生物技术在保护和利用中药资源方面的应用与发展
作者：吴伟
《时珍国医国药》 2007年 第2期
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【关键词】 生物技术；,,保护；,,利用；,,中药资源
摘要：探讨了中药生物技术在保护和利用我国濒危中药材资源中的作用，并着重阐述了中药生物技术对传统中药的创新性应用和植物细胞工程在中药产业化中的发展。
关键词：生物技术； 保护； 利用； 中药资源
The Application and Development of Biotechnology on the Preservation and Utility of Rare Traditional Chinese Medicine Resources
WU Wei
(School of Medicine, Huangshi Institute of Technology, Huangshi, Hubei, 435000)
Abstract：In this review, the innovative application of biotechnology in the preservation and utility of rare traditional Chinese medicine(TCM) resources was mainly discussed, and development of cell engineering in industrialization of TCM was also thoroughly expounded.
Key words：Biotechnology; Preservation; Utility; Traditional Chinese medicine resources
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［1］。近年来，随着中药材GAP工作的开展，中药材品种的种植面积、产量都有了较大幅度的变化。但是，随着中药产业的发展，在市场的刺激下，中药材资源的破坏还是比较严重，野生药材数量普遍下降，近100余种药用植物被列为珍稀濒危植物，其中包括：冬虫夏草、人参、甘草等。另外，还有药用部位为茎皮、根皮或茎杆，全部是木本植物，采收药材基本上都是以整株植物的死亡为代价，由此造成了野生资源的急剧减少，如杜仲、刺五加、红豆杉等。许多全草类药材的采收期正是植物的花期，直接影响了植物的有性繁殖。生物技术的兴起为解决这一系列问题提供了有效途径。近几十年来，生物技术在许多领域取得了巨大的进展，在传统中药材研究开发中也取得了相当的成果［2］。生物技术目前已渗透到中药的各个研究领域，在中药资源开发，优良中药品种的培育及生产，濒危珍稀中药资源的保护和利用中的应用愈来愈广泛。
1 中药生物技术对传统中药的创新性应用
1.1 中药天然微量活性成分和有效成分的生产从药用植物中提取的活性成分在疾病的防治方面起到了相当重要的作用，但有些药用植物由于过度采挖，已出现了资源枯竭现象，因此通过工业化手段来生产某些重要的药用植物及其活性成分受到了重视。主要手段有：（1）试管苗的大规模培养。该方法具有繁殖量大、速度快和减少病毒的优点，对药材质量和产量都非常有益。到目前为止已有100多种药用植物经过离体培养获得试管植株；（2）利用组织细胞培养来获得次生代谢物。对于中药材中活性强、含量低、化学方法无法合成的天然次生产物可采用此技术，但增殖效率不高、产量不稳定是制约多数中药不能通过该技术商品化的主要瓶颈；（3）中药化学成分的生物转化系统。利用定向生物转化技术可将天然药物中的高含量成分转化成微量高活性成分，就可以大大提高微量成分的含量，使其达到产业化的要求。熊果苷是目前高档化妆品中常用的美白成分，赵明强等利用人参毛状根成功的实现了对羟基苯醌生物合成天然熊果苷［3］；（4）组合化学与快速活性筛选系统。该技术是指将具有生物活性的复杂天然化合物在微生物或酶的作用下转化产生新的组合型天然化合物群，再通过与药理筛选手段结合，寻找新的高活性或低毒性的天然活性先导化合物，或通过对活性组分中不同成分结构变化与活性强度消长关系的分析发现关键活性成分［4］。
