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  • 组织化学在药用植物研究中的应用

  • 来源:《现代中药》 作者:郑艳 徐珞珊 王峥涛 时间:2007-07-24 17:11:14
  • 核心提示: 自1830年比利时植物学家Raspail发表《在生理学中使用显微镜观察化学物质》一文开始,组织化学就以快捷、灵敏、操作简便等诸多优点引起了研究者们的广泛关注并被运用于医药学、生物学等众多领域。1组织化学及其简要

        1830年比利时植物学家Raspail发表《在生理学中使用显微镜观察化学物质》一文开始,组织化学就以快捷、灵敏、操作简便等诸多优点引起了研究者们的广泛关注并被运用于医药学、生物学等众多领域。

    1组织化学及其简要发展阶段

        建立在形态学基础之上的组织化学属边缘科学范畴,是研究细胞和组织中的化学组成、定位与定量以及代谢状态的科学,其根本的目的是联系形态、化学成分、功能来了解细胞或组织的代谢变化。组织化学的研究方法主要有化学方法、类化学方法、物理学方法、显微烧灰法等。随着科学技术的发展,一些先进的仪器设备,如激光共聚焦显微镜、原子力学显微镜等也渗透到组织化学的研究中。在经历了解释生物界中生理现象的生理组织学阶段后,组织化学进入到显微化学阶段,现今又步人到酶组织化学、电镜组织化学、定量组织化学和免疫组织化学等阶段。

    2         组织化学在药用植物研究中的意义和方法

        化学成分是药材防病与治病的物质基础,而这些成分是贮藏在特定的组织和细胞结构之中。中草药包括植物药、动物药和矿物药三类药材,其中植物药占到中草药资源的约百分之八十。因此,运用组织化学方法,明确药用植物的药用部位的组织结构,研究药用成分及其积累与药用植物的结构、发育等的关系,具有十分重要的理论与实践意义。

        显微化学方法是目前药用植物研究中最常见的方法之一,它通过特定的化学试剂作用于药材粉末或切片,在显微镜下观察后明确研究对象的物质成分或确定某化学成分(特别是药用有效成分)在器官、组织和细胞中的细微含量、存在部位及分布状态。通常用问苯三酚一盐酸(或硫酸)反应、苯胺反应、氯化锌反应、氯化锌碘反应、氢碘酸反应与碘液硫酸反应来鉴定木化,木栓化,角质化,纤维素化或半纤维素化的细胞壁;对淀粉粒、不同的黏液质、蛋白质和糊粉粒、菊糖、鞣质、草酸钙与碳酸钙结晶等可采用碘反应、苏丹红与紫草反应、钌红反应、亚甲兰反应、刚果红反应、三硝基苯酚反应、高铁酸反应、钨酸钠反应、a一萘酚反应、麝香草酚反应、稀醋酸或稀盐酸等反应进行鉴别;对树脂和挥发油类可选择醋酸铜反应、察列夫斯基反应以及染色法、盐酸升华法和蒸发法等进行鉴定。原位杂交组织化学( in situ hybridization histochemistryISHH)是指应用已知碱基顺序并带有标记物的核酸探针与组织、细胞中待测的核酸按碱基配对的原则进行特异性结合形成杂交体,再应用与标记物相应的检测系统,通过组织化学或免疫组织化学方法在核酸原有的位置进行细胞定位,从而提供了在分子水平上研究细胞内基因表达及有关因素的调控的工具。目前,这一技术也被运用于药用植物的研究中。

