全 文 ：中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 44 卷 第 20 期 2013 年 10 月

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药用植物干细胞培养技术及其应用
徐春明，王英英，庞高阳，李 丹
北京工商大学食品学院 食品添加剂与配料北京高校工程研究中心 北京市食品风味化学重点实验室，北京 100048
摘 要：着重介绍了药用植物干细胞培养技术的建立方法及其在长期培养、悬浮培养、扩大培养及低温储藏方面较传统植物
细胞培养技术的优势，同时综述了药用植物干细胞培养技术在生产天然产物，开发药品、功能性食品和化妆品，建立主细胞
库及基础研究等方面的应用，并对其未来的发展方向进行了展望。
关键词：药用植物；干细胞培养；悬浮培养；天然产物；低温储藏
中图分类号：R282.1 文献标志码：A 文章编号：0253 - 2670(2013)20 - 2940 - 06
DOI: 10.7501/j.issn.0253-2670.2013.20.026
Stem cell culture technique of medicinal plants and its application
XU Chun-ming, WANG Ying-ying, PANG Gao-yang, LI Dan
Beijing Key Laboratory of Flavor Chemistry, Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and
Ingredients, School of Food and Chemical Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China
Key words: medicinal plants; stem cell culture; suspension culture; natural products; cryopreservation

植物是许多重要药用化学物质的来源。许多植
物含有抗病毒、抗菌、抗癌和抗氧化等生理活性的
化合物，对人类的肿瘤、衰老、心血管等多种疾病
的防治具有重要意义。植物是探究新药的理想来
源，因此越来越多的研究者关注植物次生代谢产物
的生产。
获取药用植物次生代谢产物的方法有许多种，
目前多数是从药用植物中直接提取。但是很多药用
植物生长缓慢，次生代谢产物的量低而且许多仅存
于特定的植物器官中，难以适应现代制药工业生产
的需求[1]；采用化学合成也难以实现原料供应，因
为很多次生代谢产物化学结构非常复杂和独特，涉
及的生物合成途径繁杂，合成成本高。因此，尤其
是对于一些珍稀濒危的中药来说，植物细胞培养依
旧是获取次生代谢产物相对可行的选择。目前通过
植物细胞培养成功的例子已经有很多，如从红豆杉
中培养获得紫杉醇，从紫草中培养获得紫草素，从
人参中培养获得人参皂苷等[2-4]。尽管如此，植物细
胞培养在工业生产中还存在很多局限性[5-6]，如传统
植物细胞培养需经历一个脱分化过程，但脱分化细
胞的次生代谢产物丰度非常低，甚至根本没有[7-9]，
而且在这个过程中会发生体细胞突变，导致细胞系
遗传稳定性降低；另外在长期培养过程中，细胞会
受到环境的影响，增长慢、收益率低，阻碍其商业
化生产[10-15]。Lee 等[16]利用植物干细胞培养技术提
供了一个不同于传统细胞培养的新方案，解决了传
统细胞培养存在的易变异、细胞聚集等瓶颈问题。
本文主要对药用植物干细胞培养技术的建立方法及
其与传统植物细胞培养技术相比较的的优势进行综
述，并对其未来的发展方向进行了展望。
1 植物干细胞
植物干细胞又称为分生组织，是相对于植物体
内已经分化的成熟组织而言的，是植物体内未分化
的细胞。植物分生组织根据其位置可以分为顶端分
生组织和侧生分生组织两大类。其中顶端分生组织
包括茎尖分生组织（shoot apical meristem，SAM）
和根尖分生组织（root apical meristem，RAM）；侧
生分生组织包括维管形成层（vascular cambium）和
木栓形成层（cork cambium）。
植物干细胞是生长发育的源泉和信号调控中心。
它是未分化的细胞，具有很强的自我更新和持续分裂
