張俊,蔣桂華,敬小莉,陳琴,朱敏鳳

(成都中醫(yī)藥大學藥學院 中藥材標準化重點實驗室，四川 成都 610075)

綜 述

四川省科技廳重大招標項目(2006E08-091)——川產(chǎn)道地藥材川芎新品種選育及配套技術研究

專項基金(200707007)

*蔣桂華，E-mailbbg@cdutcm.edu.cn

我國藥用植物育種的最新進展△

張俊,蔣桂華*,敬小莉,陳琴,朱敏鳳

(成都中醫(yī)藥大學藥學院 中藥材標準化重點實驗室，四川 成都610075)

對國內(nèi)藥用植物遺傳育種的研究與取得的最新成果進行了綜述，并對今后的研究前景進行了展望。

藥用植物；遺傳育種；生物技術育種；進展

中國是藥用植物資源最豐富的國家之一，其種類達到一萬余種[1]。然而，隨著藥用植物的大量使用，野生藥用植物資源現(xiàn)已急劇減少甚至瀕臨滅絕，而家種栽培的藥用植物資源也出現(xiàn)了品質(zhì)混雜、退化、病蟲害肆掠、產(chǎn)量下降等嚴重問題。為了保證和不斷提高藥用植物的質(zhì)量和產(chǎn)量，藥用植物的遺傳研究和育種改良工作得到了廣泛關注和重視。

目前，藥用植物遺傳育種研究主要集中在中國、日本和印度等國。在我國，藥用植物的育種工作曾長期停留在以移植和應用農(nóng)作物傳統(tǒng)常規(guī)育種技術為主的初級階段[2]。但近年來，隨著生物技術的快速發(fā)展，通過結合常規(guī)育種技術，藥用植物的育種工作取得了較大進展，加速了藥用植物新品種選育和良種繁育的進程。本文著重從選擇育種、雜交育種、誘變育種和生物技術育種幾個方面介紹目前我國藥用植物育種的研究進展。

1 選擇育種

選擇育種是通過人工選擇的方法從自然變異個體中選擇出優(yōu)良個體，培育成新品種。其育種安全性高，被藥用植物育種工作者廣泛采用。徐昭璽等[3]通過近20年工作，從選擇、純化、淘汰和品系比較等過程，培育出了我國第一個邊條人參新品種“邊條1號”，其形態(tài)優(yōu)美，抗逆性、產(chǎn)量和總皂苷含量均比對照有大幅度的提高。朱培林等[4]的研究表明江枳殼類型間各方面均有差異，可通過選擇優(yōu)樹選育優(yōu)良品系。何先元等[5]發(fā)現(xiàn)單株頭狀花序(即花頭)的數(shù)量是構成白菊花產(chǎn)量的主要因素，優(yōu)選出栽培性狀優(yōu)良和產(chǎn)量較高的“紅心菊”和“小白菊”兩個品種。其他如地黃、蛔蒿、栝樓、吳茱萸、金蕎麥、山茱萸、木瓜、益母草、附子、薯蕷等品種的選育工作也取得了較好成績。

2 雜交育種

雜交育種是通過人工雜交，將兩個或兩個以上親本的優(yōu)良性狀綜合到一個個體上，繼而從分離的后代群體中經(jīng)過人工選擇、培育，創(chuàng)造新品種的育種方法，因而子代通常具有雜種優(yōu)勢。雜交育種現(xiàn)已廣泛應用于有性繁殖類藥用植物的育種當中。王秋穎等[6]通過天麻品種之間多年的正交及反交試驗,培育出了3個高產(chǎn)品種,且其中兩種遺傳穩(wěn)定性強，可以大面積推廣栽培。此外薄荷、地黃、紅花分別通過雜交，育成了性狀優(yōu)良的雜交品種。