    3         组织化学在药用植物研究中的实例枚举   

    迄今为止,组织化学方法在糖类、蛋白质、脂类、树脂和挥发油、分泌物、色素、细胞壁、苷类、鞣质、无机盐等物质的鉴定上日趋完善,并在药用植物的研究中得到成功运用。已见报道的如:名越规郎运用显微化学法于柴胡的生药学研究之中;姜荣兰纠将显微化学反应应用于穿心莲组织结构的观察;王美玉对黄芪与铁皮黄芪进行了组织化学研究;张振珏用组织化学的方法研究了益智胚珠中珠心冠原与承珠盘细胞壁的组成,比较了两种苦丁茶代用品叶结构和后含物与正品的异同;金泽鑫用显微化学方法对十八种皂甙类药材进行鉴别;鲁高莲等用碘化汞钾处理黄连根茎,研究了其中小檗碱的积累规律;廖景平等进行了九翅豆蔻种子的解剖学和组织化学研究;吴七根等进行了砂仁种子的解剖学和组织化学研究;吕洪飞等研究了元宝草的分泌结构与其次生产物;李兴国等以PAS(高碘酸一希夫试剂)TBO(甲苯胺蓝.0pH 44pH 90)ABB(苯胺蓝黑)染色,对十字花科重要的药用植物菘蓝花药和花粉的发育过程进行了半薄切片观察;蔡霞等研究了青藤与毛青藤茎中青藤碱的积累;刘文哲等用组织化学的方法研究了大黄根茎中蒽醌类化合物的组织学定位,并通过组织培养筛选高含量喜树碱细胞系;胡正海等研究了芦荟属植物叶的结构与蒽醌类物质的关系;沈宗根等对芦荟属植物叶进行了解剖学、组织化学和植物化学的研究。吕洪飞等对金丝桃属植物叶中分泌结构进行了比较解剖学研究。宋玉霞等利用PAS法进行可溶性糖鉴定、碘.碘化钾溶液作淀粉染色鉴定、汞-溴酚兰法作蛋白质染色鉴定、FeCl3法作单宁染色鉴定,对根寄生药用沙生寄生植物肉苁蓉和锁阳进行了寄主、外部形态、内部结构、组织化学等方面的比较研究。林如等研究了绞股蓝积累人参皂苷的组织结构及其叶、茎、根内人参皂苷积累的部位,为合理采收和保护药用资源提供了依据。王太霞等研究了芦荟维管束的结构与芦荟素积累的相关性。曹玉芳等对盾叶薯蓣的根状茎进行了发育解剖学和组织化学研究,并对其实生苗的形态发生和薯蓣皂甙的积累进行了研究。吕洪飞等进行了贯叶金丝桃不同器官的分泌细胞团分布密度与金丝桃素含量的相关性研究。冯承浩等研究了广藿香药用部位成熟结构及有效成分的分布、广藿香叶的发育及不同发育期挥发油的分布。乔琦等研究了山茱萸核果的解剖结构并进行了组织化学定位。贺红等采用组织化学染色法检测了GUS的活性。Davies K L等用光学显微镜技术、透射电子显微镜技术以及组织化学方法研究了、Oendrobium unicum Seidenf.唇瓣上的簇毛(又称之为拟花粉pseudopollen)是否贮藏了养分以作为可能的()授粉器,抑或这些簇毛并不具备养分而仅仅是吸引昆虫而已。刘世彪等用组织化学的方法对绞股蓝及绞股蓝龙须茶中的人参皂苷进行了定位及含量变化的研究。唐源江等利用氯化汞.溴酚蓝鉴定蛋白质、高碘酸一锡夫试剂鉴定多糖、碘.碘化钾鉴定淀粉、苏丹黑B鉴定脂类物质,对姜目姜群的种子进行了解剖学和组织化学的研究,并在此基础上讨论了姜群4科之间的系统学关系。郑艳等利用激光共聚焦显微技术对开花前期的球花石斛进行了根和茎中香豆素类有效成分的相对定位与定量研究[44,45]。王健等利用光学显微镜,紫外分光光度计和傅立叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopyFT—IR)对不同小麦品种茎秆的形态、解剖特征和细胞壁化学组分与茎秆抗压强度相关关系进行研究。吕正检等就原子力显微镜这种先进的物理的组织化学技术手段在药学研究中的进行了综述,并就在纳米层面上原子力显微镜在药用植物研究中的前景进行了讨论和分析。

