全 文 ：植物学通报 2005, 22 (1): 115~120
Chinese Bulletin of Botany
①国家自然科学基金资助项目(20076047)。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: yuanxf99@yahoo.com
收稿日期：2003-12-02 接受日期：2004-02-09 责任编辑：白羽红
专 题 介 绍
稀土元素在药用植物细胞和组织培养中的应用①
袁晓凡② 赵 兵 王玉春
(中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室 北京 100080)
摘要 介绍了稀土元素对药用植物细胞、组织的生长及次生代谢产物合成的作用，探讨了稀土的作用
机理。大量的实验证明，稀土在药用植物细胞和组织培养中具有广泛的应用前景。
关键词 稀土元素，药用植物，植物细胞组织培养
Application of Rare Earth Elements in Medicinal Plant
Cell and Tissue Culture
YUAN Xiao-Fan② ZHAO Bing WANG Yu-Chun
(State Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Enginering, the Chinese Academy of
Sciences, Beijing 100080)
Abstract Here we discussed the effects of rare earth elements on the growth of medicinal plant cell
and tissue cultured in vitro and biosynthesis of secondary metabolites in the cultured materials.
Increased data has shown that the application of rare earth elements has splendid prospects in
medicinal plant cell and tissue culture.
Key words Rare earth elements, Medicinal plant, Plant cell and tissue culture
稀土元素是元素周期表中的镧系元素(15
种)和与镧系元素化学性质相似的钪、钇共17
种元素的总称。我国稀土储量丰富，占全世
界的 80%。我国科技工作者从 1972年起就开
始了稀土农用的研究，经过几十年的努力，
在稀土农用方面取得的成就已居世界先进水
平。稀土已成功地应用于作物栽培、中药材
种植、畜牧业及水产养殖等领域并产生了可
观的经济效益 (陈浩等，2001；曲克明等，
2002)。
采用植物细胞大规模培养技术生产药用成
分是满足临床上对珍稀濒危中药材的需求以及
保护自然资源、维护生态环境的一条有效途
径。其中需要解决的一个关键问题是提高植
物细胞有效次生代谢产物的产量，降低生产
成本，实现工业化生产。国内外在筛选高产
细胞系、优化培养基、改善培养方式、添加
前体物和真菌诱导子以及应用转基因技术等方
面进行了大量的研究，并取得了一定的成效
(赵德修和李茂寅，2 0 0 0；胡萍和元英进，
2002)。近年来，鉴于稀土元素对植物生长具
有广泛的促进作用，国内已将稀土元素用于
116 22(1)
植物细胞和组织培养中，如用于长春花
(Catharanthus roseus)、东北红豆杉(Taxus
cuspidata)和银杏(Ginkgo biloba L.)细胞培养分
别生产长春碱(元英进和胡宗定，1993)、紫杉
醇(元英进等，1 9 9 8 )和总黄酮(崔堂兵等，
2002)等。在这些研究中均发现稀土明显促进
次生代谢产物的合成，而国外在此领域的研
究寥寥无几。本文介绍了近年来稀土用于药
用植物细胞和组织培养方面的研究进展。
1 稀土元素对药用植物细胞生长及
次生代谢产物合成的作用
近 10年间，稀土被用于多种药用植物细
胞的培养，在促进细胞生长及次生代谢产物
合成方面效果显著。元英进和胡宗定(1993)首
次将稀土元素镧引入长春花细胞培养中，发
现 20、40、60 mg.L-1的硝酸镧均能促进长春
花细胞的生长及生物碱的积累，其中20 mg.L-1