遠緣雜交指有生殖隔離的不同物種之間的雜交，對長期栽培導致種質(zhì)退化有實用價值。王錦秀等[7]為培育大果粒枸杞新品種，采用枸杞與番茄進行屬間遠緣雜交育種試驗，培養(yǎng)出2個可開花結果的株系。吳才祥等[8]采用天麻遠緣雜交，培育出在產(chǎn)量和質(zhì)量上均具有雜種優(yōu)勢的后代。此外，貝母屬種間的遠緣雜交工作在我國也已有所進展，如以利川貝母Fritillarialichuanensis為父本與以湖北貝母F.hupehensis為母本雜交而成的雜交貝母就具有結實率高，所結種子飽滿，發(fā)芽率高，病蟲害少等特點[9]。

3 誘變育種

誘變育種是人為地利用物理誘變因素和化學誘變劑，對植物的種子、器官、細胞以及DNA等進行誘變處理，能在較短時間內(nèi)獲得有利用價值的突變體，可根據(jù)育種目標選育新品種。

3.1物理誘變育種

3.1.1輻射誘變育種 輻射育種是利用χ、γ、β、中子流等高能電離輻射處理植物，從變異種直接選擇，或利用突變體雜交，培育出新品種。唐寧[10]采用Co60射線輻射白術二倍體及多倍體E72株系，初步選育出一個長勢良好且產(chǎn)量高的株系。同時，唐寧[11]又從長勢較好的4個白術輻射誘變株系中篩選出了抗逆性更高的優(yōu)良品種，研究表明初步優(yōu)選出的白術輻射誘變株系的白術內(nèi)酯Ⅰ、Ⅲ的含量均高于或接近于對照材料。頡紅梅等[12]采用重離子束55MeV/u40Ar+15離子輻照甘肅當歸90-01干種子，多年后成功地選育出了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的甘肅當歸新品系DGA2000-02。

3.1.2離子注入誘變育種 離子注入誘變育種技術是利用加速的氣體離子等離子體轟擊植物種子、胚芽、花粉等生物材料，使之產(chǎn)生突變，從而選育出新品種，這使定向誘變成為可能。目前離子注入技術在藥用植物中的應用才開始起步。甄衛(wèi)軍等[13]將離子束注入麻黃草種子后，對種子的生長產(chǎn)生了良好的生物學效應。潘燕等[14]以N+注入甘草幼苗后，研究表明甘草幼苗的抗旱性能得到提高。魏勝林等[15]對甘草干種子注入定量N+后，研究表明甘草葉片腺體分泌多糖和總多糖含量比對照都有所提高。

3.1.3激光誘變育種 激光育種是一種新型育種技術，多與生物技術相結合。李耀維等[16]用He-Ne激光輻照雷公藤愈傷組織誘導突變，篩選出的高產(chǎn)細胞系的次生物質(zhì)產(chǎn)量較對照提高45.2%。郭斌等[17]用He-Ne激光輻照葡萄，也選育出白藜蘆醇的高產(chǎn)細胞系，白藜蘆醇平均產(chǎn)量比對照組提高40%。

3.1.4航天育種 航天育種又稱太空育種，是指利用返回式航天器如衛(wèi)星等將植物種子或器官送入太空，利用空間宇宙射線、微重力等特殊環(huán)境，誘導植物變異，再返回地面進行選育、篩選優(yōu)良品種的育種新技術。單成剛[18]、王志芬[19]等分別分析了航天搭載對黃芩和桔梗SP1群體的影響，發(fā)現(xiàn)搭載從總體上對地上部分如莖、葉等性狀起抑制作用。王志芬等[20]的研究又表明航天搭載可對丹參的生長有促進作用。李金貴等[21]研究表明航天組與對照組牛膝根的化學成分種類無明顯差異，但航天組某些化學成分的含量明顯下降。

3.2化學誘變育種

化學誘變育種是用某些特殊的化學藥劑處理植物特定部位，使其遺傳物質(zhì)發(fā)生改變，從而使后代產(chǎn)生變異。根據(jù)育種目標，對其變異后代進行鑒定、培育和選擇，直至育成新品種。在藥用植物育種方面，通常將該技術與其他誘變技術相結合。熊大勝等[22]用EMS結合β射線誘變?nèi)~木通種芽，產(chǎn)生了早實變異和早熟變異。張秀省等[23]等用EMS處理的長春花愈傷組織比對照生長更快，吲哚總堿含量更高。

