论空间技术在药用植物研究上的应用

高文远，贾伟，肖培根(1．天津大学药物科学与技术学院，天津300072；2．上海交通大学药学院，上海200030；3．中国医学科学院中国协和医科大学药用植物研究所，北京100094) 中国中药杂志 2003年第1位中国人杨立伟走向太空，标志着我国的空间技术进入了一个新的发展阶段。中药现代化需要各种先进技术的应用，空间技术也不例外。充分利用空间技术的先进手段，促进中药的主要原料—药用植物发展的研究，是当今生药学家的重要使命之一。作者分析了国内外空间植物学的发展现状，并对如何利用我国空间技术快速发展的契机，加强空间药用植物学的研究进行了讨论。 l国外空间植物学的发展现状 国外空间植物学研究最好的是美国和俄罗斯。目前已经由传统的利用空间条件进行育种的阶段发展到植物生长与人类空间生存一体化研究阶段，探讨植物在太空环境下的气体交换和代谢规律以及研制适宜植物太空生长的设施是目前的热点。 1986~001年，在MIR轨道空间站(MIR orbital station，0s)上科学家们进行了一系列实验。第1个SVET太空温室(space greenhouse，SG)具有1 000 cm2的生长室，能提供充足的光照，具有2个宽大的窗口，从窗口可以进行播种、观察和取样。1990年9G被安置在MIR OS上，同年7～8月第1次长达2个月的太空植物生长实验成功实施。实验材料为萝卜菜，第1次萝卜的根在微重力条件下进行了生长。1994年，美国国家航天局与俄罗斯国家航天局签署了合作协议。1995年在Utah洲立大学研制了气体交换测量系统(gas exchange measurement system，GEMS)并被安装到了sG上。GEMS能够测定C02，H20和02的水平，从而测算植物的光合作用和呼吸代谢。1995—1997年，一系列命名为温室 (greenhouse，GH)的实验得到了实施。实验GH 2a于1995年实施，小麦Super Dwarf进行了无性生长L5J。GH 2b实验分2个阶段实施，第1个阶段历时123 d，得到了297枚麦穗，但这些麦穗全是不育的，原因是仓内环境中乙烯的污染。第2阶段经历了42 d，GEMS能够准确地对数据进行检测并计算HJ。 1997年，另一种植物Brassicarapa被用来进行实验(GH 3)，它的生长周期短，第1次成功地实现了从种子到种子的循环，且进行了3代植物的生长与收获。1998—1999年，实施了GH 4和GH 5 2个实验。GH 4实验中，12株Apogee小麦产生了500多粒种子。GH 5实验中，10粒太空Apogee小麦种子在太空进行了又一次种植，其中1粒产生了第2代太空种子．GH 4和GH 5实验运回地面的种子能够正常地萌发并生长。MIR0s 2001年回收坠人大西洋前，实验GH6于2000年成功实施，采用的是4种Brassica属植物。上述实验表明，植物在微重力条件下可以生长，但微重力对太空种子第2—3代生长具有影响。2001年，1个新的植物生长设备ADVANCED AS3~OCULTLrRE被安置在新的空间站ISS(the new international space station)上，ISS具有486 cm2的生长面积，将用于今后15—20年内的空间植物学实验。2001年5~7月，第1次长达8周的实验以植物Arabidopsis thaliana为材料进行，其种子已经运回了地面。目前，植物太空生长设备的研制是美国、俄罗斯、意大利、保加利亚以及日本等国研究的热点项目。已经研制了一种名为LADA的设备，具有2个生长室，但体积比SVET SG小。在设备研制时，要考虑太空特有的真空环境、剧烈的温度变化、以及由于星系射线等产生的等离子体等的影响，多种技术的集成是非常重要的。 空间环境对植物生长发育和代谢影响的报道较多。 Heyenga等[’]研制了一种营养装置，并将放射性核素(radionu-elides)iron-59和calcium-45加入到培养基中，结果发现Catha-ranthus rouseus植物的空间飞行组和地面对照组对这两种核素的吸收和分布结果相似。以lpomoea。batatas和Hordeum vul gore 2种材料开展的实验表明，当重力从1．0 g下降到0．01 g时，叶片的净光合速率下降13％。小麦空间飞行10 d，发现空间飞行组的细胞壁结构和木质素的含量和组成与地面组相似，但微重力对细胞壁生物聚合物的合成和纤维素微纤维的沉积具有一定的影响。