硝酸镧效果最好，60 mg.L-1硝酸镧效果最
差。Zhao等(2000)也发现稀土化合物Ce2O3、
CeCl3、Y2O3和NdCl3可显著促进长春花细胞
生物碱的合成，添加 Ce2O3和 CeCl3后，阿
吗碱 (ajmalicine) 的总产量分别是对照的11倍
和 9倍；而添加Y2O3和NdCl3后，长春质碱
(catharanthine) 的总产量分别是对照的30倍和
25倍。元英进等(1998)在随后对东北红豆杉的
研究中发现，当发酵液中添加的稀土元素镧
及铈浓度较高时(200 mg.L-1)，均能明显改变
东北红豆杉的生长模式，使细胞生长的延迟期
与对数期缩短，平稳期消失，并于衰亡期出现
生物量的周期性振荡。1 mmol.L-1的铈能诱导
东北红豆杉细胞发生凋亡(元英进等，2001)，但
促进紫杉醇合成的效果显著，紫杉醇产量是对
照实验的 4.5倍(胡国武和元英进，2000)。Wu
等(2001)也发现稀土元素镧在1.15~23.0 mmol.L-1
间可促进紫杉醇的合成与释放，其中5.8 mmol.L-1
的镧效果最好，比对照的紫杉醇产量提高了近
3倍。而当镧的浓度高于 23 mmol.L-1时，
红豆杉细胞的生长受到抑制。
鲁宽科等(1998a)发现稀土元素(Eu3+)有类
似植物激素的作用，低浓度时(≤ 1 mg.L-1)促
进大黄(Rheum palmatum Linn.)愈伤组织的生
长，高浓度时(>1 mg.L-1)则抑制细胞生长，
添加1 mg.L-1的Eu3+使愈伤组织中的大黄素和
大黄酚的含量分别是对照的10倍和130倍。在
对其他药用植物细胞培养的研究中也发现相似
的规律，如卢萍等(1998)发现，0.1 mg.L-1的
Yb3+和 1 mg.L-1的 Eu3+促进黄连(Coptis
chinensis Franch)愈伤组织的生长，而在更高
浓度时则抑制其生长。崔堂兵等(2002)发现，
低浓度的硝酸铈铵对银杏细胞的生长影响不
大，高浓度则抑制细胞生长，10 mg.L-1的硝
酸镧促进细胞生长效果最好，1 mg.L-1的硝酸
铈铵及10 mg.L-1的硝酸镧均能促进银杏萜内
酯的积累。Yuan等(2002)发现 Ce3+、La3+及
混合稀土在合适的浓度范围内可促进水母雪莲
(Saussurea medusa)细胞的生长及黄酮类化合物
的合成，其中以 0.025 mmol.L-1 的 Ce3+效果
最佳，细胞生物量和黄酮类化合物产量分别
是对照实验的134.4%和166.7%；同时发现在
培养基中不含外源激素6-BA的条件下，合适
浓度的Ce3+可替代6-BA对细胞生长及黄酮合
成的促进作用，而高浓度的这几种稀土元素
则抑制细胞的生长及黄酮的合成。Ouyang等
(2003)在对肉苁蓉(Artemisia annua L.)细胞培养
的研究中也有类似的发现，Nd3+、La3+、Ce3+
及混合稀土在合适的浓度范围内可促进肉苁蓉
细胞的生长及苯乙醇糖甙(PeG)的合成，其中
以 0.02 mmol.L-1 的混合稀土效果最佳，细胞
生物量和PeG产量分别是对照实验的2倍和
2.7倍，同样，高浓度的这几种稀土元素则抑
制细胞的生长及 PeG的合成。
2 稀土元素添加时间对植物细胞生
长及次生代谢产物合成的影响
元英进和胡宗定(1993)的研究发现，在前
1172005 袁晓凡等: 稀土元素在药用植物细胞和组织培养中的应用
指数期加入稀土元素镧对长春花细胞生长和生
物碱积累均有明显的促进作用，在后指数期
加入稀土元素镧对长春花细胞生长和生物碱积
累亦有促进作用，但其影响程度较前指数期
加入小。另有报道(元英进等，1998)也表明，
在细胞生长对数期加入稀土化合物能显著提高
东北红豆杉细胞合成与紫杉醇释放的量。在
加入稀土化合物的同时，补加碳源有利于细
胞合成紫杉醇。崔堂兵等(2002)的研究发现，
硝酸镧的适宜添加浓度随添加日期有所不同，
在培养当天添加为 10 mg.L-1，而在培养的第
10天添加则为 1 mg.L-1。Wu等(2001)的研究
中，5.8 mmol.L-1的镧在云南红豆杉 (Taxus
yunnanensis) 细胞生长的指数期的中期添加，
对紫杉醇的合成与释放的效果最好。刘世名
和梁世中(1999)报道了在发菜 (Nostoccommune
flagelliforme) 细胞培养的第4天(共培养16天)
加入100 mg.L-1的硝酸镧对促进细胞生长的效
果最好。
由以上研究中基本可发现一个规律，即
在植物细胞生长的指数前期和中期加入稀土元