能力，是拥有永久生存能力的“不朽细胞”[17-18]。

收稿日期：2013-05-17
基金项目：学科与研究生教育——食品学科特色教学科研创新平台建设（PXM2012-014213-000063）
作者简介：徐春明（1978—），男，副教授，博士。研究方向为食品与生物化工。E-mail: xucm78@163.com
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更重要的是它们能够分化产生所有的地上和地下
器官，并根据内外环境和调控信号决定其生长、成
熟和衰老等生物学过程[19]。另外，植物干细胞还
可以通过自我凋亡防止遗传性损伤，避免将有缺陷
的 DNA 遗传下去，从而保护植物不受恶劣环境的
影响。
2 植物干细胞培养技术
植物干细胞培养技术是利用干细胞生长和遗传
特性方面的优势，在传统细胞培养的基础上，以植
物干细胞为目标，诱导、分离和培养外植体，建立
相应的干细胞体系[16]。
植物干细胞培养主要有 3 个步骤：（1）从植物
中获得含有形成层的组织；（2）将含有形成层的组
织在培养基中培养；（3）从形成层中分离细胞，从
而获得形成层来源的干细胞。但根据目标干细胞的
不同，目前主要有 3 种干细胞培养方法。
2.1 主要用于木本植物形成层干细胞的获得
以植物的新生枝条为外植体，表面灭菌后剥离
木质部获得含有形成层、韧皮部、皮质和表皮的组
织，在分离培养基上培养，培养 30 d 后，新生的形
成层干细胞与脱分化的愈伤组织分离，将获得的形
成层干细胞转移到生长培养基上培养。本方法可被
应用于多数木本植物。目前，红豆杉和银杏已经成
功建立了该类干细胞培养体系[16]。
2.2 主要用于草本植物储藏根形成层干细胞的获得
通过对主根进行消毒灭菌，获得含有形成层的
无菌薄片并进行高渗处理，使分化组织（皮层、韧
皮部、木质部、髓部等）失去活性，仅保留形成层
的活力。转移至诱导培养基中培养至有细胞长出，
然后将外植体继代到生长培养基，培养 10～20 d 后，
即可分离得到形成层干细胞，所得干细胞在同样的
培养基上继代培养。本方法可被应用于大部分具有
储藏根的草本植物，如轮叶党参 Codonopsis
lanceolata (Sieb. et Zucc.) Trautv.、羌活Notopterygium
incisum Ting ex H. T. Chang、桔梗 Platycodon
grandiflorum (Jacq.) A. DC.、野葛 Pueraria lobata
(Willd.) Ohwi、人参 Panax ginseng C. A. Meyer 等。目
前，人参已经成功建立了该类干细胞培养体系[20]。
2.3 主要应用于植物根部静止中心干细胞的获得
收集无菌苗含有静止中心的根组织，去掉根冠，
从切口开始截取 1 mm 长作为外植体，将外植体放
入诱导培养基，培养 30 d 后，静止中心干细胞由于
与其他根部组织细胞的不同，两者自然分离，将获
得的静止中心干细胞转移到生长培养基培养[21]。理
论上，此方法适用于任何植物。目前，利用该方法
可得到一年生或多年生草本药用植物的干细胞系。
3 药用植物干细胞培养技术的优势
相对于药用植物细胞培养得到的细胞系来说，
利用药用植物干细胞培养技术获得的干细胞系的细
胞特征和生长特性有所不同，主要在以下几个方面
表现出优势。
3.1 长期培养的优势
传统药用植物细胞培养需要经过脱分化过程，
脱分化过程往往不彻底，出现部分分化现象；细胞
不稳定，易出现体细胞突变现象，长期培养时，在
培养初始阶段生长良好，但随着培养时间的延长，
细胞生长速度降低，很多细胞出现褐变及死亡，细
胞形态也发生变化；而药用植物干细胞培养的干细
胞系在长期培养时，能保持稳定快速生长，形态也
不会发生很大变化。
Jang 等[20]研究表明来自人参形成层的细胞系
白且易碎，能连续增殖直到培养 11 个月甚至更久，
生长速度比来自人参子叶的细胞系快，生长状况和
聚集程度也很稳定。而来自人参子叶的细胞系为黄
色，在培养初期细胞数量可在 4 周内增加 2 倍，但
是培养 5 个月以后，其生长速度降低，开始出现黄
色细胞、白色或者浅灰色含水细胞、褐色细胞及其
他类似的不再增殖的细胞，并逐渐褐化死亡。
将紫杉针叶、胚芽和形成层的细胞系分别接
种在合适的培养基中培养，每 2 周继代 1 次，同