    综上所述,已报道的药用植物的组织化学研究大致包括药用植物或者药用部位的器官、组织或细胞结构及其化学成分的定性;药用成分在药用植物不同的生长发育时期的定位与定量研究;易混药材的鉴别等等。所涉及的植物种类和药用化学类型十分的广泛,尤其人参、大黄、芦荟等植物以及含皂苷类、蒽醌类、生物碱类等化学成分的植物研究则更多。

    4激光共聚焦显微技术及其在药用植物研究中的应用

    激光共聚焦显微技术(Laser scanning confocalmicroscopyLSCM)是一种新型的物理的组织化学方法,其灵活性、实用性、精确性均远远超过了光学显微镜和电子显微镜,目前已在生物、医药、化工等许多领域得到应用。

    早在1957年,Marvin Minsky就提出了有关共聚焦显微镜的某些技术原理并获得美国专利。1984年美国Bio-Rad公司推出了世界上第一台扫描方式为台阶式扫描、型号为SOM-100的共聚焦显微镜商品;直到1987年,现在通常意义上的第一代激光扫描共聚焦显微镜诞生(Light scanning confocal micro—scopeLSCM)WhiteAmos在英国Nature杂志上发表的”Confocal Microscopy Comes 0f Age”一文则标志着利用物理方法研究组织化学的激光共聚焦技术已成为现代科学研究的重要工具。时至今日,激光共聚焦显微技术发展迅速。利用这种新型的高精度显微镜,使用可激发的荧光探针对样品进行标记后再利用计算机进行图像采集处理,不仅可以观察经固定的各种细胞和组织结构,还可对活细胞的形态、结构、离子的实时动态等进行观察和定量荧光测定以及定量图像分析。许多荧光染料可以聚集在细胞的某些特定结构上,而基本不影响细胞的活性;而这一特性可以反映出细胞受到刺激后形态或功能的改变。共聚焦显微镜利用荧光染料(不同的结构可采用各自特异性的荧光染料或探针,有些荧光染料甚至可以对活细胞进行非创伤性的染色),在形态和功能两个方面为各学科的研究提供了崭新技术手段。陈耀文等叙述了激光扫描共聚焦显微镜的光学原理,并以花粉粒为例,利用LSCM技术对生物组织进行连续光学切片后实施断层扫描,重建花粉的三维结构,最后获得了可沿xYz轴旋转或其它任意角度显示的高分辨率的三维原色图像。任海云等研究了低能氮离子的注入对百合花粉萌发率及花粉萌发过程中微丝骨架结构的影响;结果表明注入低能氮离子可以显著提高花粉萌发率,并推测这种萌发率的改变可能是通过影响微丝骨架的结构实现的。尚忠林等,-以百合花粉为材料,在利用孵育法在花粉原生质体中、特别是利用低温装载法在完整花粉粒中成功地载人酯化形式的钙离子荧光探针fluo-3 AM后,利用激光共聚焦技术研究了花粉细胞质中游离的钙离子分布。JL Zhao利用荧光标记和激光共聚焦技术研究了Cucumis sativus L.的根尖细胞微管在低温冷藏时的稳定性;经4℃低温处理5 h,根尖质膜处的微管和胞质中的微管均可能与细胞器中的微管相连,当贮藏在正常生长的温度(28℃)时,微管的复原可能与经冷藏处理的细胞中微管密切相关。

    中药材基源与品种繁多,所含化学成分复杂。李隆云论述了荧光分析原理和中药材的荧光特性,阐述了荧光标记分析在中药中的应用概况。周仰青等介绍了人参等80种中药材的荧光试验鉴别法。我们还可以利用中药的某些成分直接或间接地加上某种染剂后使之在常光或紫外光下产生荧光。同时,随着共聚焦技术的发展,在对固定的死细胞与组织切片显色的静态观察的基础上,对活的有生命组织进行动态观察,由单纯的形态定位转为结构与功能的结合研究。因此,可以预见,利用激光共聚焦显微技术这种物理的组织化学方法来研究药用植物,其前景十分乐观。

     

     

     

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