大豆和马铃薯太空飞行16 d后，块茎中小型淀粉粒的数量比地面对照组多。两种植物飞行组淀粉粒的直径与地面对照组平均小20％一50％。飞行组大豆子叶中的淀粉(77±6)％被降解，而地面组有(58± 12)％的淀粉被降解；飞行组组织中直链淀粉的含量较高I．10J。进一步的研究表明，乙烯对淀粉代谢的影响似乎大于微重力的影响。 2我国空间植物学研究的现状 我国空间植物学的研究始于1987年。返回的植物种子具有生长发育的能力，并产生了多种形态变异；返回的微生物菌种和昆虫卵部分成活，并有变异。到目前为止，我国已经先后进行了近10次300多项的植物材料的卫星搭载和高空气球搭载植物材料的实验。搭载的材料主要为农作物，目标主要是育种。 已经培育出了一些作物的新品种。如：水稻的空间育种，已经获得了比原品种增产20％的丰产优质品系。诱变后代具有变异类型多、变异频率高、特殊变异体、育种周期短等特点[13]。利用卫星搭载育出了春小麦优良突变系丰龙辐95—4534和96-3601以及优质丰产的青椒新品系卫星87-2。利用卫星搭载红豆，培育出了大粒突变品系。绿豆种子搭载返回式卫星后，经筛选得到基本稳定的长荚型突变品系，其荚长16 cm左右，每荚内的种子粒数为15—19粒。利用返回式卫星搭载番茄种子，获得了优良的新品系TF’873 L16j。通过返回式卫星搭载甜椒的育种研究，获得了优良薪品系太空椒87-2，该椒具有果型大、维生素c含量高、早熟、抗病虫害等优良特性k17J。 除空间育种的研究外，对植物材料空间飞行后产生的生物学效应也进行了较为深入的研究。如大麦和小麦空间飞行后的种子，在花粉母细胞减数分裂过程中，当代出现更多的染色体桥和落后的染色体n引。水稻干种子卫星搭载后，其分蘖数、穗长、穗粒数等农艺性状发生了一定的变异。春大豆搭载“神州l号”飞船的品种的发芽势增强了30％一 40％，SPl代全生育期缩短了2—3 d，株高下降了7．7—9．9 cm。番茄空间飞行后可以提高种子及幼苗体内活性氧防御酶系统的活性、增强种子的抗氧化能力。RAPD实验表明，绿豆和水稻空间飞行后产生的突变系在DNA水平上发生了变异。对甜椒卫星搭载培育品系87-2与对照进行 RAPD分子检测，从42个随机引物中筛选出4个在扩增物上有差异[2l_。对卫星搭载回收的水稻品种“特籼占13”种子种植后选育出的5个突变株的后代进行了DNA多态性分析，发现变异植株与原种之间均存在着不同程度的微卫星多态性。 可以看出，我国的空间植物学的研究与国外相比，总体上还处于起始阶段。受卫星等载体的限制，植物材料的太空飞行时间较短，实验的重复较为困难。大多是搭载植物材料的种子，返回地面后再与地面材料对照进行比较研究。实验的目的多在空间育种方面，对返回地面的材料进行了较为深入的生长发育、生理生化、遗传变异等基础研究。另外，关于植物搭载设备的研究还比较薄弱，植物的种子多是放在密封的有机玻璃或塑料管内，或缝在布袋里，捆扎在加收仓内。植物在太空生长方面的研究还处于空白状态。 3我国空间药用植物学研究的现状 我国空间药用植物学的研究，主要是国防科工委航天医学研究所与中国医学科学院药用植物研究所受国家自然科学基金资助，在20世纪90年代做了一些工作。搭载的药用植物包括桔梗Platycodon grandi~rum、红花Caahamm tincto—rius、藿香Agastache rugosa、甘草Cgyeyrrhiza uralensis、洋金花 Datura innoxia等。这项工作的先进之处在于国防科工委航天医学研究所研制了1个小型的生物舱(DM一11)，舱内由超氧化钾自行供氧，自动平衡养分压在(±10％以内)。舱内还有重力模拟装置。种子与核径迹探测器一起复合构成生物叠，放人小型生物舱内进行空间飞行。飞行结束后经仪器检测可以发现种子被太空射线击中的程度。 搭载的材料经检测后分为微重力组和射线击中组，与地面对照组一起种于中国医学科学院药用植物研究所的试验田中进行了一系列对比实验。大多数搭载材料与地面对照组相比，其发芽势等有一定的区别。藿香空间飞行的研究结果表明，微重力组材料的过氧化物酶活性和蛋白质含量与地面对照组接近，略低于地面对照组；射线击中组材料的过氧化物酶活性和蛋白质含量明显高于地面对照组；地面组材料的过氧化物酶和酯酶的电泳图谱与微重力组相似，而与射线击中组有所区别。对洋金花的空间飞行实验结果表明，微重力组材料的过氧化物酶活性和蛋白质含量低于地面对照组；射线击中组材料的过氧化物酶活性和蛋白质含量高于地面对照组；3组材料的过氧化物酶和酯酶的电泳图谱基本相同。