时分析记录 3 种细胞系的干质量。22 个月后，形
成层细胞系的细胞干质量远远大于针叶和胚芽细
胞系，分别增加了 4 000 倍和 3 000 倍[16]。Paek
等[22]研究表明，来源于青蒿和菊花形成层的干细
胞在长期培养过程中能保持稳定的生长率和较低
的聚集度。Yu 等[23]对比研究了番茄干细胞培养和
普通细胞培养的区别，发现来源于茎的愈伤组织
在长期培养过程中生长速度和生长方式发生了明
显的变化，而且细胞有很高的聚集度，许多细胞
变褐坏死，不能进行稳定的长期培养；而来源于
形成层的干细胞在长期培养过程中生长速度和生
长方式没有明显的变化，细胞聚集度也较小，能
进行稳定的长期培养。
另外有研究[21]发现在培养一些草本植物根部
静止中心以外组织 16 周以后，细胞团中可清楚观察
到不定根的形成，而来自静止中心的细胞系在培养
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16 周没有出现形态上的变化。由以上研究可知，利
用形成层干细胞技术进行药用植物规模化生产可以
获得更高的细胞生长量，同时由于干细胞在长期培
养过程中所具有的较高的遗传稳定性，使得干细胞
技术更能适应药用植物细胞培养规模化生产。
3.2 细胞悬浮培养的优势
当植物细胞以细胞团的形式而不是作为单个细
胞被培养时，这种细胞团由于内外环境的差异，导
致细胞生长发生变化。因此，在建立细胞的悬浮培
养时，细胞的聚集度越低，越有利于细胞的生长。
Jang 和 Park 等[20,24]利用光学显微镜分别对人参
和紫杉的干细胞培养和传统细胞培养得到的细胞系
的细胞聚集度进行定量，结果如表 1 所示。另外，银
杏和番茄干细胞在悬浮培养时，大部分以单细胞存
在，小部分以小尺寸的细胞团存在。在观察青蒿干细
胞和来自胚轴外植体的愈伤组织的聚集形态时发现，
干细胞在悬浮培养时的细胞主要以单细胞为主，还有
一些聚集度较小的细胞团，而来自胚轴外植体的细胞
在培养时多数是以较大的聚集体形式存在。此外，来
自一些草本植物静止中心的细胞系在悬浮培养时单
细胞群占 98%，细胞团只有 2%，而来自根部其他组
织的细胞系单细胞群占 10%，细胞团为 90%[21-23,25]。
表 1 人参和紫杉细胞悬浮培养时的细胞聚集度
Table 1 Aggregation rates of ginseng and taxus cells in suspension culture
细胞聚集度 / % 外植体来源
大细胞团（＞1.5×103 μm） 中等细胞团（1×103 μm） 小细胞团（400～1×103 μm） 单细胞群
子叶 90 7 2 1 人参
形成层 0 0 5 95
胚芽和针叶 60.0±3.2 30.0±3.3 7.0±0.6 3.0±0.9紫杉
形成层 0 0 7.4±0.8 92.6±0.8

由此可见，利用植物干细胞培养得到的干细胞
系绝大部分以单细胞存在，小部分以小尺寸的细胞
团存在，最大凝集尺寸仅为 500 μm，而传统细胞培
养的细胞系在悬浮培养时，大部分以细胞团形式存
在，最大凝集尺寸甚至达到 10 mm。这表明干细胞
系在悬浮培养时能更好地生长。
在对 2 种细胞的形态学观察时发现，不同来源的
细胞系细胞特征有所不同。人参形成层的干细胞系具
有许多小液泡，而其子叶的愈伤组织只有一个或者少
数几个大的液泡[20]；来自静止中心的细胞系的细胞核
比来自其他根部组织的大，大约为 2～4 μm[21]；银杏
形成层的干细胞系与其脱分化的愈伤组织相比，具有
的液泡多且小，而且具有多个线粒体[25]；青蒿形成层
的干细胞也具有多个液泡[22]。
3.3 大规模培养的优势
在进行大规模培养时，细胞容易受生物反应器
中剪切力和细胞聚集的影响出现生长速度降低等问
题。来自形成层的干细胞系含有大量的液泡，对剪
切力灵敏度低，并且具有较低的聚集性，细胞生长
能力不会受到影响。
从人参形成层的干细胞系和人参子叶的细胞系
在摇瓶中和 3 L 气升式生物反应器中悬浮培养的时
间可以看出，来自人参形成层的干细胞系在生物反
应器中的生长速度相比于摇瓶并没有降低，而且比
来自人参子叶的细胞系在生物反应器中的生长速度
高约 5～9 倍。另外，来自人参形成层的干细胞系还
可以在 20 L 的气升式生物反应器中培养[20]。同时，
研究者测定了银杏、番茄和青蒿在 3 L 容积的气升
