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  • 药用植物育种研究进展

  • 来源:《现代中药研究与实践》 作者:杨春霞等 时间:2008-11-27 08:47:25
  • 核心提示: 药用植物资源是中药材的主要来源,无论是发展中国家还是发达国家,植物药的使用都在不断增加,在使用的50 000种药用植物中大约有2/3来源于野生品种。但是,由于过量采挖,野生药用植物的种类日益减少。因此,药用植物的栽
            药用植物资源是中药材的主要来源,无论是发展中国家还是发达国家,植物药的使用都在不断增加,在使用的50 000种药用植物中大约有2/3来源于野生品种。但是,由于过量采挖,野生药用植物的种类日益减少。因此,药用植物的栽培驯化与育种是中药材发展的必然趋势。近年中草药的种植生产中,多沿用地方老品种,这虽然在一定程度上可保持药材的地道性,但往往产量低、质量差,有些药材人工繁殖困难,这些都影响了种植效益。随着中药材高效种植体系的发展和产业化水平的提高,中药材品种逐渐成为生产上的主要限制因素,因此近年来国内外逐步开始中草药育种及育种技术的研究发展迅速。本文探讨药用植物育种研究进展与发展趋势,并对今后育种方向进行了展望。
    1.常规育种
            常规育种(traditional breeding)是指原生质体、细胞、组织、器官、个体等水平上的育种。常规育种方法主要包括选择育种、杂交育种(又称组合育种或重组育种)、物理及化学诱变育种、离体组织培养育种(包括花药及花粉单倍体育种、原生质体融合或体细胞杂交等)、多倍体育种。同其他植物育种一样,常规育种是目前药用植物育种所采取的主要方法。
    1.1选择育种(selection breeding)是利用现有品种在繁殖过程中产生变异或与原来性状表现出显著区别的现象,经过选择鉴定而成为新的品种。选择育种是常规育种的主要手段,在药用植物中应用广泛。徐昭玺等选择出近3000株优良人参,经连续四代自交纯化,淘汰不良单株和株系,并进行品系比较,培育出了我国第一个边条人参新品种边条1号。中药材枳壳(Citrus aurantium L.)的育种,目前主要是运用选择育种的方法来培育新品种。朱培林等对江枳壳6个类型的形态特征、生长发育适应性和结果能力、药材主要药用成分含量进行了比较研究,表明江枳壳类型间有明显区别,通过选择类型是取得需要目的优良品系的有效途径;同时研究发现枳壳单株间的生长结实和药材药用成分含量差异明显,通过选优和无性繁殖可以迅速选育利用枳壳优良品系。此外,在木瓜、益母草、附子、人参、薯蓣等药用植物中的选择育种也取得了较好的效果。但选择育种周期较长、选择范围有限等缺点成为限制其发展的主要因素。
    1.2杂交育种(cross breeding)是将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起,再经过选择和培育,获得新品种的方法。该方法因能集中位于不同品种中的优良性状,而成为动植物育种的当家技术,在药用植物育种上也应用成效显著。李润淮等将野生枸杞与栽培枸杞杂交,成功培育出菜用枸杞新品种“宁杞菜1号”。江苏海门地区用薄荷的68-7和409两个品种,采用杂交方法育成薄荷新品种“海香1号”,兼有双亲的生长旺和品质优的特点,每公顷产鲜草50 000kg,可得13-15kg薄荷油。吴才祥等采用天麻远缘杂交,培育出产量和质量上均高于亲本的新品种。该方法虽然受到众多育种学家的青睐,但其自身的缺点只能利用已有的基因组,并不能产生新的基因;且杂交进程缓慢,过程繁琐等成为其发展的最大阻碍。
    1.3诱变育种(mutation breeding)是利用物理或化学诱变剂处理目标植物,促进其突变率大幅度提高,然后采用简便、快速和高效的筛选方法,从中挑选少数符合育种目的的突变株,以供生产实践或科学研究之用。诱变育种可以提高变异频率,加速育种进程,大幅度地改良某些性状,但难以控制突变方向,无法将多个优良性状组合。