素，对细胞生长及次生代谢产物合成的促进
效果最明显。
3 稀土元素对胚性愈伤组织分化的
影响
陈书安等(2003)发明了一种在固体培养基
中添加稀土元素以促进藏红花(Crocus sativus
L.)胚性愈伤组织分化成芽，进而成长为无菌
苗的方法。当合适浓度Ce3+添加到培养基中
后，芽的诱导率比对照提高了 82%。
4 稀土元素的作用机理
4.1 稀土可能是生物活性金属的调节剂
在植物细胞中，Ca2+对于维持细胞正常
功能和信息传递等起着十分重要的作用。稀
土离子在性质和结构上均与 Ca2+ 很相似，在
生物体中常作为Ca2+的拮抗剂，被称为“超
级钙”，它们不但可以占据 Ca2+ 的位置与生
物大分子结合，在一定条件下还可以取代已
结合的 Ca2+，干扰 Ca2+的正常机能。例如，
Ca2+在调节植物细胞壁渗透功能方面起着重要
的作用，当严重缺钙时，细胞质外渗过量，
影响正常生长。但适当的稀土可以部分顶替
钙的作用占据钙在细胞壁上的位置，从而缓
解了作物缺钙的症状。如果钙量过大，稀土
占据了细胞壁上的部分钙结合点后，排斥和
阻止更多的钙在细胞壁上结合，从而减轻了
多余的钙对植物体的伤害作用 (董倍等，
1993)。胡国武等(2000)在研究稀土对红豆杉细
胞内游离Ca2+浓度的影响时，发现1 mmol.L-1
的(HH4)2Ce(NO3)6短时间(30分钟)刺激红豆杉
细胞原生质体后，引起 Ca2+浓度的振荡，加
入钙阻断剂可使钙的振幅减小且频率变慢，
推测稀土引起的钙振荡是由胞内钙库的释放和
胞外钙的内流共同作用的结果。红豆杉细胞
经稀土的长期作用后，细胞内 Ca2+浓度显著
降低，推测稀土离子干扰了钙调蛋白的正常
生理机能，延缓了细胞的有丝分裂(胡国武和
元英进, 2000)。鲁宽科等(1998b)的研究发现氯
化铕促进植物细胞生长的作用可以被钙调蛋白
拮抗剂抑制，说明氯化铕对愈伤组织的促进
作用与钙调蛋白有关。稀土离子可能通过对
Ca2+、Mg2+和 Fe2+等金属离子的置换与竞争
从而影响了一些生物酶以及一些生物大分子的
生理功能，但稀土离子并不能真正代替任何
一种金属或营养元素，说明稀土只具有植物
细胞生长调节剂的属性，而不是植物细胞生
长的一种必需营养元素(郭伯生，1999)。
4.2 稀土元素对植物细胞超微结构的影响
鲁宽科等(1998b)在研究氯化铕对大黄愈伤
组织超微结构的影响时发现，添加低浓度的
氯化铕(1 mg.L-1)能明显地刺激大黄外植体脱分
化形成愈伤组织，细胞增殖加快；浓度为 10
mg.L-1的氯化铕可使大黄愈伤组织细胞的线粒
体、叶绿体和内质网变异，出现胞间连丝。
118 22(1)
线粒体是细胞进行氧化磷酸化的场所，对细
胞损伤非常敏感，其形态的改变将对生物能
源产生影响，导致生物代谢速率及物质转运
的变化，从而影响一些酶的活性与功能(聂毓
秀等，1989)。胞间连丝是细胞进行物质运输
的通道，加入10 mg.L-1的氯化铕出现胞间连
丝，说明该浓度的氯化铕可能有促进细胞分
化的作用，而愈伤组织细胞的分化现象与次
生代谢产物的合成是密切相关的，因此该浓
度的氯化铕可能会提高次生代谢产物的含量。
鲁宽科等(1998a)的另一研究证实了以上的推
测，适当浓度的铕使愈伤组织中大黄素和大
黄酚的含量比对照分别提高10倍和130倍。另
外还有研究表明，较高浓度的Ce4+(1 mmol.L-1)
对南方红豆杉(Taxus chinensis)细胞的超微结
构有明显的影响，使线粒体变形，推测 Ce4+
引起一系列细胞代谢功能的改变，促进初级
代谢向次生代谢转化，提高次生代谢产物的
合成(胡国武和元英进, 2000)。此浓度的 Ce4+
还可诱导悬浮培养的东北红豆杉细胞发生凋亡
(元英进等，2001)。
4.3 稀土元素对植物细胞增殖力及相关酶
系的影响
研究表明，红豆杉细胞培养8天后细胞中
酯酶同工酶的形成受到抑制，使细胞生长开
始下降，细胞的代谢由初级代谢向次级代谢
物质合成转移，促进了次生代谢物质的积累
(元英进等，2001)。在研究稀土对紫杉醇的代
谢调控中发现较低浓度的Ce4+ (0.1 mmol.L-1)在
细胞培养的中期使细胞 DNA含量显著增加，
提高细胞的增殖能力，在细胞培养的后期使
细胞的脱氢酶活性显著提高，说明细胞活力
明显增强，在细胞培养的全过程使苯丙氨酸
解氨酶(PAL)活性提高，但对提高紫杉醇含量
的影响不大；而较高浓度的Ce4+ (1 mmol.L-1)
对细胞DNA含量的作用快速但较短暂，并且