式生物反应器中其普通的愈伤组织和干细胞的生长
速度和生长指数（GI），如表 2 所示[22-23,25]。
表 2 不同细胞在 3 L 气升式生物反应器中的生长状态
Table 2 Growing status of different cells
in 3 L airlift bioreactor
细胞系 生长速度 / 倍 GI
干细胞 3.1 2.27 银杏
愈伤组织 2.3 1.3
干细胞 6.3 5.32 番茄
愈伤组织 1.9 0.9
干细胞 2.87 1.87 青蒿
愈伤组织 1.33 0.33
另外，紫杉干细胞培养体系对各种类型（气升
式、搅拌桨式）、各种规格（3 L、10 L、20 L、3 t）
的生物反应器均具有良好的适应性，相对于脱分化
细胞培养表现出优越的增长特性[16]。这都表明来自
形成层的细胞系可以在生物反应器中规模化生产。
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3.4 细胞低温储藏的优势
在低于−70℃的超低温条件下，有机体内部的
生化反应极其缓慢，甚至终止。因此，采取适当的
方法将生物材料降至超低温，即可使生命活动固定
在某一阶段不衰老死亡。当以适当的方法将冻存的
生物材料恢复至常温时，其内部的生化反应可恢复
正常。传统组织培养的细胞在低温储藏之后存活率
低，且恢复生长能力的延迟期漫长，而来自形成层
的干细胞系在低温储藏后存活率很高，并能较快地
重新生长。
有研究比较了来自草本植物静止中心的细胞系
和来自其他植物根部组织的细胞系以及银杏树皮组
织中诱导的愈伤组织和银杏形成层来源的干细胞在
低温储藏后的存活率，结果如表 3 所示[21,25]。可以
发现来自静止中心的细胞系的存活率远远大于来自
其他根部组织细胞系的存活率；银杏形成层来源的
干细胞在低温储藏后存活率大于银杏树皮组织中诱
导的愈伤组织的存活率。
表 3 不同细胞系在低温储藏后的存活率
Table 3 Survival rates of different cell lines
after cryopreservation
细胞系 存活率 / %
静止中心 85 草本植物
其他根部组织 10
形成层 18.87 银杏
愈伤组织 2.87

另外，在低温储藏后，来自人参子叶外植体的
细胞系不重新生长，而来自形成层的干细胞系在 4
周以后开始重新生长并增殖[20]；来自紫杉形成层
的干细胞系也可在冻存条件下保持良好的生命力。
因此利用干细胞技术可以保存生产性能较好的药
用植物细胞系，也可以用于珍稀濒危植物种质资源
的保存。
4 药用植物干细胞培养技术的应用
药用植物干细胞培养作为一种新技术，解决了
传统药用植物细胞培养的很多难题，可以应用在以
下几个方面。
4.1 生产天然产物
植物干细胞培养技术不经历去分化过程，在长
期培养时，细胞的生长率和生长模式稳定、凝集程
度低、遗传稳定，克服了传统细胞培养细胞生长缓
慢、产量低、成本高等问题，具备商业化生产的基
本条件，可以大量培养以生产有用的植物天然产物。
英国研究人员发明了利用紫杉干细胞低成本生
产紫杉醇的方法[16]。另外有研究表明，悬浮培养紫
杉干细胞还可以生产松香烷型三环二萜、美丽红豆
杉素 A 和美丽红豆杉素 B（它们均被证实具有抗肿
瘤活性[26]），而且生产值远远大于传统脱分化细胞
培养的生产值[16,27]，因此紫杉干细胞可能会为松香
烷提供一个更好的来源。
对从其他植物中提取的干细胞进行培养的研究
表明，这种技术还可以用来生产其他的重要产物，
如利用植物干细胞培养技术培养人参干细胞以生产
人参皂苷[28]。用 3 L 的气升式生物反应器培养人参
干细胞，发现其中的人参皂苷 F2 和七叶胆苷 XVII
的积累量明显高于传统细胞培养[16,29-30]。另外，还
可以利用青蒿干细胞培养技术生产抗疟疾药物青蒿
素，利用银杏干细胞培养技术生产银杏黄酮等。相
信在不久的将来，利用药用植物干细胞培养技术会
为人类提供大量的活性天然产物。
4.2 开发药品、功能性食品或化妆品
药用植物干细胞培养技术培养干细胞获得的细
胞产物的裂解液、提取物和培养物可以作为活性成
分用于药品、功能性食品、化妆品中。
如来自野山参或人参形成层的植物干细胞系，
其裂解液、提取物及其培养物作为有效成分的组合
物，有以下功效：（1）增加肝炎病毒的 s 抗体（Blab）