            辐射诱变是诱变育种常用的诱变技术,主要包括射线诱变、离子束诱变和空间诱变等。射线诱变技术中最常用的是γ射线,赵德修等和张美萍等利用60Co-γ射线照射水母雪莲和西洋参的愈伤组织,分别获得高产细胞系;利用60Co-γ射线对宁夏枸杞的胚性愈伤组织进行诱变,获得抗枸杞根腐病毒素的愈伤组织,其再生抗性植株经分析显示脯氨酸、叶绿素量都有所提高,过氧化物同工酶酶谱的带数增加。离子束研究近年来也较多,内蒙古大学离子柬生物工程重点实验室正开展以药用植物为对象,用离子束生物技术进行品种改良的系列研究,通过对黄芪、沙棘和麻黄初步试验结果表明,离子束注人药用植物种子可引起明显的生物效应,具有可喜的应用前景。
            空间诱变育种,也称航天育种,是航天技术与植物遗传育种技术相结合的产物,航空育种在某些药用植物中已有成功经验,可以提高药用植物的质量。高文远等对空间搭载藿香、洋金花、甘草的研究表明,藿香重力组材料的过氧化物酶活性和蛋白质量与地面对照组接近,而射线击中组则明显高于地面对照组。航空育种还会影响药用植物的分子生物学特性,对太空搭载的灵芝进行AFLP分析,结果表明飞行组材料与地面组及对照组材料之间具有基因组多态性。
    化学诱变育种在药用植物中的应用也较广泛,王仑山等用甲基磺酸乙酯EMS处理枸杞愈伤组织,处理后将其接入含有1.0%NaCl的诱导培养基上,选出了耐1.0%NaCl的愈伤组织变异体。将辐射诱变和化学诱变结合起来能发挥各自的特异性,起到提高突变频率或减缓损伤获得修复的功效。如γ射线与甲基磺酸乙酯(EMS)综合处理三叶木通种芽,能产生早实变异和早熟变异。黄建昌等研究表明, GA3处理可有效减轻60Co-γ射线对番木瓜的辐射损伤。
    1.4植物组织培养(Plant Tissue Culture)是一种将自然环境中分离出来的植物细胞或组织放入含有合成培养基的瓶中,在无菌条件下使之生长或发育的方法。组织培养不受地区、季节、气候、有害生物等条件的限制,便于工厂化和规模化生产,一般较正常自然条件下生长速度快,有利于种苗的快速繁殖或直接生产药物。组织培养可以加速药用植物快速繁殖,利用叶片、花药、茎端、下胚轴和幼嫩子房、叶柄等外植体进行组织培养均获得再生植株。肖省娥利用广藿香的根尖、叶片、带节茎段及茎段为材料进行培养比较,发现叶片及带节茎段较易诱导愈伤组织,诱导率均为87.0%以上。谈献和等用太子参的茎尖做外植体,获得完整植株。细胞悬浮培养也是获得植物再生的一种重要手段。曹有龙分别用枸杞花药、髓组织进行组培,分离出单细胞,通过悬浮培养获得再生植株。胡博然以枸杞成熟胚为外植体,进行单细胞分离悬浮培养,诱导形成完整植株,从而建立了枸杞单细胞实验体系。
            原生质体培养可以筛选有效成分高产细胞系,高产细胞系进一步诱导获得的再生植株;还可以通过融合获得杂种细胞,创造新种或优良品种。 Fujita等利用原生质体培养,筛选出15个紫草宁高产细胞系,其最高活性为亲本的两倍,且在继代培养中稳定表达。魏小勇等将铁皮石斛与绞股蓝原生质体杂交融合,分离得到了高产量、活力强、纯度高的铁皮石斛及绞股蓝叶肉原生质体,融合获得了有活力的杂种细胞。
    1.5多倍体育种由于染色体的加倍,根、茎、叶、花、果实常表现出“巨型性”增大,有利于增加药用植物收获器官产量和提高药用活性成份含量,多倍体也常有较强的抗性和生态适应性。多倍体的人工诱导方法主要有物理方法和化学方法,其中药用植物育种中最常用的诱导剂是秋水仙素。
            秋水仙素诱导的方式包括实体处理加倍法和离体处理加倍法,实体处理加倍法是直接对种子或在整个植株上进行处理。陈发隶等报道用秋水仙素溶液直接浸泡菊花脑种子诱导多倍体,0.5g/L的秋水仙素溶液处理48h,获得了较好的效果,诱导率高达83.1%。但由于实体加倍法获得加倍植株的成功几率很小,并且多为嵌合体,往往不能稳定遗传,而且受环境干扰大,并且可能产生回复突,故实体处理法没有普及。离体处理加倍法是对植株某一离体部分,如顶芽、腋芽、茎等外植体进行秋水仙素处理,再进行组织培养的方法。离体条件下利用愈伤组织块诱导多倍体是药用植物倍性育种的一条有效途径。王强等研究发现,川贝母愈伤组织在培养基中添加一定浓度的秋水仙素处理一段时间,或经一定浓度的秋水仙素浸泡一段时间后再培养,均可诱发川贝母多倍体的产生。李运合等将叶薯蓣的愈伤组织经秋水仙素水溶液处理,获得了染色体数加倍、体型大、具生长优势明显的四倍体材料。
    2分子育种
