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        黃花蒿新品種選育現(xiàn)狀及其系統(tǒng)選育研究進(jìn)展

        2014-12-02 11:22:39馬進(jìn)向極釬楊永康龍瀾李紅英覃大
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年19期
        關(guān)鍵詞:青蒿青蒿素株系

        馬進(jìn)+向極釬+楊永康+龍瀾+李紅英+覃大吉+李亞杰+向來(lái)

        摘要:青蒿素及其衍生物被世界衛(wèi)生組織和FDA列為抗瘧疾一線藥,而目前青蒿素只能從黃花蒿(Artemisia annua L.)中提取。育成的高含量青蒿素單株其優(yōu)良性狀不能穩(wěn)定遺傳,后代性狀分離,表現(xiàn)多樣化。介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)黃花蒿品種的選育途徑及現(xiàn)狀。通過(guò)2010-2013年4年系統(tǒng)選育,已育成一批好苗頭株系,株系群體青蒿素含量由選育前平均含量0.471%提高到0.800%~0.972%,生物學(xué)特征特性也趨于穩(wěn)定一致,并在黃花蒿原料基地小面積示范得到驗(yàn)證,同時(shí)選育出青蒿素高含量株系40#-30-08-18,青蒿素含量高達(dá)1.945%,取得了階段性育種成果。

        關(guān)鍵詞:黃花蒿(Artemisia annua L.);青蒿素;育種現(xiàn)狀;目標(biāo)性狀;系統(tǒng)選育

        中圖分類號(hào):S567.21;S333.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0439-8114(2014)19-4520-05

        DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.003

        Current Situation of Breeding and Progress of Systematic Breeding of

        New Varieties of Artemisia annua

        MA Jin1,2,3, XIANG Ji-qian1,2, YANG Yong-kang2,3, LONG Lan2,3, LI Hong-ying2,3,

        QIN Da-ji2,3, LI Ya-jie2,3, XIANG Lai4

        (1.Hubei Provincial Agricultural Science and Technology Innovation Center,Enshi 445000, Hubei, China; 2. Institute of Horticulture and Drugs, Enshi Autonomous Prefecture Academy of Agricultural Sciences Enshi 445000, Hubei, China; 3.Enshi Qingjiang Biological Engineering Co., Ltd.,Enshi 445000, Hubei, China; 4.Enshi City Sancha Township Agricultural Center,Enshi 445019, Hubei, China)

        Abstract: Artemisinin and its derivatives are designated by WHO and FDA as the first line and effective drug for treating malaria, while they can only be extracted from Artemisia annua currently. The excellent characters of Artemisia annua plants selected with high levels of artemisinin can not inherit stably. The properties of offspring separate with diverdity. The current situation of breeding of Artemisia annua at home and abroad was briefly described. Authors got some breeding lines by pedigree selection from 2010 to 2013. The average artemisinin content of the breeding lines increased from 0.471% to 0.800%~0.972%. The biological characteristics were tended to be stable and consistent. The artemisinin content of one breeding line 40#-30-08-18 was high upto 1.945%.

        Key words:Artemisia annua L.; artemisinin; breeding status; target trait; system selection

        瘧疾嚴(yán)重影響人類健康,據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告,全球有107個(gè)國(guó)家和地區(qū)、32億人口受到瘧疾傳播的威脅,每年造成超過(guò)65萬(wàn)人死亡,嚴(yán)重影響人類健康,發(fā)病區(qū)域主要在非洲、東南亞等國(guó)家。20世紀(jì)70年代我國(guó)科技工作者首次從黃花蒿中分離出抗瘧疾單體青蒿素,為抗瘧疾特效藥。從20世紀(jì)80年代中期起,研究者們對(duì)青蒿素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究并加以改造,先后成功合成青蒿素的衍生物:青蒿琥酯、蒿甲醚、雙氫青蒿素3個(gè)新藥,它們的抗瘧藥效要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以往抗瘧藥奎寧、氯喹等傳統(tǒng)抗瘧藥而躍升為未來(lái)的主流藥物,同時(shí)對(duì)血吸蟲(chóng)病、艾滋病并發(fā)癥等也有很好的療效。它是迄今為止中國(guó)惟一被世界衛(wèi)生組織(WHO)認(rèn)可的按西藥標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的中藥,是中國(guó)僅有兩個(gè)收入世界藥典的中藥之一,被世界衛(wèi)生組織指定為“世界上惟一有效的瘧疾治療藥物”[1]。

