我国药用植物育种的现状与发展前景

我国药用植物育种的现状与发展前景

日期：2009-05-27 作者：高山林来源：《中国农业信息》

摘要：药用植物是中医药事业的原材料，其质量的优劣直接影响中药系列产品的质量和疗效。药用植物的遗传育种工作对提高中药材的产量和质量起着十分关键的作用，是重要的应用基础研究领域。是真正实现我国GAP药材标准化生产的前提和基础。药用植物的遗传和品种改良在国内外均已引起了有关方面的重视。本文对目前药用植物遗传育种的现状和国内外已经取得的工作成果进行了综述，尤其对应用生物新技术进行药用植物育种的成果和今后的研究前景提出了展望和建议。

关键词：药用植物，遗传育种，中药现代化

中医药是我国民族医药的瑰宝，历史悠久,疗效确切,越来越受到世界各国的重视，目前，随着全球人民生活水平的提高和对回归大自然呼声的日益增长，人民对天然药物的向往和需求越来越强烈和迫切。加上目前大部分化学药物都具有一定的毒副作用，对人类的健康产生较大的潜在影响和威胁，而天然药物往往具有确切而稳定的疗效和保健功能，一般较少有毒副作用；因此各国政府和人民越来越多地把健康和保健寄托在天然药物上。近几年来，天然药物研究和开发的产品越来越多，产值正在快速增长。天然药物的原材料主要来自药用植物，因此深入进行药用植物的研究和开发将具有十分重要的意义。为了保证和不断提高药用植物的质量（尤其是有效化学成分的含量）和产量，药用植物的遗传研究和育种改良工作必将提到一个重要的议事日程：现就本人30年来从事药用植物遗传育种方面研究工作的体会、结合目前国内外药用植物遗传育种工作开展的情况和其应用发展前景，提出来进行商榷和探讨。

1 药用植物的特殊性和重要性

药用植物是一类具有特殊用途的经济植物，对人类健康具有重要的医疗和保健作用，尤其在我国，药用植物经过几千年的应用和发展，已经形成了具有悠久历史的传统中医药学，到目前为止，我国已报道应用的药用植物有11000种，中药材是我国药用植物的主要部分，有300多种，而常用的中药材有120多种，是我国中医药事业的原材料，其质量的优劣直接影响中药系列产品的质量和疗效。在中药材的研究和生产方面，药用植物的遗传育种工作是十分重要的应用基础研究。药用植物的品种改良工作在国外已引起了有关方面的重视，1983年联合国工业发展组织（UNIDO）在匈牙利召开的第二次世界药物生产研讨会上，各国专家一致呼吁：重视和加强药用植物的遗传改良工作。植物药在世界上需求量增长很快，而植物药主要分布在亚洲，非洲和拉丁美洲等地区的发展中国家，这些国家拥有极其丰富的药用植物资源，也是全人类的珍贵财产和宝库。因此,发展中国家有条件，也义不容辞地肩负着药用植物遗传资源

研究利用和品种改良工作。在药用植物品种改良方面，除了移植和应用农作物上传统应用的常规育种技术外，应积极应用现代生物技术和方法，进行诱发突变，多倍体育种，原生质体融合和重组DNA技术等，为此迫切需要建立药用植物遗传育种研究中心和重点实验室，组成世界范围的遗传改良合作网.1987年在西班牙召开了第三次世界药物生产讨论会上，专家们再次把药用植物遗传改良作为会议的专题之一进行了实质性的研讨，并建议尽快在第三世界建立药用植物遗传改良和生物技术中心。

药用植物的品种改良工作近几年也在国内也引起了有关部门和专家的重视，我国著名生药学家，院士徐国钧教授；著名药用植物学家，院士肖培根研究员都一致认为：药用植物资源的利用，正面临一场新的世界性技术革命，必然首先受到生物工程等先进技术飞跃发展的影响，科学家将会更多地采用染色体工程，细胞杂交技术，基因工程和组织培养等一系列生物技术先进手段，培育出许多疗效更好，毒副作用更小以及产量和质量都较目前传统生产药材高得多的中药材优良品种，在生产上推广应用，产生高的经济效益和更大的社会效益，造福于人类。