1.2 中药生物技术与中药鉴定
1.2.1 DNA分子标记DNA分子作为生物遗传信息的直接载体，同种药用植物的每一个体的所有细胞均包含相同的遗传信息，具有相同的遗传物质DNA不会因环境影响或个体差异而改变，所以DNA分子标记技术为已遭到破坏的药材提供了新的技术途径。将药材的DNA或通过PCR扩增的药材DNA片段，用限制性内切酶消化后，进行限制性片段长度多态性（RFLP，PCR RFLP）分析，即多态性酶切位点的分析，可以确定品种间、种属间的DNA变异；揭示不同品种间亲缘关系，从而鉴别药材。马小军等［5］对人参的研究表明，对RAPD反应产物进行限制性内切后进行RFLP分析，能有效提高DNA指纹的使用效率。RAPD技术较RFLP技术便宜、方便、易行，灵敏度高，常用于贵重药材的鉴定。张铭等用RAPD技术对石斛属内26个种和金石斛属的一个种进行了基因组DNA 多态性分析，并构建聚类树状图。根据筛选到的DNA 片段序列，将Sangonl8引物从3"端延长至20 bp得到所要的特异性引物。设计成的特异性引物能方便快捷的鉴别出铁皮石斛［6］。郭兰萍等［7］应用RAPD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。李晶等［8］用RAPD技术对华中农业大学薯蓣资源圃中收集的11个盾叶薯蓣居群及4个薯蓣属植物居群的混合样品进行了遗传多样性的检测。UPGMA聚类分析结果揭示了各居群间的亲缘关系。道地药材和非道地药材在形态、生药性状及化学成分等特征上具有高度相似性，因而传统的鉴别方法对道地药材的鉴别往往不易。郝明干等首次将扩增片段长度多态性技术（AFLP）应用到中药材道地性的鉴别中，绘制不同产地中药材的AFLP指纹图谱和遗传多样性，确定道地性产区药材的特异性差异带，从而区分道地药材。在此基础上，将AFLP标记转换成简单实用的SCAR（特征性片段扩增区域）标记。将SCAR标记片段进行胶回收，PCR或克隆测序，然后根据序列特点设计特异性引物，通过简单的PCR，即可鉴别道地性产地中药材［9］。
1.2.2 DNA测序技术对中药材的基因片断进行精确的DNA序列测定和分析，可以鉴定近缘及易混淆生要品种和道地药材。曹晖等采用PC8直接测序技术测定三七及其4种伪品（竹节参、蓬莪术、温莪术和桂莪术）的18S rRNA基因和matK基因核苷酸序列并作序列变异分析。根据排序比较，三七与4种伪品间的DNA序列存在很大差别。因此通过序列差异比较分析，DNA测序技术可成为三七正品基原鉴定的准确、有效手段［10］。丁小余等对名贵中药材铁皮石斛的rDNA IST序列分析表明，铁皮石斛的r DNA IST序列-生活型性状特征-居群类型三者之间存在着一定的相关性［11］。顾华等发现11个连翘地方栽培品系间的DNA分子多样性差异与连翘主要指标成分连翘甙含量存在相关性［12］。
1.3 中药生物技术与中药品质和改良对于中药新品种的培育，目前研究的焦点主要集中在离体快繁技术、中药突变体的筛选和转基因药材。曾宋君等［13］以土茯苓根状茎侧芽的生长锥为外植体，以MS、3/2MS、B5和改良H等培养基为基本培养基，附加不同浓度的植物生长调节剂进行离体培养研究，成功获得了试管苗，移栽后成活率达到95％以上。利用重组DNA技术，将某些优良性状基因导入本不具备这些性状的植物体内，达到改良植物品种的目的。如抗病毒抗虫害基因的导入，获得抗性植株；控制植物次生代谢产物合成酶的合成基因的导入，获得有效成分含量高的植株等。