        1 黃花蒿概述

        黃花蒿(Artemisia annua L.)又名臭蒿,臭青蒿,草蒿子,為菊科(Asteraceae)蒿屬(Artemisia)一年生草本植物。黃花蒿系世界性廣布種,從中提取的青蒿素是一種含有過(guò)氧化橋的倍半菇內(nèi)酷,無(wú)色針狀晶體,熔點(diǎn)156~157 ℃,分子式C12H22O5,是一種與已知抗瘧藥完全不同類型的新型化合物。但其青蒿素含量隨產(chǎn)地不同差異極大,除我國(guó)少數(shù)地區(qū)的黃花蒿外,世界大多數(shù)地區(qū)的黃花蒿的青蒿素含量都很低,一般為0.200%以下[2]。在我國(guó),黃花蒿的青蒿素含量由南到北逐漸降低。例如,廣西、廈門、四川酉陽(yáng)、湖南、湖北、江蘇高郵、山東、陜西、內(nèi)蒙古的黃花蒿的青蒿素含量分別達(dá)1.200%、1.200%、0.980%、0.790%、0.680%、0.190%、0.097%、0.215%、0.170%[2-9],尤其是生長(zhǎng)在川東南、鄂西、湘西及黔東北武陵山區(qū)的黃花蒿的青蒿素含量普遍較高[2]。在國(guó)外,以越南的黃花蒿的青蒿素含量較高,其葉中青蒿素含量可達(dá)0.860%[10]。印度一些地區(qū)的黃花蒿的青蒿素含量在葉中可高達(dá)0.420%[11],其他國(guó)家和地區(qū)的黃花蒿的青蒿素含量一般在0.200%。

        從天然黃花蒿中提取青蒿素是目前獲取青蒿素的惟一來(lái)源。當(dāng)前栽培的黃花蒿由野生黃花蒿直接引種,產(chǎn)量低,尤其是青蒿素含量低(0.500%以下)。由于遺傳差異,單株之間青蒿素含量差異特別大(0.200%~1.945%)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)青蒿素生產(chǎn)企業(yè)的青蒿素提取率在0.300%~0.350%,提取率低的主要原因是黃花蒿原料青蒿素含量低(0.500%~0.600%),其次是提取工藝水平落后。2005-2006年青蒿素賣價(jià)高達(dá)4 500~5 500元/kg,生產(chǎn)企業(yè)利潤(rùn)非常豐厚,從2007年起行情逐年下滑,至2013年市場(chǎng)價(jià)跌至2 000元/kg以下。而在當(dāng)前勞動(dòng)力成本急劇上漲的情況下,青蒿素的生產(chǎn)成本在2 600元/kg左右,生產(chǎn)企業(yè)出現(xiàn)嚴(yán)重虧損,眾多生產(chǎn)企業(yè)倒閉,給國(guó)家及銀行造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

        現(xiàn)存的青蒿素生產(chǎn)企業(yè),要想重振昔日雄風(fēng),除在現(xiàn)行醫(yī)藥流通環(huán)節(jié)打通癥結(jié)外,關(guān)鍵是要收購(gòu)青蒿素含量高的原料和提高青蒿素的提取率,幫助企業(yè)扭虧為盈。據(jù)生產(chǎn)青蒿素的老牌企業(yè)恩施清江生物工程有限公司成本核算,在黃花蒿原料青蒿素含量0.600%和提取工藝及有機(jī)溶劑、輔料、勞動(dòng)力等成本不變的情況下,原料青蒿素含量每提高0.100%將為企業(yè)增收25%以上。

