药用植物大规模组织培养的相关问题探讨

[摘要] 为提高药用植物的产量和品质，增强我国药用植物产业的竞争力，该文对药用植物大规模组织培养的现状、存在的问题及对策进行了分析。尽管生物技术是药用植物生产最快捷、最有前途的手段之一，但仍存在诸如培养材料稳定性、转基因药用植物安全性、培养条件优化等方面的问题。因此，针对药用植物自身特点，建立完善健全的评价体系，是保证药用植物大规模组织培养可持续发展的关键举措。

[关键词] 药用植物；组织培养；生物技术

随着市场需求量的日益增涨，药用植物不仅仅应用于传统医学保健和治疗中，还作为化学药品的原料，应用广泛。许多药效显著、需求量大的植物源化学成分在生产上主要依赖于药用植物的提取、纯化，如紫杉醇、青蒿素等。然而，由于生态环境的破坏造成土地和其他自然资源的减少和恶化，以及药用植物有效成分提取效率低下，植物原料质量参差不齐等不足，使得我国药用植物有效成分的生产，面临诸多问题和挑战。借助于先进的科学技术手段，可以提高药用植物的生产效率和品质、减轻资源压力，对增强我国药用植物产业的竞争力，发挥其应有的巨大潜力，并使之能够可持续发展具有重要的意义。

生物技术是药用植物生产最快捷、最有前途的手段之一。应用生物技术进行中药材生产有以下几个优点：①药材（或活性成分）的生产可以在人为控制条件下进行，不受季节、气候条件与土壤环境等因素的制约，可排除病虫害的侵袭与农药残留量的困扰，严格控制药材质量。②可进行特定的生物转化反应，生产人们需要的活性成分。③通过活性成分生物合成路线进行遗传操纵，提高目的物的产量。④通过加入或删除基因而改变其遗传特性，达到大幅度提升产量或合成新的活性产物^[1]。从而改良品种或创造新物种，或加速繁殖植物个体，或获得有用物质。

由于植物细胞具有全能性，即单个细胞在适宜的环境下可分化发育成植株，并具有整株植物所具有的合成化合物的能力，因此组织培养技术是药用植物大规模生产的重要手段之一。药用植物组织培养的研究工作取得了较大进展：已有百余种植物次生代谢产物通过组织培养技术获得，近半数次级代谢产物的含量超过原植株，部分已进人中试和工业化生产规模。目前这项技术已发展成为一门精细的实验技术，在选材消毒、接种培养、诱导筛选、继代保存、分离鉴定等方面建立了一整套完整的技术方法^[2]。越来越多的药用植物已经进入大规模组织培养阶段，本文针对药用植物大规模培养组织培养的现状，对大规模组织培养过程中的相关问题进行了分析和探讨。

1 研究现状

目前，药用植物组织培养主要有2个方面：一是直接培养和收获这些组织和器官，如不定根、不定芽、小鳞茎等。二是通过组织和器官培养获得再生植株，从而进行快速繁殖，生产大量无病毒种苗以满足药用植物人工栽培的需要。近40年来，我国经离体培养获得试管植株的药用植物至少有200种^[3]，涉及常用中药和民族药物的基原植物以及珍稀濒危药用植物、等。在利用植物组织培养直接生产药物的研究方面也取得了很大进展，目前从各种培养物中产生的药用成分已有约百余种，其中人参皂苷、人参皂苷元、三七皂苷、甘草甜苷、甜叶菊苷、柴胡皂苷、薯蓣皂苷、熊果苷、莨菪碱、小檗碱、总黄酮、蒽醌等^[4]药用成分含量等于甚至高于原植物。

我国以组织培养技术为基础的毛状根培养及其增殖技术也发展迅速，目前已利用人参、丹参、黄芪等建立了农杆菌转化器官培养系统。韩国人参不定根和毛状根的培养已经达到了工业化的程度，所用反应器的规模已经达到了10 t。Jeong等的实验表明，在5 L的生物反应器中，经过39 d的培养，毛状根的生物量是接种时的55倍^[5]。黄芪毛状根在3，5，10 L容器中培养，经21 d培养产量（干重）就可达10 g·L^-1，黄芪毛状根中皂苷、黄酮、多糖、氨基酸等含量类似于黄芪药材，而粗皂苷和可溶性多糖的含量还稍高于药用黄芪^[6]。利用10 L的球状气升式反应器实现了丹参毛状根的大规模培养，并利用 75 L的气升式反应器进行了进一步的放大培养，表明利用气升式反应器进行丹参毛状根初级放大和中试规模的培养是可行的^[7]，它为今后丹参毛状根的工业化生产奠定了基础。

2 存在的问题及对策

2.1 培养材料的稳定性重视程度不够 很多药用植物的不定根和毛状根被当成实验材料来进行实验研究^[8-9]，同时越来越多的组织培养材料被应用到实际生产中，随着药用植物组织培养的大规模生产，有望为名贵、珍稀濒危植物资源的持续开发与利用以及绿色原料药的生产开辟一条新途径^[5-7]。但是由于药用植物组织培养条件、生长因子和操作的不可控性，在培养过程中有可能发生染色体变异，倍性的改变或产生突变体等，这些变异可能对药用植物组织的生产和化学成分产生影响。因此，不能一味的追求生长量，还有必要对培养材料的稳定性进行相应的评价。

目前，有关药用植物组织培养材料的稳定性研究较少，有关组培苗遗传稳定性研究的内容和方法主要包括：①染色体核型和数目分析^[10]；②无性繁殖过程中的遗传稳定性^[11-12]（RAPD，SSR等）；③对于转基因植株还要检测外源基因存在、整合和表达情况^[13-15]（PCR，Southern杂交，western blot杂交等）。