2 国内外药用植物遗传育种的现状和发展前景

植物药的研究和应用主要集中在亚洲，非洲和拉丁美洲等地区的发展中国家，这些国家具有应用药用植物的历史和民族习惯，同时大多拥有极其丰富的药用植物资源，是全人类的珍贵财产和宝库。因此在药用植物研究和开发上主要集中在日本、中国、印度、朝鲜、马来西亚、新加坡等东南亚以及非洲和拉丁美洲等地区。在药用植物遗传育种研究方面，根据目前的报道，主要集中在日本、中国和印度。日本十分重视药用植物的质量和品种改良工作，把药用植物的遗传研究、脱病毒技术和生物新技术育种作为药用植物研究工作的重要部分。日本育出的甘菊四倍体品种，其甘菊环酯含量是二倍体的1.2倍，花体积是二倍体的2.3倍，日本成功地进行了川芎茎尖脱毒培养，有效地解决了川芎易受病毒侵染造成大幅度减产的问题。我国中药材生产长期以来处于自由发展的状态,中药材的遗传育种和良种选育工作和各种农作物比，差距很大。尤其在药用植物有关性状和化学成分调控机理的遗传规律研究方面，几乎是空白。由于缺乏遗传基础研究工作，因此药用植物的育种工作不仅做得很少，而且主要停留在比较初步的阶段，主要移植和应用农作物上传统应用的常规育种技术，近十年来，随着生物技术的发展，药用植物的生物技术育种工作也取得了较大的进展，并且在生产上取得了较好的增产优质效果。

目前国内外药用植物育种和有关研究工作主要有以下四个方面

2.1 药用植物的系统选育工作

目前药用植物的大部分为野生，是一个自然形成的混杂群体，即使栽培品种也在长期的栽培过程中只种不选，产生了各种遗传变异类型，成为混杂的群体，因此采用农作物上传统应用的系统选育方法，往往可以取

得较好的效果。杭州药物试验场1968年从大田中根据单株形态的差异，从浙贝母中选出了“新岭一号”，其产量比原品种增加了11%。地黄品种内存在着各种变异类型，形成了6-8个不同的栽培品种，其中以“小黑英”产量最高（2）。蛔蒿采用单株选择，经过连续三年进行株选，最高含量达到5.8％，是最低含量的十倍之多。四川从栝楼品种中成功地选育出了长萼栝楼，其天花粉的产量比其他栝楼高十几倍。贵州铜仁县在吴茱萸品种中选育出了挥发油含量高和产量高的优良品种“米辣子”。1978年中国医学科学院药物研究所对各个省区引种在京的金荞麦进行了种内变异型的研究，发现“贵州１号”化学成分—缩合原色甙元含量比其他品种高近一倍。以上仅列举了部分药用植物系统选育工作所取得的成绩，其他在枳壳、木瓜、益母草、附子、人参、薯蓣等品种的选育工作都取得了较好的效果。

2.2 杂交育种工作

在农作物上杂交育种工作是十分有成效的育种方法。近20年来在世界掀起的绿色革命主要就是通过杂交育种培育出了水稻、小麦优良品种，取得了明显的增产效果，在药用植物上应用杂交育种同样是十分有成效的育种方法。江苏海门用薄荷的二个品系687和409杂交育成新品种“海香一号”，鲜草亩产3000公斤，精油薄荷脑含量可达85％以上。北京用地黄的不同品种杂交育成了“北京1号”和“北京2号“二个优良品种；大面积亩产平均鲜品700-1250公斤，高产田达到2000公斤，已经在北京大面积推广生产（7）。河南用金状元作父本，白状元作母本，育成了“金白一号”地黄新品种，有优质高产、抗逆早熟和块茎集中等优点，产量比当地金状元、狮子头、北京一号等都高。宁夏以圆果枸杞为父本，小麻叶枸杞为母本，杂交选育出了生长快，果实大、产量高和抗性好的大麻叶枸杞。我们中国药科大学遗传育种教研室采用河南金银花地方品种和山东金银花地方品种进行了杂交育种研究，经过鉴定和选育，获得了产量高，质量好的金银花杂交种，正在进行进一步选育，农艺性状鉴定和进行快速繁殖工作，以期尽快在生产上进行品比试验，示范和应用推广试验。

2.3 药用植物的人工诱变育种

药用植物的人工诱变育种也取得了较好的效果，山东用秋水仙碱处理牛膝萌芽种子，获得了染色体加倍的变异株，表现为根部肥大，木质化少，产量和质量显著提高，是一个优质高产的牛膝新品种。上海第二军医大学用秋水仙碱处理菘蓝萌芽种子和幼苗的顶端生长点，得到了四倍体植株，与二倍体植株相比，叶子宽大而厚实，茎杆粗壮。四倍体优良品种药材的产量比原品种提高25%，化学成分也有提高。目前正在生产中加速繁殖和大面积示范推广。北京用秋水仙碱处理薄荷的品种间杂种幼苗生长点，获得了多倍体，并选出了生长势强、茎杆粗壮，抗倒伏、叶片大和产量高的优良株系。陕西也对当归进行了诱导多倍体的工作，取得了成功。辽宁用快中子产生的ｒ射线照射廷胡索块茎、结果不但提高了保苗率和块茎繁殖率，而且还使当代和第二代产生了连续增产效应。此