及 e 抗体（Heap），抑制肝炎病毒的增殖，预防和
治疗肝疾病；（2）直接作用于癌细胞，抑制肿瘤的
形成和生长；（3）有效增强具有先天免疫功能的 NK
细胞的活性，大大加快淋巴结细胞的增殖速度，增
强后天免疫力；（4）抑制由 UV 辐射引起的活性氧，
有效减少或抑制与衰老有关的因素，从而预防和抑
制衰老；（5）有效增加 CD4+T 细胞等的数量，减少
人类免疫缺陷病毒（HIV）数，防治由于免疫障碍
引起的几率性感染、神经机能障碍等，预防和治疗
获得性免疫缺陷综合征。因此可以将药用植物干细
胞培养技术用于药学制剂，也可以用于制备功能性
饮料，还可以用于化妆品中，制备护肤液、乳液、
营养霜、按摩霜和面膜等[31-35]。
来自青蒿形成层的干细胞及其培养物不仅对脂
多糖（LPS）诱导细胞释放 NO 有抑制作用，而且
能抑制环氧合酶-2（COX-2）的表达，因此可以作
为有效的抗炎成分应用于药品、化妆品中[22]；来自
紫杉形成层或原形成层的细胞系，其溶解产物、提
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取物及培养物可以诱导癌细胞死亡，并抑制肿瘤血
管的生成，具有抗癌活性[24]；来自番茄形成层的干
细胞及其培养物能抑制与老化相关的酶的生成，抑
制效率高于改善皱纹效果很强的视黄酸[23]。
4.3 建立细胞系库和种质资源的保存
建立细胞系库可使植物细胞采用类似动物细胞
冻存-复苏的培养方法，解决植物细胞培养过程中的
变异问题。该方法简单可行，但是一般的植物细胞
冻存后存活率低，恢复生长能力的延迟期漫长[36]，
因此限制了其在植物细胞培养中的应用。
来自形成层的干细胞系在低温储藏方面有优
势，不仅有高的存活率，而且在低温储藏前后生长
速度的差别不大，能稳定长期保存，具备了建立细
胞系库的前提。此外，植物干细胞培养的建立方法
多样，使该技术能普遍推广，因此药用植物细胞系
库可以容纳的药用植物种类将非常丰富。细胞系库
的建立不仅会使研究材料的供应得到缓解，使药用
植物细胞系的研究周期缩短，而且将在药用植物种
质资源的保存方面发挥关键作用。
4.4 用于基础研究等其他方面
除了以上应用，利用药用植物干细胞培养技术还
可以进行药物代谢研究、遗传机制研究等，使利用药
用植物干细胞培养生产活性物质更持久、更有效地进
行下去。此外，植物干细胞研究中还有一些尚待解决
的问题，例如模式植物拟南芥中发现的调控机制是否
可以应用到其他植物上以及植物激素与植物干细胞
的关系等。而且，药用植物干细胞技术可为探索植物
干细胞功能提供一个重要的生物工具。
5 药用植物干细胞培养技术的展望
药用植物干细胞培养作为一种新技术，是植物
细胞培养的一个新阶段，其为解决传统细胞培养遇
到的问题提供了一个全新的解决方案。但是到目前
为止，药用植物干细胞培养仍然存在着一些不足和
疑问。如来源于人参形成层的干细胞系提取物和培
养物的抗衰老和抗氧化活性不是依赖于人参皂苷的
作用，而且植物干细胞培养得到的细胞系中含有与
常规野山参细胞不同的活性成分。但是由形成层得
到的干细胞系是否含有与常规野山参不同的活性成
分，以及为什么会合成新的活性物质，这种新的物
质是什么，这一系列问题目前尚未得到更为深入的
研究。虽然已经利用植物干细胞培养技术成功得到
某些药用植物的干细胞，但是植物不同，干细胞培
养的建立方法也可能有所不同，因此还需要一定的
实验对目前的方法进行完善。另外，相关报道中显
示诱导形成层的干细胞系时使用的激素是特定的。如
诱导草本植物形成层的细胞系时需要添加 3-吲哚乙
酸（IAA）或 3-吲哚丁酸（IBA），使得仅专一性地
诱导形成层细胞分裂，可获得来自形成层的干细胞
系。但是如果使用另一种植物激素诸如 2, 4-D、氯
苯氧乙酸（CPA）和 1-萘乙酸（NAA）处理外植体
时，细胞系在所有组织中均被诱导。这说明不同植
物激素对形成层干细胞的诱导具有选择性。因此如
果能更好地了解生长素以及细胞分裂素调控形成层
的分子机制，将更有利于药用植物干细胞培养中干
细胞系的诱导和增殖。
目前，药用植物干细胞技术由于各种原因还没
有广泛应用。但是随着该技术的完善和推广，其巨
大优势会逐渐显现出来，并将大大推动与之相关的
食品、医药和化妆品等行业的发展。
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