2.2 转基因药用植物的安全性评价及标准有待于进一步确立 药用植物的基因工程与农作物的遗传转化有着不同的侧重点，即在转基因药用植物植株的筛选和评价过程中，转基因事件对药用植物有效成分乃至药效的影响是首要考虑因素。利用根癌农杆菌Ti质粒转化形成的冠瘿瘤组织和发根农杆菌Ri质粒转化形成的毛状根作为培养系统生产有用的植物次生代谢产物，是当今药用植物生物技术研究的热点之一。冠瘿瘤组织和毛状根作为转基因材料，其安全性评价研究一直处于空白状态。

目前转基因植物的安全性问题主要集中在2个方面，一个是环境安全性，另一个是食品安全性。由于药用植物不同于农作物、蔬菜等，因此其转基因安全性评价也应有所不同。首先，在环境安全性方面，由于药用植物冠瘿瘤组织和毛状根均在可控的条件下进行培养，因此不涉及转基因材料作为一个新物种进入生态系统可能对生态平衡产生负面效应的情况。在食品安全性方面，由于一般药用植物的生产仅用于提取有效部位或成分，或者单独作为一味药物来使用，因此除了那些药食同源的药用植物以外，其他可考虑纳入药品的安全性管理体系进行评价和管理。重新评价药物有效性和安全性是转基因药用植物安全性评价的核心内容，但由于大多数中药有效成分和疗效机制不明确，转基因药用植物的药效评价问题成为关键难点问题。

2.3 规模化生产过程中培养条件的优化需重视 愈伤组织诱导、细胞培养、芽分化、继代、生根是药用植物组织培养的主要步骤，严格控制组织培养过程中培养基的各营养成分用量以及激素浓度和配比是保证药用植物大规模生产成功的关键。在培养程序建立之后，遵循植物生长规律对细胞、组织的生长发育进行改进，如通过改变光质来调节外植体的脱分化、再分化以及有用代谢物的产生；配制培养基时采用适合于植物生长的pH；寻找新的碳源代替糖类，以减少污染。在利用组织培养技术进行大规模工厂化生产中，这些问题都需要做更深入的探讨与摸索^[16]。

2.4 适合植物组织和细胞培养的生物反应器尚有待研究解决 生物反应器是实现植物细胞和组织大规模工厂化生产的关键因素之一，其具有工作体积大、单位体积生产能力高、物理和化学条件控制方便、不受时间和地点限制等许多优点，这为植物组织培养生产天然产物的商业化开辟了广阔前景。但要真正实现工业化和商业化尚受到来自生物本身和工程技术上的诸多限制，需在以下几个方面加强研究：①根据不同植物组织和器官培养的生物学和工程要求，进一步创新反应器系统和培养工艺；②结合现代分子生物学技术，从分子基因和细胞代谢水平深人探索反应器中微环境对植物组织生长和次生代谢的作用机制；③建立新型植物组织培养反应器系统的放大规律，实现培养过程的工业化；④将反应器培养技术、现代仪器分析手段和智能专家控制系统进行集成，实现植物组织大规模培养过程的在线优化控制和自动化^[17]。

2.5 植物次生代谢产物合成途径研究平台建设有待加强 对于药用植物来说，药用植物组织的大规模培养技术不仅是要提高生物量，最理想的应用是能够大幅度提高药用植物有效成分的含量。但是，由于大部分药用植物有效成分的代谢途径并不明确，甚至难以确认具有临床价值的有效成分，因此对药用植物有效成分相关功能基因进行发掘、鉴定等有利于解析其有效成分代谢途径。组织培养技术是进行功能基因基础研究的必要的技术平台，研究和建立高效的药用植物基因转化体系，可为深入研究药用植物有效成分的代谢途径、发掘和鉴定相应的功能基因等提供重要的研究手段，大大提高药用植物的基础研究的水平，从而推动学科的发展。

3 小结

药用植物大规模组织培养技术的研究是多学科交叉综合的结果，涉及到植物化学、分子生物学、生化反应动力学等许多层面。充分利用先进的理论体系作指导，利用生命科学的研究模式^[18]，从宏观的形态，药理药效到微观的基因、化学成分来分析和阐述药用植物细胞、器官的性状，从而指导药用植物大规模组织培养的研究与应用。

药用植物大规模组织培养研究和应用具有广阔的发展空间，同时也蕴藏着巨大的经济价值和社会价值。我国具有得天独厚的药用植物资源和市场优势，加强药用植物大规模组织培养研究将有利于我国药用植物资源的可持续利用和发展。与此同时，应依据药用植物自身特点，建立完善健全的评价体系，是保证药用植物大规模组织培养可持续发展的关键举措。

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Issues of large scale tissue culture of medicinal plant

LV Dong-mei1， YUAN Yuan2*， ZHAN Zhi-lai2

（1. Institute of Chinese Materia Medica， China Academy of Chinese Medical Sciences， Beijing 100700， China；

2. State Key Laboratory of Dao-di Herbs， National Resource Center for Chinese Materia Medica，

China Academy of Chinese Medical Sciences， Beijing 100700， China）

[Abstract]In order to increase the yield and quality of the medicinal plant and enhance the competitive power of industry of medicinal plant in our country， this paper analyzed the status， problem and countermeasure of the tissue culture of medicinal plant on large scale. Although the biotechnology is one of the most efficient and promising means in production of medicinal plant， it still has problems such as stability of the material， safety of the transgenic medicinal plant and optimization of cultured condition. Establishing perfect evaluation system according to the characteristic of the medicinal plant is the key measures to assure the sustainable development of the tissue culture of medicinal plant on large scale.

[Key words]medicinal plant； tissue culture； biotechnology

doi：10.4268/cjcmm20141743

[责任编辑 马超一]

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