            分子育种(molecular breedin则是借助分子生物学手段,是分子水平的育种,是在分子水平上改良植物的遗传物质。分子育种目前可分为基因工程育种(genetic engineering breeding)和分子标记辅助育种(molecule marker-assisted breeding)。
    2.1基因工程育种在药用植物中,直接操纵 DNA序列来改变基因表达是一个比较成熟的发展领域。如果某一性状是有一个或少数几个基因控制的,那么它就可以被修饰。尽管在药用植物上,性状修饰的主要目的是活性物的含量,但对于像农作物的一些性状(如均一、稳定、生长、发育及对生物和非生物胁迫的抗性)也必须得到提高。通过基因工程的手段来提高药用植物农艺性状的研究目前还比较少,在西洋参基因组中引入编码几丁质酶基因或与甜味蛋白相似的抗菌基因,成功地育成抗真菌病毒的西洋参品种。贺红等人成功地建立了农杆菌介导的绿叶枳壳转化系统,进行枳壳抗病育种
            通过操纵药用植物的合成途径来生产药物前体、养料成分或杀虫剂的方法已经引起了人们的广泛兴趣,薄荷的生物合成途径已经被开展,提高了发状根里香精油的产量,增强了植物对真菌侵染和非生物胁迫的抗性。近年来,导人某些控制药物合成的关键因子来提高其产量的研究也有开展。 Yun等通过导入来自黑莨菪干叶的编码天仙子胺6-β-羟化酶基因,提高了颠茄中黑莨碱的含量。细菌介导的遗传转化系统已经广泛地应用于提高药用植物。对于大多数植物来说,由组织再生为整个植株的问题已经被克服,这为基因工程育种提供了有利的条件,但一些重要品种仍然存在这个问题,特别是银杏。
    2.2分子标记辅助育种(molecule marker assisted breeding)是利用分子遗传标记,借助于目标基因紧密连锁的遗传标记的基因型分析,鉴定分离群体中含有目标基因的个体,从而提高了选择效率,减少了盲目性,加速了育种进程。目前常用于植物基因组分析的分子标记有RFLP(restriction frag-ment length polymorphism,限制性片段长度多态性)、 RAPD(random amplifled polymorphic DNA,随机扩增多态性DNA)、AFLP(amplified fragment length polymorphism,扩增片段长度多态性)、SSR(simple sequence repeat,简单重复序列)等。
    分子标记辅助选择因具有标记位点丰富、不受环境影响、快速、准确、适应性广等特点,故广泛应用于植物育种。分子辅助选择育种在药用植物中主要应用于种质资源鉴定。通过ISSR、RAPD等分子遗传标记技术,构建重要药用植物遗传连锁图,研究药用植物的指纹图谱,从野生型中筛选优良品种。邱英雄等对7个野生群体的明党参和1个栽培群体的川明参进行ISSR遗传多样性和遗传结构分析,结果表明,明党参群体水平的遗传多样性高于川明参群体。左云娟等采用ISSR技术对不同产地的枳壳品种进行分析,为筛选枳壳优良品种提供了参考。陈京荔等采用RAPD技术对地黄不同品种的遗传多样性和亲缘关系进行了分析,把19个地黄品种分为4个类型,为育种和保护地黄种质资源提供依据。此外,RAPD分子遗传标记技术在百合、人参、防风的种质资源的鉴定上也有应用。分子标记辅助选择在药用植物亲本选择、检测育种过程等方面均有应用。
    3常规育种与分子育种的关系
            常规育种是长期实践、最可靠的育种方法,但常规育种由于育种周期长、效率低、预见性差等缺点,致使其发展缓慢,逐渐产生了分子育种。
    分子育种虽然有周期短、见效快等特点,但也有其自身的局限性,如基因工程育种中的转化效率低、外源基因的调控难度大及不稳定性,分子标记辅助育种中的成本高、技术体系有待进一步完善等。因此常规育种必须与分子育种紧密结合、相辅相成、互相促进,将常规育种和分子育种方法有机结合,互相弥补。
    4展望
            随着药用植物越来越受到人们的重视,在药用植物育种中出现的资源紧缺、真伪难辨、珍稀品种濒危等问题,育种学家会研究出更多、更新的手段来解决这些问题。在分子生物学快速发展的今天,以分子育种为辅助手段,结合常规育种,培育出许多疗效更好、毒副作用更小及产量和质量更高的中药材优良品种。

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