将天仙子胺6 β 2羟化酶基因转移到富含天仙子胺的莨菪毛状根中，与对照组比较，莨菪胺含量增加了5倍。将长春花种编码色氨酸脱羧酶的基因导入烟草后使之由色氨酸产生生物碱原色胺，在转基因植物中酶活增加了260倍,结果可使1 g 鲜重的植物材料产生1 mg多的色胺［14］。中药多倍体育种技术也常被用来改良中药品质，多倍体与原植物比较，主要有以下一些优点：（1）抗性增强。由于多倍体植株一般较矮，茎杆粗壮，故能较好的抗倒伏。有的还具有抗旱、抗涝、抗病和抗寒等抗性；（2）通常具有较高的活性成分的含量。在实践中发现，大多数多倍体中次生代谢产物的含量都有所增加，但染色体倍性的增加与化学成分含量的变化并不呈正比关系，例如毛蔓陀罗的三倍体生物碱含量较二倍体、四倍体均高；（3）可能会产生新的性状和新的化学成分，从中可能筛选到具有药理活性的前导化合物；（4）多倍体植株的农艺性状通常有明显变化，突出表现在根、茎、叶等器官上具有巨型性，这能大幅度提高以相应部位入药的药材的产量［15］。此外，对有毒中药采用现代工艺进行加工、修饰、配伍，使其仅作用于靶器官、靶目标、甚至是靶分子，可以大大减轻其毒性，并能使其药效增强。不过国内外对此技术报道的文献不多，估计多数还是处于实验室摸索阶段。
2 植物细胞工程技术是解决中药发展的一个切实可行的途径
2.1 植物细胞工程在中药资源保护中的重要意义植物细胞工程是在细胞水平上生产植物产品及天然代谢产物的技术。该技术尤其适于资源短缺，采集困难，种植要求高和临床价值大的名贵中药的研究与开发，它将成为解决我国濒危和珍稀中药资源保护的重要有效手段之一［16］。我国是世界上生物多样性最丰富的国家，也是世界上生物多样性受到威胁和破坏最严重的国家之一，其中药用植物受到破坏的程度已开始制约我国现在中药的发展。植物细胞工程作为中药资源保护的重要手段，对那些自然资源有限，生长环境特异，天然生长缓慢，人工栽培困难的中药资源和濒危珍稀的野生中药资源的保护与开发将发挥越来越重要的作用。
2.2 植物细胞工程的发展现状运用植物细胞工程生产次生代谢物，设计适合于药用植物细胞培养的新型生物反应器十分重要。目前植物细胞培养生物反应器主要包括各种类型的气升式反应器、光合反应器、半浸没式反应器、雾化反应器、多层塔板式反应器［17］。开展药用植物的生物反应器培养方面的研究在我国已有几十年的历史了，中国科学院生物工程研究所在这方面做了大量的工作，已培养成功雪莲、藏红花等10余种药用植物及代谢产物，还在微型薯、青蒿发根转化苗反应器培养方面获得了成功。在植物组织培养的细胞株建立和控制代谢方面，工程所自主建立了系列的可用于反应器大规模培养的细胞、组织和器官的细胞系，在放大培养中研究多种条件下的生长、代谢凋亡的原理和条件，为提高有效成分的含量和传代性能的稳定性取得了良好的进展。生物反应器是植物细胞培养技术走向工业化的前提条件。目前国内外利用生物反应器培养药用植物的细胞和组织的产业化推进较为缓慢，其原因主要有：① 在线综合细胞调控技术还有待提高；② 聚集现象和细胞的多相性问题还没有有效的解决办法；③ 细胞株优良形状的保存以及在培养过程中产物的丢失等现象普遍存在；④ 建立针对特定的培养材料和目标产物的数学模型难度大；⑤ 培养过程的染菌问题还没有很好解决等［17］。所以为了尽快的实现中药的现代化，我国的科研工作者还有很多的工作要做。
3 结语
以上可以看出，生物技术已经深入到药用植物研究的各个领域，虽然大部分研究还不是很成熟，但其影响越来越大，所凸现出的巨大潜能也日益得到重视。综上所述，中药生物技术不仅可有效保护我国的天然中药资源不受破坏，而且可以使中药更好地满足人们的需要。它标志着一种新的中药原料和药材生产方式正在形成，将带动我国药用植物提取物行业的发展和中草药快速走出国门。
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(黄石理工学院医学院，湖北 黄石 435000)