在培养后期对细胞增殖能力有抑制作用，在
细胞培养前期呈现出对细胞活力的抑制作用，
且持续时间较长，到培养的最后一天细胞活
力才出现显著的增高，在细胞培养的早期使
PAL酶活性快速升高，促进细胞的分化，而
后则使 PAL酶活性快速下降并保持在一定水
平，较高浓度的Ce4+在细胞培养的前期显著
提高了紫杉醇的含量(葛志强等，2000)。稀
土元素对植物细胞内关键酶基因的表达也
有明显影响，胡国武等 ( 2 0 0 0 )的研究表
明，0.1 mmol.L-1的Ce4+能够提高紫杉烯合
成酶基因的转录水平，促进紫杉醇的合成。
4.4 稀土元素对活性氧的清除作用
活性氧是植物逆境伤害及衰老的重要因
素，可使脂质过氧化、生物膜结构破坏、蛋
白质失活和代谢紊乱，从而造成对细胞的毒
害。植物生长过程中产生的活性氧主要是氧
自由基和氢氧自由基，稀土元素活泼的化学
性质和强络合能力决定了它们在一定条件下可
能成为植物细胞内有害自由基的清除剂。研
究表明，使用铈处理小麦种子后，可以使超
氧化物阴离子自由基的产率下降(郭春绒等，
2000)。王金胜等(1997)研究了铈离子清除超氧
物自由基的机理，其综合模式为：
Ce3++O2
-. +2H+→Ce4++H2O2
Ce4++O2
-. →Ce3++O2
4.5 稀土元素对细胞膜渗透性的影响
许多研究表明，金属离子可以改变不同
物种, 如动物、植物、酵母及藻类等细胞膜的
通透性(Pooviah and Leopold, 1976; Vangronsve-
ld and Clijsters, 1994)。稀土元素可能通过增强
植物细胞膜的通透性，进而增强细胞对营养
物质的吸收、利用与转化，促进植物细胞的
生长及次生代谢产物的合成与释放(Wu et al.,
2001)。
稀土影响植物细胞生长代谢的原因是多
方面的，目前对稀土元素的作用机理尚缺
乏全面系统的研究和认识，需进行更广泛
深入的研究。
1192005 袁晓凡等: 稀土元素在药用植物细胞和组织培养中的应用
5 展望
深入研究稀土元素对次生代谢途径中关键
底物、关键酶和限速酶等的影响，结合光
照、温度、添加底物及其他诱导子等条件，
对药用次生代谢产物进行综合调控，进一步
提高次生代谢产物的产量。
以往的关于稀土元素用于植物细胞培养的
研究仅限于在摇瓶中进行，限制了稀土元素
在植物细胞大规模培养中发挥作用。建议先
在摇瓶内深入研究稀土对植物细胞生长及次生
代谢产物合成的调控规律，并在此基础上将研
究结果用于药用植物细胞的反应器培养中，获
得稀土元素对植物细胞反应器培养的调控规
律，实现植物细胞大规模培养生产药用次生
代谢产物。
稀土元素作为一种非生物诱导子，可激
发植物细胞的防御系统，促进次生代谢产物
的合成。由于植物细胞本身的保护机制以及
某些离体植物细胞遗传的不稳定性，使得添
加稀土元素的促进作用有时不甚明显，限制
了这种手段的应用。这些问题尚需进行深入
的研究，使稀土元素在药用植物组织培养上
发挥更大的作用。
总之，我国稀土储量丰富，有必要对这
一资源进行充分的开发和利用。将稀土元素
用于珍稀濒危药用植物组织培养生产药用代谢
产物便是一条很好的利用途径，相信在此领
域进行更多更深入的研究并解决关键技术问
题，将产生重大的社会效益及经济效益。
参 考 文 献
陈浩,刘汉兰,董元彦 (2001) 稀土元素与中草药关系
的探讨.广东微量元素科学, 8(3): 1-8
陈书安, 王晓东, 赵兵, 王玉春 (2003)一种生长藏
红花无菌苗的方法.专利申请号：03142559.3
崔堂兵, 张长远, 郑穂平, 郭勇, 蒋玲兰 (2002) 稀
土元素对银杏悬浮细胞生长和次生代谢产物积
累的影响.广东农业科学, 5: 29-31
董倍, 吴兆明, 汤锡珂 (1993) 氯化镧对缺钙黄瓜根
系生理的影响. 中国稀土学报, 11: 65-68
葛志强, 李景川, 元英进, 胡宗定 (2000) Ce4+对悬
浮培养南方红豆杉细胞DNA含量和PAL活性的影
响.稀土, 21(5): 35-37
郭伯生 (1999) 稀土在生物领域中研究进展. 稀土,
20(1): 64-68
郭春绒, 史瑞雪, 王金胜, 程玉香 (2000) 铈对小麦
幼苗叶绿体的保护作用.中国稀土学报, 18: 367-
369
胡国武, 马征, 王艳东, 元英进 (2000) 稀土对红豆
杉细胞中紫杉烯合成酶基因转录的影响. 中国
稀土学报, 18: 360-362
胡国武, 元英进 (2000) 硝酸铈对红豆杉细胞培养