4 生物技術育種

生物技術是21世紀發(fā)展最快、最有生命力的一門高技術前沿學科。生物技術的興起為我國藥用植物的研究及發(fā)展提供了機遇和手段。伴隨著高等植物細胞工程、基因工程等生物技術的日趨成熟，藥用植物的生產(chǎn)在數(shù)量和品質(zhì)上都取得了顯著的進步。

4.1組織培養(yǎng)

4.1.1優(yōu)良無性系快速繁殖 藥用植物通過組織培養(yǎng)快速繁殖，可以縮短新品種育成年限，提高育種效率。其快繁技術已經(jīng)在許多藥用植物上獲得成功?？浊嗟萚24]以女貞的種子、帶腋芽的莖段為外植體，獲得胚萌發(fā)、莖段生長、芽增殖和根萌發(fā)的最佳培養(yǎng)基。瞿大樅等[25]以半枝蓮莖尖為外植體進行了離體快繁研究。唐偉斌等[26]以桔梗種發(fā)無菌苗幼嫩莖尖、莖段為外植體，建立了快速繁殖體系。

4.1.2種質(zhì)資源保存 種質(zhì)資源是培育優(yōu)良品種的遺傳物質(zhì)基礎。利用組織培養(yǎng)結合低溫、超低溫冷凍貯藏可用來保存種質(zhì)資源，對于珍稀瀕危藥用植物的保護和利用具有重要的應用價值和意義。張壽文等[27]對浙貝母愈傷組織超低溫保存進行了研究，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)30～35d的愈傷組織最適宜于低溫保存，且確定了較好的冷凍保護劑、較佳的冷凍程序和解凍方法，并成功獲得了再生植株。

4.1.3植物的脫病毒 病毒病是影響藥用植物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素。由病毒病造成的大幅度減產(chǎn)，已成為藥用植物生產(chǎn)上的重要障礙。利用植物莖尖分生組織的脫毒培養(yǎng)獲得脫毒苗，再通過組織培養(yǎng)快繁就可以獲得大量脫毒優(yōu)良種苗，供生產(chǎn)上應用。劉建成等[28]通過對川西獐芽菜愈傷組織誘導的繼代培養(yǎng)，得到了脫毒的優(yōu)質(zhì)種苗。溫春秀等[29]開展了丹參脫病毒技術的研究，也取得了成果。

4.2高產(chǎn)細胞系的選育

通過植物發(fā)酵培養(yǎng)獲得有用的藥用植物次生代謝物(有效成分)是解決藥用植物資源問題的有效手段。同時為了解決大多數(shù)有用的次生物質(zhì)在植物細胞中含量極低的問題，在工業(yè)化生產(chǎn)中首先需要適時地對植物細胞進行選育和改良。通過篩選或誘發(fā)次生代謝產(chǎn)物高的體細胞突變系，可進一步培養(yǎng)成高產(chǎn)細胞株系。張壽文等[30]研究了彭澤貝母鱗莖愈傷組織培養(yǎng)過程中培養(yǎng)物生長、生物堿積累規(guī)律，用目視法從愈傷組織中初步篩選出了2個優(yōu)良細胞系。胡顯文等[31]利用物理誘變的方法處理原始雪蓮細胞系，獲得了一株穩(wěn)定高產(chǎn)雪蓮細胞系TUIP-8，其黃酮含量比天然植株高20～30倍。

4.3原生質(zhì)體培養(yǎng)

原生質(zhì)體具有細胞全能性，易于攝取外來的遺傳物質(zhì)、細胞器以及其他載體，并且裸露的原生質(zhì)體彼此可以融合，從而產(chǎn)生體細胞雜種，為植物育種開創(chuàng)了一條新途徑。梁清樂等[32]通過原生質(zhì)體融合技術，得到了茯苓融合重組子。王德強[33]采用纖維索酶和果膠酶混合液對紅豆杉種子的胚進行了處理，得到了紅豆杉胚原生質(zhì)體。詹忠根等[34]對鐵皮石斛無菌試管苗葉片原生質(zhì)體的游離及培養(yǎng)條件進行了研究。周延清等[35]找出了適合于決明無菌苗子葉原生質(zhì)體分離和培養(yǎng)的酶組合、植物激素組合和有效培養(yǎng)方法。