可见不同的药用植物对空间环境的反应不同。采用随机多态性DNA分子标记技术对空间飞行后得到的3组洋金花材料进行研究，从65个供试引物中筛选出15个能够产生可重复多态性扩增产物的引物；与地面对照组相比，微重力组的基因组多态性的频率为23．1％，射线击中组的基因组多态性的频率24．4％。甘草空间飞行实验的研究结果表明，微重力组和射线击中组材料的过氧化物酶活性和可溶性蛋白质含量明显高于地面对照组材料，而且射线击中组材料的过氧化物酶活性和可溶性蛋白质含量又明显高于微重力组材料。随机多态性DNA分子标记技术的实验结果表明，地面对照组、微重力组和射线击中组三者之间具有明显区别的RAPD图谱。从65个供试引物中筛选出19个能够产生可重复多态性扩增产物的引物，其中微重力组和射线击中组分别产生了66和78条多态性片段L27]。这些结果表明，空间环境对药用植物的基因组有一定的影响。采用电子显微镜手段，观察了甘草、桔梗、红花、藿香等材料空间飞行后超微结构的变化，结果发现不同的药用植物材料对空间环境的反应不同，叶绿体的基粒片层和其中的淀粉粒较其他细胞部位变化明显。 此外，药用植物的空间实验也有一些零星的报道，如 DNA分子标记技术AFLP(amplified fragment length polymor-phism)的实验结果表明，天麻C．anodenna luc／dum飞行组材料和地面组对照组材料之间具有基因组多态性。鸡冠花 Gelosia cristata是一种具有活血功能的药用植物，研究表明这和其花序中含有的黄酮类化合物有关。采用高空气球搭载实验鸡冠花的两个品种，发现高空环境诱变处理对鸡冠花花序中黄酮类化合物合成产生了显著效应。高空飞行的2个品种鸡冠花花序黄酮醇总量分别比对照组提高了90．04％和 142.02％。 4讨论 从以上的论述可以看出，我国的空间技术在药用植物上的应用与其他植物相比，尽管数量相对较少，但特色和优势较明显。首先，研制了小型生物舱，舱内由化学方法自行供氧，维持一定的氧分压，舱内还可以根据需要提供一定的重力。搭载的种子能够与核径迹检测器一起复合构成生物叠，种子太空飞行返回地面后可以通过仪器检测将种子区分成微重力组和太空射线击中组。其次，药用植物空问飞行后的实验研究内容从发芽与生长，到同工酶与蛋白质，并用DNA分子标记技术(RAPD，AFLP)探讨了空间环境对药用植物基因组的影响；同时，还通过电子显微镜技术观察了空间环境对药用植物超微结构的影响。另外，药用植物高空飞行后活性成分变化的研究也有所涉及。但与其他植物特别是作物和蔬菜的空间生物学研究相比存在着明显的缺陷，主要体现在遗传育种方面的研究明显不足，对性状遗传稳定性的研究未能一代一代地跟踪研究，且未能在品种选育方面深入系统的研究下去。此外，对药用植物空间环境处理后有效成分变化规律的研究太少，而这正是药用植物区别于普通植物的关键所在。这些是在未来的空间药用植物学研究时应当汲取的经验与教训。 空间环境对药用植物的影响因素主要包括：①微重力；②重离子辐射；③超真空与超净环境；④太阳辐射变化引起的剧烈的温度变化；⑤其他星体的特殊的气体环境。这些因素是地球上没有的，充分利用这些太空特有环境，培育药用植物新品种，探讨药用植物的代谢规律，具有十分重要的意义。对于空间环境因素对药用植物影响的探讨，不应当仅仅限于笼统的太空种子搭载与飞行，应当在现有工作的基础上，研制更加科学的搭载舱等设备，以便于更加科学与精细地探讨空间环境因素的影响。 对于空间环境影响药用植物的研究，要有与时俱进的思想。未来世界谁掌握太空，谁就有更多的主动权。因此，我国必然会加快对外空探索的步伐，成为空间科学大国。随着我国对太空认识的深入，载人航天器的不断发展与更新，会为药用植物的空间科学研究提供更为良好的实验环境，应当充分抓住这一机遇，开展空间药用植物学的研究。建议国家中医药管理局成立相应的部门，与国家航空与航天政府部门合作，统一领导这方面的科学研究。不应当仅仅想到利用航天器来研究空间环境对药用植物的影响，还应当考虑到药用植物在未来航天载人飞行过程中的生命支持系统中应当发挥的作用。一方面要研究空间飞行与活体药用植物之间的相互关系，另一方面还应当充分发挥我国中医药的优势，探讨中药在宇航员飞行过程中的保健作用。我们相信，两方面的研究都会产生我国拥有自主知识产权的成果，为中药现代化做出贡献。

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