        2 黃花蒿的栽培育種研究現(xiàn)狀

        黃花蒿生活力強(qiáng),野生資源豐富,但近年來(lái)由于需求量增大,主要依靠人工栽培種植,從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,研究者們著手黃花蒿的引種和馴化工作,他們對(duì)黃花蒿的生物學(xué)特性、栽培條件、生活習(xí)性、生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律等方面進(jìn)行了研究,為黃花蒿栽培提供了科學(xué)依據(jù)。青蒿素在黃花蒿中儲(chǔ)存部位的研究尚沒(méi)有肯定的答案,現(xiàn)在普遍認(rèn)為黃花蒿葉及花中存在的腺毛狀分泌腺[12]T-型網(wǎng)狀分泌腺[13]是青蒿素合成和儲(chǔ)存的位點(diǎn)。

        目前普遍認(rèn)為黃花蒿是一種嚴(yán)格的短日照植物,未成年的植株對(duì)光周期信號(hào)很敏感,光處理兩周就會(huì)開(kāi)花[14]。黃花蒿抗逆性強(qiáng)[15],在栽培條件下,只要黃花蒿的基本營(yíng)養(yǎng)得到滿足,就能正常生長(zhǎng)發(fā)育,開(kāi)花,結(jié)子,種子繁殖能力強(qiáng),栽培植株生長(zhǎng)比野生植株好,青蒿素含量也明顯高于當(dāng)?shù)匾吧N[5,6,16,17]。微量元素硼[18]能提高青蒿素含量,外施生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)[19]能夠促進(jìn)植株長(zhǎng)高和青蒿素含量提高。而收獲前水脅迫兩周會(huì)導(dǎo)致青蒿素含量大幅降低[20]。張萍等[16]認(rèn)為黃花蒿具有種子馴化現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)多年種植后,青蒿素含量明顯升高。提前播種移栽能提高產(chǎn)量和青蒿素含量[21,22]。研究者們對(duì)青蒿素含量達(dá)最高點(diǎn)時(shí)黃花蒿的生長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行了許多研究,結(jié)論不一[14,23],但均集中在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)末期至開(kāi)花期這段時(shí)期,綜合考慮生物量和青蒿素含量,一般的收獲時(shí)間是在花芽分化期[5,6,24]。青蒿素含量最高值出現(xiàn)在晴好天氣的12:00-16:00[24,25]。

        目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有真正意義上的黃花蒿品種[3],因?yàn)橛梢粋€(gè)高產(chǎn)、高含量青蒿素單株,其后代的遺傳性狀不穩(wěn)定,性狀分離且表現(xiàn)多樣化。近年來(lái),人們?cè)诟吆奎S花蒿品種選育上做了一些基礎(chǔ)性工作。①Ferreira等[26]在溫室和田間條件下對(duì)青蒿素產(chǎn)生的廣義遺傳性狀進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)青蒿素含量的高低是由遺傳性狀決定的。②Wallaart等[27]利用秋水仙素誘導(dǎo)出四倍體黃花蒿,發(fā)現(xiàn)四倍體植株青蒿素含量比二倍體植株高38%,葉片比二倍體大得多,但植株矮小,產(chǎn)量低。③Magalhaes等[28]報(bào)道黃花蒿雜交種青蒿素產(chǎn)量可增加5 kg/hm2。④Sangwan等[29]利用分子標(biāo)記,發(fā)現(xiàn)不同基因型黃花蒿之間存在較高的多態(tài)性,揭示了植株化學(xué)物質(zhì)的差異源于遺傳性狀的多態(tài)性。⑤朱衛(wèi)平[30]對(duì)高青蒿素含量黃花蒿栽培品種選育目標(biāo)性狀進(jìn)行了較深入的研究,發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)中選優(yōu)的方法可以使青蒿素含量逐年提高;而且研究了葉的形態(tài)與青蒿素含量的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)狹裂片型葉比寬裂片型葉的青蒿素含量要高;此外還對(duì)黃花蒿葉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顯微觀察及青蒿素的組織化學(xué)定位,發(fā)現(xiàn)葉片中的毛狀分泌腺是青蒿素的儲(chǔ)存部位,其濃度與含量呈正相關(guān)。⑥有研究者利用青蒿素代謝工程育成高含量青蒿素的青蒿品種,并在產(chǎn)業(yè)上有重大突破。