4.4倍性育種

根據(jù)育種目標的要求，采用染色體數(shù)加倍或染色體數(shù)減半的方法選育植物新品種的途徑稱為倍性育種，包括單倍體育種和多倍體育種。

4.4.1單倍體育種 單倍體只含有其雙親的一套染色體組，所以單倍體植株幾乎是完全不育的。但如果將由任何雜種形成的單倍體進行染色體加倍后成為純種，則將體現(xiàn)單倍體作為育種環(huán)節(jié)的特殊重要性。我國已在藥用植物的花藥培養(yǎng)方面做了很多工作，先后用烏頭、寧夏枸杞、人參、平貝母等藥用植物的花粉或花藥進行誘導，獲得了再生植株[36]。

4.4.2多倍體育種 多倍體是植物細胞內(nèi)含有3個或3個以上染色體組，用秋水仙素等誘變劑處理愈傷組織胚狀體或叢生芽可獲得多倍體植株。藥用植物多倍體植株與普通植株相比，通常具有生物產(chǎn)量提高、某些藥用活性成分提高、抗逆性增強等特點。因此，藥用植物多倍體育種具有較高的應用價值和增產(chǎn)潛力。目前，我國染色體加倍也已在多種藥用植物中獲得成功，這些植物[37,38]包括黃花蒿、鬼針草、菊花腦、牛蒡、白術、莞荽、當歸、川白芷、杭白芷、黃芩、丹參、南丹參、桔梗、蘆薈、庫拉索蘆薈、藥用百合、川貝母、黃花菜、紅千層、生姜、蕪菁、刺果甘草、黃芪、枸杞、金蕎麥、苦蕎麥、盾葉薯蕷、蓮、黨參、寧夏枸杞、向日葵、三叉蝶豆、雜交碧冬茄、茛菪、勝紅薊、具苞罌粟、茼蒿、鷹嘴豆、飛燕草、菘藍等40多種。近年來相關研究也較多，王彩霞[39]的研究表明改良瓊脂涂抹法是一種非常高效的杜仲多倍體誘變方法。肖艷等[40]進行了紫錐菊的多倍體誘導與鑒定。李鵬飛等[41]用秋水仙素處理牛膝獲得四倍體。王帥等[42]用秋水仙素處理地黃種子獲得多倍體。李葉芳等[43]用秋水仙素處理燈盞花種子獲得四倍體。王躍華等[44]用秋水仙素對喜樹頂芽和種子誘變處理，誘導后的對象具有明顯的多倍體特征。李文文等[45]使用秋水仙素與0.1%瓊脂和二甲基亞砜混合液處理肉蓯蓉得到四倍體。張蜀敏等[46]用秋水仙素和2%二甲基亞砜共同處理新疆雪蓮種子、胚根和莖段，獲得了四倍體細胞比例達到90%以上的植株。

三倍體植株往往表現(xiàn)出無籽，這對一部分藥用植物是十分有益的性狀。劉治國[47]采用組織培養(yǎng)與化學誘變相結合及幼胚培養(yǎng)等育種手段，已初步選育出優(yōu)良三倍體枸杞株系99-3，與目前生產(chǎn)中最優(yōu)栽培品種寧杞1號(二倍體)相比，總糖、多糖、氨基酸的含量明顯提高，且第一年產(chǎn)量略高于寧杞1號。