外，激光技术在药用植物育种上也得到了应用，经激光照射的薏苡，在当代和第2-4代，产量均有增加，可增产10-30％。

2.4 应用生物新技术育种

生物技术是本世纪发展最快、最有生命力的一门高技术前沿学科，其应用范围十分广泛，在食品、农林、园艺、化工、能源和环保等方面。均取得了大量成功的经验。生物技术在中药材品种改良方面同样具有很好的应用潜力。在现阶段尤以细胞工程技术相对比较成熟一些，应用的可能性更大，目前国内外广泛开展的生物技术育种主要有以下七个方面

2.4.1 单倍体育种

自1964年Guha等获得曼陀罗的花药单倍体植株以来，在国际上引起很大重视，纷纷开展这方面的研究工作，已先后在水稻、小麦、油菜、苜宿以及许多药用植物中获得单倍体植株，共计70个属206个种。美国、日本、加拿大、印度、中国、澳大利亚及一些国际研究机构都高度重视该项技术的育种应用价值，纷纷应用于品种改良，并已获得了一些优良品种应用于生产．通过单倍体途径选育新品种，有其独特的优点：其来自父母本的显隐性状均可以当代表现出来，经染色体加倍就可以得到纯合的二倍体。这是一个较快培育出新品种的方法。我国在药用植物的花药培养方面也做了一些工作，1979年，我国首先用地黄（Rehmannia glutinosa）花粉诱导出了绿色植物，并对获得的植株进行了染色体鉴定．1980年又报道了用乌头（Aconitum carmichaeli）的花药培养成功，获得了完整植株，同年用薏苡（Colix lacryma）花粉孢子体也培养出植株，并对花粉植株进行了染色体鉴定．1981年用宁夏枸杞（Lyclum berbanum）花药培养成功，获得了花粉植株．1986年人参（Panax ginseng、平贝母（Fritillaria ussuriensis）的花药培养成功，获得了再生植株．1985年用宁夏枸杞未授粉的子房培养，获得了再生植株，还从中鉴定出了同源四倍体新类型，为选有枸杞新品种、新类型奠定了基础．

2.4.2 多倍体育种

染色体是植物遗传基因的主要载体，因此染色体组倍数性的变化是导致植物产生较大遗传变异、产生新品种的重要方面，植物多倍体一般具有根、茎、叶、花、果的巨型性，抗逆性强，药用成份含量高等特性，这正是药材的优质、高产育种所希望达到的目的，因此药用植物的多倍体育种具有特殊的应用价值和大的增产潜力．例如菖蒲在长期自然变异过程中形成了二倍体、三倍体、四倍体和六倍体各种类型．据化学测定，其根茎的含油量、精油的化学成份和含量均与染色体倍数有关，二倍体中不含b-细辛醚、三倍体含20～30％的b-细辛醚和顺甲异丁香油酚的混合物，四倍体精油中含有比三倍体高两倍的b-细辛醚。据日本光罔佑彦报道，白花曼陀罗（Datura stramonium）四倍体生药重量为二倍体的l.72倍，总生物碱含量是二倍体的1.76倍，表现出多倍体育种的优异效果，四倍体蛔蒿（Artemisia maritima）中山道年含量达到2.46％，