及紫杉醇合成的影响.稀土, 21(2): 49-51
胡萍, 元英进 (2002) 添加诱导子和紫杉醇合成前
体物对红豆杉细胞培养的影响.中国医药工业杂
志, 33: 223-225
刘世名, 梁世中 (1999) 镧对发菜细胞培养及氨基
酸成分的影响, 中国稀土学报, 17: 60-64
卢萍, 鲁宽科, 郑俊华, 果德安 (1998) 稀土对黄连
愈伤组织生长的影响.北京医科大学学报, 30:
389-391
鲁宽科, 常振战, 裴德清, 果德安, 郑俊华, 王夔
(1998a) 稀土元素铕对大黄愈伤组织生长及蒽醌
类成分的影响.西北药学杂志,13(5): 199-200
鲁宽科, 陈宝卫, 王夔, 果德安, 郑俊华 (1998b) 氯
化铕对大黄愈伤组织生长及超微结构的影响.中
国稀土学报, 16: 371-374
聂毓秀, 陈玉兰, 王晓辉, 赵培林, 张树功, 牛吉春,
倪嘉缵, 李振祥 (1989) 镧、钐、铕及镱化
合物对体外培养Hela细胞的作用. 中国稀土学
报, 7(4): 58-64
曲克明, 辛复言, 刘立波 (2002) 稀土元素在海水养
殖中的研究进展.海洋水产研究, 23(3): 62-66
王金胜, 郭春绒, 程玉香 (1997) 铈离子清除超氧物
自由基的机理. 中国稀土学报, 15: 151-154
元英进, 胡国武, 王传贵, 景莹, 周永洽, 申冸文
(1998) 镧、铈对红豆杉细胞生长及紫杉醇合成
120 22(1)
与释放的影响.中国稀土学报, 16: 56-60
元英进, 胡宗定 (1993) 稀土元素对长春花植物细
胞培养的影响.稀土, 14 (3): 30-33
元英进, 葛志强, 王艳东, 马振毅, 胡宗定 (2001)
铈诱导悬浮培养的东北红豆杉细胞发生凋亡.
中国稀土学报, 19: 357-361
赵德修, 李茂寅 (2000) 培养基及其组成对水母雪
莲悬浮培养细胞生长及黄酮形成的影响.生物工
程学报, 16(1): 99-102
Ouyang J, Wang XD, Zhao B, Yuan XF, Wang YC
(2003) Effects of rare earth elements on the growth
of Cistanche deserticola cells and the production of
ph en ylethan oid glyco sides . Jo urna l o f
Biotechnology, 102: 129-134
Pooviah BW, Leopold AC (1976) Effects of inorganic
salts on tissue permeability. Plant Physiology, 58:
182-185
Vangronsveld J, Clijsters H (1994) Toxic effects of
metals. In ME Farargo, ed, Plants and the Chemical
Elements. VCH Verlagsgellschaft GmbH, Weinheim,
Germany, pp. 149-177
Wu JY, Wang CG, Mei XG (2001) Stimulation of taxol
production and excretion in Taxus spp. cell cultures
by rare earth chemical lanthanum. Journal of
Biotechnology, 85: 67-73
Yuan XF, Wang Q, Zhao B, Wang YC (2002) Improved
cell growth and total flavonoids of Saussurea me-
dusa on solid culture medium supplemented with
rare earth elements. Biotechnology Letters, 24: 1889-
1892
Zhao J, Zhu WH, Hu Q (2000) Promotion of indole
alkaloid production in Catharanthus roseus cell cul-
tures by rare earth elements. Biotechnology Letters,
22: 825-828