        目前,國(guó)內(nèi)外改造黃花蒿的遺傳工作仍然進(jìn)展緩慢,原因是其代謝復(fù)雜,遺傳機(jī)制不甚明了。

        3 黃花蒿新品種系統(tǒng)選育研究方法及進(jìn)展

        2009年湖北的恩施清江生物工程有限公司與恩施自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥物園藝研究所聯(lián)合組織了黃花蒿高產(chǎn)、高青蒿素含量品種選育工作,課題組將釆用系統(tǒng)選育法(優(yōu)中選優(yōu)法)用7~8年時(shí)間育成一批單產(chǎn)超3 000 kg/hm2、青蒿素含量大于1.000%且穩(wěn)定的一批株系,用于恩施清江生物工程有限公司基地生產(chǎn)黃花蒿原料。通過(guò)2010-2013年4年時(shí)間對(duì)所栽培的黃花蒿進(jìn)行系統(tǒng)選育,課題組已育成一批好苗頭株系,植株形態(tài)及特征特性也趨于一致,取得了階段性成果,現(xiàn)報(bào)告如下。

        3.1 黃花蒿繁殖生物學(xué)特征特性

        黃花蒿一般采用種子繁殖[31],種子千粒重為0.03~0.04 g,且種子無(wú)休眠期,可隨采隨播,幼苗抗寒性較強(qiáng),在恩施自治州一般年份都能安全越冬。生長(zhǎng)階段:6-7月中旬為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)盛期,8月上旬為花芽分化,9月上旬至下旬為現(xiàn)蕾期,9月下旬至10月上旬為開(kāi)花期,10月上旬至11月上旬為謝花期,11月中旬至12月上旬為種子成熟期。種子成熟期很不一致,光照條件好的先成熟,蔭蔽的下部后成熟。

        花為頭狀花序,花序細(xì)小球形,具軟細(xì)短梗;許多無(wú)柄小花密集著生于花序軸的頂部,聚成頭狀,再由許多頭狀花序組成傘房花序?;轱L(fēng)媒花,異花授粉且自花不實(shí)。

        3.2 確定選育目標(biāo)性狀

        1)育成的株系植株屬于豐產(chǎn)型,要求莖稈粗壯,株高1.6~2.4 m,一級(jí)分枝多,中下部二級(jí)分枝多,上部二級(jí)分枝少;葉為狹裂絲狀裂片型,莖稈和葉片顏色偏黃。

        2)育成的株系青蒿原料單產(chǎn)超3 000 kg/hm2且青蒿素含量穩(wěn)定大于1.000%的一批株系。

        3.3 選育步驟及方法

        3.3.1 黃花蒿試驗(yàn)苗定植 2010年4月10日從黃花蒿苗圃中選取長(zhǎng)勢(shì)旺盛、根系發(fā)達(dá)且無(wú)病蟲(chóng)危害的壯苗,按1.0 m×1.5 m的密度定植于恩施市三岔鄉(xiāng)小井口試驗(yàn)田(海拔842 m),肥水及病蟲(chóng)防治等田間管理與青蒿原料基地相同。

        3.3.2 黃花蒿掛牌、取樣 掛牌的黃花蒿植株必須符合目標(biāo)性狀,要求莖稈粗壯,株高1.6~2.4 m,一級(jí)分枝多,中下部二級(jí)分枝多,上部二級(jí)分枝少;葉為狹裂絲狀裂片型,莖稈和葉片顏色偏黃。編號(hào)采用1#、2#、3#等表示。

        先編號(hào)掛牌然后取樣,取樣時(shí)間定于每年8月10日左右,晴天12:00-16:00(花芽分化期)。方法是取植株上、中、下部枝各一枝裝入網(wǎng)袋中,置于玻璃溫室內(nèi)干燥,干燥后將葉和幼嫩莖搓成粉末狀裝入塑料自封袋備檢測(cè)。