而二倍体蛔蒿中只含0.8％．四倍体中山道年含量是二倍体的三倍之多．此外日本还育出了甘菊（Matricaria chamomilla）的四倍体品种，其甘菊含量是二倍体的1.2倍，花体积是二倍体的2.3倍，因此日本把多倍体育种作为药用植物的重要育种方法之一，广泛地应用．我国也对当归、牛漆、板蓝根进行了多倍体育种，获得了新品种，取得了较好的增产效益。用植株和种子处理获得多倍体是成功的，但是存在着工作量大，易出现嵌合体等缺点．在组织培养中，用秋水仙素等诱变剂处理培养的愈伤组织胚状体或丛生芽从而获得多倍体植株，是诱发产生多倍体的好方法，我们教研室应用组织培养技术，先后对丹参、黄芩、桔梗，白术，盾叶薯蓣，生姜，青蒿，何首乌等进行了人工诱导多倍体育种技术的研究。其中丹参品种已经培育出了产量高、药材质量好、化学成分高的优良品系，并进行了连续三年的生产示范试验，于1996年通过了国家医药局组织的科技成果鉴定，这一科技成果已列入国家中医药局重点成果推广项目，国家科委“九五”国家级重点科技成果示范推广项目。计划用3-5年的时间，用组织培养克隆繁殖和生产加快繁殖相结合，供应大面积示范推广，逐步取代目前生产上退化混杂的丹参品种。我们采用河北承德地道黄芩优良品种，在组织培养条件下进行了多倍体育种工作，经过六年的选育和鉴定，成功地获得了2个高产优质的黄芩优良品种，产量比二倍体黄芩提高了100-120%，黄芩苷含量提高了20-30 %，于2004年已经通过了江苏省科技成果鉴定，目前正在北方地区进行示范应用试验。此外我们还进行了白术，桔梗，黄芪，盾叶薯蓣，生姜，青蒿，何首乌等系列药用植物多倍体育种的研究，均取得了阶段性成果和良好进展，可以逐步在生产上试验示范和推广应用（26-32）。我们教研室多年的多倍体育种研究结果证明：应用生物技术进行多倍体育种具有效率高，育种周期短，成效显著的特点，尤其在药用植物上具有特殊的应用价值和明显的增产效果。希望有更多的科技工作者能够投入到这一很有发展前途，而且研究面很宽阔的研究领域中来，共同为大幅度提高我国中药材的产量和质量，真正实现中药现代化作出应有的贡献。

2.4.3 胚乳培养

在组织培养中，植物的胚乳培养是产生三倍体植株的主要方法，因为胚乳是由精细胞和两个极核融合而产生的，因此是三倍性细胞，在适宜的培养条件下能诱发产生三倍体植株，从30年代开始．Lampe和Mills就开始进行玉米胚乳培养，三倍体植株往往表现出无籽，这对一部份药用植物是十分有益的性状，例如山茱萸，枸杞。果核大、种子多会带来加工的困难，降低产量和质量，我国已成功地用枸杞胚乳诱发获得了染色体接近三倍体的植株，此外三倍体植株经自然加倍或秋水仙碱处理加倍可以产生六倍体，这也是产生多倍体植株的又一有效途径。

2.4.4体细胞突变育种

在植物器官培养中往往首先产生大量愈伤组织，这是一种非组织形式继续增殖的细胞团．往往包含了一些变异类型；由这些细胞进一步分化再生的植株就表现出性状上的变异，这种变异己被通称为体细胞克隆变异，

近10年来引起国内外学者的极大兴趣，纷纷开展这方面的研究，至今已经从20种植物通过体细胞克隆变异途径选到150多个细胞突变系．筛选突变体对提高作物产量．提高药材中有效成份含量是可行的，在药用植物细胞培养中，筛选或诱发次生代谢产物高的体细胞突变系进而培养成高产细胞株是提高细胞培养产物的有效途径．目前已经报道获得了几十种代谢产物产量相当于或超过亲本植株的细胞，其中包括色素、维生素、生物碱和甾类等物质．日本从紫草愈伤组织细胞中筛选获得的一个高产细胞株，紫草素含量高达0.1％（鲜重）相当于原植株含量的20倍；又据报道，从烟草铺板克隆细胞中获得了一个烟碱含量比原植株高5.3倍的细胞系，一个泛酿-10含量比原植株高9.4倍的细胞系，这些例子说明，在药用植物细胞培养生产药物中，利用体细胞变异进行高产细胞株的筛选是有较大增产潜力的．我国高产细胞株系的筛选工作已在少数植物中有报道，我国用钴60射线照射诱变获得了三分三的愈伤组织变异体，生长速率比亲本高三倍，东莨菪碱含量高30％。

2.4.5 植物的脱病毒

病毒病的危害是影响药用植物产量和质量的重要因素，迄今为止，我国已经报道的药用植物病毒病有地黄病毒病、浙贝黑斑病毒、曼陀罗花叶病、八角莲花叶病、唐菖蒲花叶病毒、独角莲皱缩花叶病、太子参花叶病等10余种．由于病毒病的危害，一般减产幅度在30％以上，成为药材生产上的重要障碍．对于病毒病，目前尚无有效的防治措施，但是利用植物茎尖分生组织的脱毒培养，可以成功地获得脱毒苗、有效地去除特定病毒，再通过组织培养克隆繁殖就可以获得大量脱毒优良种苗．供生产上应用．