4.5基因工程和分子標記技術在藥用植物育種中的應用

在植物育種中基因工程的應用主要是通過有重要經(jīng)濟意義的目的基因的分離、改造、利用，培育出具有改良的重要經(jīng)濟性狀的工程植株，以及具有生物反應器功能的工程植株。周延清等[48]成功地將農(nóng)桿菌Ri質(zhì)粒上的T-DNA整合到懷地黃基因組中并表達，建立了有效的毛狀根培養(yǎng)及其植株再生體系，結果表明1個轉化毛狀根克隆的梓醇含量是鮮地黃梓醇含量的48.5%，是生地鮮重梓醇含量的18%。趙壽經(jīng)等[49]利用發(fā)根農(nóng)桿菌A4菌株對人參根外植體直接誘導發(fā)根，篩選出人參總皂苷含量達15.2mg·g-1的高產(chǎn)發(fā)根系。賀紅等[50]成功地建立了農(nóng)桿菌介導的綠葉枳殼轉化系統(tǒng)，進行枳殼抗病育種。

分子標記是一種分子水平上的遺傳標記，已廣泛應用于生物基因組研究，在藥用植物的鑒定、親緣關系、起源進化、遺傳多樣性、基因定位及克隆、代謝途徑的基因工程研究等方面有廣泛的應用空間。在藥用植物中，主要是運用ISSR、RAPD、AFLP等分子標記技術輔助選擇育種，進行遺傳多樣性的研究和種質(zhì)資源鑒定。王嵐等[51]利用ISSR標記對來自國內(nèi)17個居群的285個川芎個體進行道地性分析，結果表明采自四川省內(nèi)的10個川芎居群表現(xiàn)出更近的親緣關系，各個川芎居群間具有高度遺傳多樣性。彭云滔等[52]應用ISSR標記對采自廣西和廣東的7個羅漢果野生居群共130個個體進行了遺傳多樣性分析。左云娟[53]、羅光明[54]等采用ISSR技術對不同產(chǎn)地的枳殼品種進行分析，為篩選枳殼優(yōu)良品種提供了參考。楊紅兵等[55]構建了湖北恩施產(chǎn)厚樸的ISSR指紋圖譜，用于區(qū)分厚樸藥材產(chǎn)地和品種。蘇雪等[56]的研究表明RAPD能快速、準確地應用于紫花地丁的分子鑒定及其與近緣類群關系的研究。羅成等[57]建立了一個適于華中五味子研究用的AFLP反應體系，用于華中五味子AFLP分析。

5 藥用植物育種展望

我國藥用植物育種的主要目標是提高藥用部位產(chǎn)量與改進藥材品質(zhì)。通過培育優(yōu)良品種，即篩選出光能利用率高、自身呼吸代謝弱、矮稈抗倒伏、早熟適應性強的品種，促使藥材獲得高產(chǎn)。同時通過提高藥用植物的抗病蟲害能力及抗逆性，保證其品種的穩(wěn)產(chǎn)。由于藥用植物用于醫(yī)療保健的的特殊性，還應以其中的有效成分含量為育種指標以保證藥材具有藥到病除的療效，即達到藥材優(yōu)質(zhì)。藥用植物育種能更好地造福于人類健康福利事業(yè)，因而具有重大意義。

由于我國藥用植物基礎研究還很薄弱，所以在很長一段時間內(nèi)，我國的藥用植物遺傳育種工作主要還要依靠常規(guī)育種。系統(tǒng)選育和雜交育種培育出的新品種遺傳性狀相對穩(wěn)定，安全性高，但培育周期過長，少則四五年，多則要十年以上，從而成為常規(guī)育種的瓶頸。與此同時，我們根據(jù)藥用植物自身的特點和對活性成分的特殊要求，充分應用現(xiàn)代生物技術，對藥用植物進行了良種繁育。從中國的研究現(xiàn)狀來看，雖然組織培養(yǎng)、多倍體育種技術已經(jīng)比較成熟，已較多地運用于藥用植物的育種當中，但是存在變異不穩(wěn)定、苗期成活率低等問題，相關配套技術推廣起來也有一定困難，僅限制在小范圍內(nèi)良種選擇、繁育階段，離范圍廣、大規(guī)模的生產(chǎn)實踐還有一段距離。而原生質(zhì)體融合、基因工程、分子標記等技術在藥用植物中的應用更多地處在實驗室理論研究階段，更需要不斷地深入和完善。

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2010-01-14)