        3.3.3 樣品檢測(cè)

        1)檢測(cè)前處理。稱取青蒿樣品2 g,用中性濾紙折疊封嚴(yán)浸泡于80 mL 30~60 ℃石油醚中8 h,然后用索氏提取器循環(huán)用石油醚提取4 h(石油醚量不足時(shí)應(yīng)隨時(shí)添加保證循環(huán)),加熱浴鍋溫度至52 ℃左右。提取液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將石油醚分離,然后再用22 mL無(wú)水甲醇分3~4次將瓶?jī)?nèi)提取物借用超聲波振蕩溶解洗出盛入25 mL容量瓶中,并定容至25 mL刻度。滴定管再移取5 mL至50 mL容量瓶中,加0.2%氫氧化鈉溶液20 mL,50 ℃反應(yīng)30 min,冷卻,加0.08 mol/mL醋酸至50 mL刻度。

        2)檢測(cè)?;瘜W(xué)反應(yīng)制成溶劑樣品用高效液相色譜儀測(cè)出峰面積,計(jì)算出青蒿素含量。標(biāo)樣釆用中國(guó)藥檢所制成的青蒿素標(biāo)樣。

        3.3.4 株系隔離 根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,高青蒿素含量單株保留,低含量和未檢測(cè)的單株要在黃花蒿開(kāi)花之前徹底清除,并做好試驗(yàn)田以外的隔離工作,防止生物學(xué)混雜。

        3.3.5 種子采收 11月中旬以后,種子開(kāi)始成熟,當(dāng)種子顏色臘黃色時(shí),分單株采收,嚴(yán)防株系間種子機(jī)械混雜,晾干搓柔,種子分篩入袋保存。

        3.4 選育結(jié)果

        通過(guò)4年的系統(tǒng)選育,從表1可以看出,2010年掛牌檢測(cè)的50個(gè)單株中,青蒿素最低含量為0.212%,最高含量為40# 1.119%,群體內(nèi)單株平均含量0.471%;2013年40#-53-02株系內(nèi)26株檢測(cè)結(jié)果,單株最低含量提高至0.579%,最高含量提高至1.605%,群體內(nèi)單株平均含量提高至0.972%,其原因是通過(guò)逐年選育,較高含量單株在株系整體中所占比例增加,平均含量也在逐年提高和逐年穩(wěn)定。其他各株系的各項(xiàng)含量均有顯著提高。

        3.5 青蒿素高含量株系在大田栽培示范的測(cè)產(chǎn)和檢測(cè)結(jié)果

        2013年對(duì)青蒿素高含量39#-20-11、39#-20-13、40#-30-08、40#-53-02、39#-20-09、40#-30-0909株系種子育苗,按1 m×1 m密度小面積示范栽培,田間肥水等管理與系統(tǒng)選育試驗(yàn)田同步實(shí)施,其產(chǎn)量及青蒿素含量檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

        從2013年恩施清江生物工程有限公司自控基地黃花蒿原料入庫(kù)數(shù)據(jù)來(lái)看,一般單產(chǎn)1 800-2 250 kg/hm2,青蒿素含量0.500%~0.600%。從表2可以看出,系統(tǒng)選育出的高青蒿素含量株系后代群體單產(chǎn)均超過(guò)2 700 kg/hm2,其中有兩個(gè)株系突破3 000 kg/hm2;青蒿素含量均超0.800%,其中有兩個(gè)株系突破0.930%。所選育出的青蒿素高含量株系,無(wú)論在產(chǎn)量上還是在青蒿素含量上,均在大田小面積示范栽培得到驗(yàn)證,證明課題組確定的選育目標(biāo)性狀是科學(xué)的,取得了階段性選育成果。

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        [30] 朱衛(wèi)平.野生黃花蒿的引種馴化和高青蒿素含量栽培品種選育目標(biāo)性狀的研究[D].長(zhǎng)沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2003.

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