日本下村讲一郎等曾对川芎易受病毒侵染造成大幅度减产的问题，成功地进行了川芎茎尖脱毒培养。我国药用植物分生组织脱毒工作也取好了较好的效果，地黄通过茎尖培养，选育得到了抗性强、经济效益较高的茎尖16号地黄脱毒新品系，已在生产上推广，新疆大蒜经过分生组织培养脱毒后，大蒜单株蒜头比对照明显增大．我们对山东莱芜生姜和湖北风头生姜进行了分生组织培养脱病毒，经试验对比，脱毒生姜具有生长势强、产量高、辣味浓、抗病力强的优点。目前正在加速扩大繁殖，在生产上尽快地示范推广。此外我们还进行了薄荷，半夏，草莓，麦冬，菊花，芦荟等系列药用植物的分生组织培养脱病毒技术的研究，成功地获得了脱病毒彻底，增产效果显著的脱病毒苗。目前正在进行生产示范和推广应用。

2.4.6 原生质体的培养、融合和植物基因工程

近年来，国内外广泛地开展了植物原生质体的研究工作．进展迅速，原生质体不仅具有单个活细胞的全能性，而且具备两个独持优点．其一原生质体是没有细胞壁的裸露细胞，易于摄取外来的遗传物质，细胞器以及其他载体，为高等植物的遗传转化等提供了有利的条件．其二是裸露的原生质体彼此可以融合，从而产生体细胞杂种．为植物育种开创了一

条新的途径．60年代初英国由Cocking首次用酶法分离原生质体获得成功以来，经过各国科学家的努力，植物原生质体培养和融合取得了突破性的进展，迄今从原生质体培养成完整植株已近100种植物，其中药用植物有石刁柏、石龙芮、南洋金花，颠茄等10余种．

目前已经从原来不能杂交的植物烟草和龙葵、曼陀罗和颠茄、胡萝卜和明党参等获得种间杂种植株和种内杂种植株，尽管这些杂种植株在结实性、遗传稳定性方面还有一些问题尚待解决．但是发展前景是好的．

在植物基因工程方面，在农作物方面，由于转基因植物作食物使用时，存在着不同意见和顾虑，在应用中受到了限制。在一定程度上影响了基因工作的进程，但是在药用植物中这一顾虑可以基本上打消，因为药用植物一般多是以提取某一个特定产物制成药物，所以只要对产物鉴定无误，人们就不会产生顾虑。因此转基因药用植物将比食用植物具有更大的发展前景。

2.4.7 优良种苗的快速繁殖和工厂化生产

用植物组织培养进行优良种苗无性系的快速繁殖是生物技术中实用性最强，应用可能性最大的一个基本技术．经过国内外科学家的努力．巳经比较成熟和完备，从育种工作本身，一个优良品种育成以后，为了尽快在生产上加以椎广应用，产生效益，也需要有一个与之配套的加速繁殖技术．尤其是不能靠种子繁殖．或种子繁殖较难的多年生植物，组织培养技术是一种理想的快速繁殖技术．

在国内外已经报道过的植物组织培养成功的例子中，药用植物占有较大的比例．为药用植物组织培养应用于生产打下了良好的基础，药用植物优质种苗的迅速的克隆繁殖，种苗纯度高。无疑十分有益中药材产量和质量的提高．另外对于稀、珍、濒危药用植物的保护和利用方面也具有重要的应用价值和意义．

生物技术在药用植物品种改良方面的应用潜力较大，研究面比技宽，方法技术也较多，以上只是述及了比较主要的一些方面，生物技术在中药现代化、育种方面的这些应用，有些技术已经比较成熟，可以尽快在研究和生产上采用，例如组织培养快速繁殖，脱毒技术，多倍体育种等可望在近期应用于生产，取得明显的增产效益，但是有些技术尚正处于基础理论研究，逐步完善的过程中，离开应用还有一段较长的时期，例如原生质体融合、试管授精、基因工程等方面，尽管目前进展很快，前景诱人，但是还有许多基础理论研究和技术上的问题尚未解决，还有待于各国科学家去努力攻克．尤其是药用植物遗传基础方面的研究，工作量很大，这一方面是由于药用植物面广量大，品种多，另一方面目前药用植物现有的基础研究还很薄弱，尤其关于药用植物有效成分的生物合成和遗传调控机理的研究还基本上属于空白。因此对化学成分生成和遗传调控机理研究的深入，将对提高中药材有效化学成分、进一步对中药产品的质量和疗效将起十分关键的作用。