖难度高的药用植物。Statish 等研究了中国台湾的药用植物和持续利用，成功进行了某些药用植物的组织培养。组织培养技术已成功运用于石斛、桔梗、丹参、地黄、绞股蓝、半夏、杜仲、怀山药、麻黄、银杏、肉苁蓉、黄芪、红景天、西洋参、雪莲、五味子、何首乌、金线莲等上百种药用植物。

传统的育种方法由于育种周期长、见效慢的缺点，极大限制了药用植物新品种的选育，因此组织培养技术对药用植物新品种的选育和种质资源的保存起到重要的作用。单倍体诱变到多倍体育种是培育药用植物新品种的一种有效手段，李涵等[9]将野生的齿瓣石斛果实，在种子无菌萌发和组培快繁的基础上，用倍性育种技术在短期内培育出多倍体植株。李健等[10]利用组织培养技术结合化学诱变、幼胚培养等育种手段，选育出了三倍体无籽枸杞（99-3）新品系。

2 色谱技术

气相色谱技术能利用物质在流动相与固定相中的分配系数差异而分离提取中药中的有效成分，但此技术难度较大，导致疗效差、质量不可控。20 世纪70 年代高效液相色谱法崛起，弥补了气相色谱法不能直接用于分析、难挥发、不稳定及高分子样品的弱点，扩大了色谱法的应用范围[11]。20 世纪80 年代，末毛细管电泳法较好地弥补了高效液相色谱效率低、扩散系数小等不足[12]，分离效果（柱效可达到107）远大于经典的色谱法。随着技术的不断进步，产生了超临界流体萃取-高效液相色谱（SFE-HPLC）联用技术，此技术选择性强、灵敏度高，多用于自动化萃取芳香族化合物。近几年，许多学者将LC-NMR/MS 联用技术应用到内源性代谢产物的鉴定，鉴定复杂天然代谢产物的结构、临床药物在体内外代谢物的结构等[13]。

3 转基因技术

转基因技术的出现给生命科学带来飞跃式的发展，主要方法有农杆菌介导的基因转移、种质系统的基因转移和外源基因直接导入法。国内外转基因成功的作物有35 科120 多种，包括木瓜、棉花、玉米、大豆、马铃薯等[14]。转基因技术增强了园艺作物的抗逆性，提升了其产量和品质。药用植物基因工程虽然起步较晚，但也有一些可喜成果，其主要目的是将该基因过表达来获得天然活性成分，目前转基因的药用植物有8 种。常用的导入基因的载体是烟草和玉米，如在烟草中转入目的基因可以生产人用溶酶体酶及多种人与动物疾病抗体，转入目的基因的玉米会生产重组霍乱疫苗、单克隆抗体等。戴均贵等[15]用长春花悬浮培养细胞实现了对天麻素的生物转化。

转基因技术在优化种质、保护和繁殖珍稀濒危动植物品种、保证中药资源可持续发展等方面发挥着重要作用。但现阶段人们对转基因作物褒贬不一，因此大规模生产难以实现。目前基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术在水稻、小麦、番茄、香蕉、马铃薯的品质改善和增产等方面得到了广泛的研究和应用。此技术不引入“外源”基因，仅对“自身”的基因进行敲出、特异突变引入等，不存在脱靶风险。

4 离子束生物技术

离子束生物工程是由中科院等离子体物理研究所的余增亮等人[16]在1986 年首先发现的，作为作物诱变育种新的诱变源，具有巨大的应用价值，对生物体具有重要的诱变效应，主要包括物理效应、化学效应和生物效应[17]。离子束注入生物体时会发生分子水平上的物理效应和化学效应，造成的损伤是微观损伤，之后不可逆生物过程被放大，就产生了生物突变效应，从而产生了新的种质资源。有学者将低能离子束注入番茄种子，结果发现注入离子束后番茄的品质显著提高[18]。另有学者将低能N+注入水稻，发现提高了脱落酸合成途径相关基因的转录活性，从而增加了内源脱落酸的含量[19]。还有学者利用N+注入技术来诱变桑黄菌株，结果获得了多糖含量高且遗传性状稳定的菌株[20]。

离子束的诱变率较传统诱变效率高，可借助离子束生物工程，结合生物工程、基因工程、植物细胞工程，对药用植物合理利用和开发，使药用植物研究、药学研究和新药开发的技术手段得到改善和更新。

5 DNA 分子标记技术

DNA 分子标记技术的建立是植物资源学研究方法的重大突破，在植物种质资源鉴定方面起到了重要作用，尤其为药用植物种质资源的分类与鉴定开辟了新的途径。药用植物种质资源的鉴定是药用植物研究的基础，对准确确定原植物、确保药效、合理保存利用现有的种质资源等具有重要意义[21]。分子生物学可以将生物性状从表征扩展到生物信息大分子，利用DNA、RNA、蛋白质反映遗传密码传递顺序，可以进行分子水平上的中药质量控制，也是中草药道地性最有价值的分类鉴定指标。

有学者利用RAPD 标记法对甘肃省不同产地的18 个当归样本进行了分析，获得了10 个多肽引物，并对遗传距离进行聚类分析，结果显示地理分布的远近决定遗传背景差异的大小，说明生态环境对当归遗传差异的影响不可忽视，也为从分子生物学方面研究当归道地性奠定了基础[22]。目前RAPD 技术已成功用于天麻[23]、绞股蓝[24]、柴胡[25]、龙胆草[26]、西洋参[27]、溪黄草[28]的亲缘关系及遗传多样性的鉴定。

6 指纹图谱技术

中药指纹图谱利用由Williams 和Welsh[29-30]研究小组发展起来的RAPD 技术、Vos 等的AFLP[31]、PCR-RFLP、DNA 探针杂交、小卫星SSR[32]、微卫星（ISSR）[33]指纹分析等技术手段，得到能够显现中药材或中成药性质的图像、图形、光谱的图谱及其数据。指纹图谱质控技术是控制中药质量的先进技术，促进了中药生产标准化，是带动中药工业现代化的关键技术，使中药产业发展从以数量为主转变为以质量为主。

7 小结

现代生物技术的应用日益深入广泛，不仅对园艺产业造成影响，也对环境、医学等其他行业影响深远，如现代生物技术给传统工业带来了全新的思路，生产环境不再需要高温、高压，而是由模拟生命过程的生物反应器代替。此外，利用生物技术可以改良传统工艺，把农副原料加工成发酵或酿造制品，还可以进行食品添加剂和酶制剂的研制与开发，丰富了人们的生活，提高了生活质量。