免费文献传递   相关文献

Progress in research and application of gene engineering on medicinal plants

药用植物基因工程研究和应用展望



全 文 :·综述·
药用植物基因工程研究和应用展望
王 敏,黄璐琦,李萌萌
(中国中医科学院 中药研究所,北京 100700)
[摘要] 我国是世界上最大的药用植物贸易国和消费国。药用植物基因工程的研究和应用是提高药用植物
生产效率和品质,减轻资源的压力,增强我国药用植物产业的竞争力,并使之能够可持续发展最快捷、最有前途的
手段之一。虽然植物基因工程的研究和应用已经取得了长足的进展,但是目前为止,植物基因工程的研究更多还
是集中于一些传统的模式植物上;尽管已有上百种植物中已经有成功转入外源基因的报道,但植物基因工程的应
用也还局限于一些大宗的重要农作物品种上。对于药用植物来说,基因工程的研究近年来逐渐出现,并有增多的
趋势,但总量依然很少。笔者在介绍植物基因工程应用概况的基础上,对药用植物基因工程研究和应用的现状进
行了综述,提出所存在的问题,并对其发展前景进行了展望。
[关键词] 药用植物;基因工程;展望;问题
[中图分类号]Q78 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)12136507
[收稿日期] 20070320
[通讯作者]  黄璐琦,Tel:(010)640144112955,Email:
huangluqi@263.net
  药用植物不仅可作为化学药品的原料,而且本身就作为
药物应用于传统医学保健和治疗中。随着当前世界医学模
式和观念的转变,传统医药日益受到重视。据世界卫生组织
估计,目前全球达八成人口使用不同的传统医药治病保健。
据国外一些权威机构的调查,在发达国家和地区,每年约有
20%~65%的患者接受过补充和替代疗法[1],更毋论许多药
效显著、需求量大的化学药品在生产上依赖于直接从药用植
物中进行提取,著名的如紫杉醇、青蒿素等。这种趋势使得
世界各地对药用植物的需求日渐迫切,药用植物的栽培和生
产在世界农业中所占的比例必然也随之越来越高。
目前,我国是世界上最大的药用植物贸易国和消费国,
也是世界上药用植物资源最丰富的国家之一,已查明的药用
植物有11118种(含1208个种以下单位)[2]。因此,药用植
物的生产,尤其是已掌握栽培技术的药用植物的生产,在我
国的农业发展体系中尤其具有战略意义。目前,我国种植的
大宗中药材达150余种[3]。然而,在国际竞争日益激烈的今
天,生态环境的破坏、土地和其他自然资源的减少和恶化、生
产效率和技术含量的低下、产品质量的参差不齐等现状,使
我国的药用植物生产面临严峻的挑战。在这种背景下,只有
借助于先进的科学技术手段,提高药用植物的生产效率和品
质,才能减轻资源的压力,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。其中,基
因工程在药用植物上的应用是最快捷、最有前途的手段之
一。植物基因工程在世界范围内的研究和应用已有20多年
的历史,发展十分迅速,但与之形成鲜明对比的是,由于种种
原因,我国药用植物的基因工程研究十分滞后,目前尚在起
步阶段,且很少得到重视。针对这种现状,笔者对目前植物
基因工程的应用概况,以及药用植物基因工程研究和应用的
现状和前景进行综述和展望。
1 植物基因工程的应用概况
目前,植物基因工程的研究和应用主要集中在抗性育
种、品质改良、生物反应器等方面。自20世纪80年代首批
转基因植物问世并进入田间试验开始,植物基因工程在世界
范围内的研究和应用得到迅猛发展。
1.1 转基因植物产品的种类和种植面积在世界范围内日益
扩大 据不完全统计,迄今国内外批准商业化应用的各类转
基因植物产品已近90种,仅美国和加拿大就超过了50种。
至今国际上已有30个国家批准数千例转基因植物进入田间
试验、涉及的植物种类有40多种。全球种植大豆、玉米、棉花
和卡诺拉油菜中有1/5以上是转基因作物[4]。另据国际农业
生物技术产业应用服务中心(ISAAA)主席 CliveJames统
计[5],转基因作物的种植面积从1996年的170万hm2已增加
到2005年底的9000万hm2,增加了50多倍,连续10年保持
10%以上的增长率;尤其具有里程碑意义的是,截止2005年,
世界上已有21个国家在商业化种植转基因植物,其中4个最
新的成员来自于对转基因产品持最保守态度的欧盟。
1.2 我国是植物基因工程应用增长最快的国家 在这些国
家中,美国、阿根廷、巴西、加拿大和中国是世界上种植转基
因作物最主要的国家。我国是种植转基因作物年度增长百
分率最高的国家。CliveJames曾明确指出,中国几乎毫无疑
·5631·
第33卷第12期
2008年6月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.33,Issue 12
June,2008
问会成为全世界生物技术农业的领头羊之一[6]。在高新技
术研究与发展计划及国家科技攻关计划的资助下,我国转基
因植物的研究和产业化取得了显著的进展。在过去20年
间,我国的植物基因工程研究涉及了50多种作物,120多个
基因,并已有16个作物正在进行田间试验,其中一些已经进
行商品化生产。研究对象几乎包括了所有主要的粮食和饲
料作物,涉及的性状也多种多样。在2001年我国应用的16
种转基因作物共26种基因工程遗传改良作物性状中,21%
与改进病毒病抗性有关,20%为抗虫性,15%为抗病性,7%
为除草剂抗性,剩下不足5%的为抗盐性、耐冷性、耐贮藏、
观赏花卉颜色等[7,8],而我国的转基因棉花种植面积已经超
过了棉花总种植面积的50%[4]。
1.3 植物基因工程的应用带来巨大的经济和社会效益 转
基因植物的应用已经带来了巨大的经济和社会效益。自
1996年商品化生产以来到2004年底的9年间,全球转基因
作物的市场交易额已累计高达240亿美元,且逐年呈上升趋
势,仅2004年度的市场额就为47亿美元[6]。不仅如此,基
因工程的应用还带来了另外一些不可估量的价值,例如,抗
虫转基因作物的种植导致杀虫剂使用量的明显减少。仅抗
虫转基因棉花1项就估计可使全球杀虫剂使用量减少33
万吨,即降低40%。2001年,仅美国种植6种抗性转基因作
物就使该国杀虫剂使用量减少23万吨。同时,种植抗性转
基因作物还降低了生产成本,减少了产量损失,2002年度从
种植抗性转基因作物中获益的农民在 550万 ~600万[7]。
由此可见,植物基因工程的应用和产业化,不仅带来了直接
的经济效益,而且对环境、社会所产生的深远影响也是不言
自喻的。此外,植物基因工程应用的另一个重要的趋势就是
作为生物反应器。目前,可以通过转基因植物生产的药用蛋
白有:人血红蛋白、血清白蛋白、人类葡萄糖脑苷脂酶
(HGC)、天花粉蛋白、白细胞介素、单克隆抗体、脑啡呔、小
儿麻痹症疫苗、狂犬疫苗、霍乱疫苗等;另外,还可以应用转
基因植物生产胡萝卜素、果聚糖、工业淀粉等各种人类所需
的保健食品或工业原料[5]。
2 药用植物的基因工程研究和应用进展
植物基因工程的研究和应用在过去的20余年间获得了
蓬勃的发展,无论在技术上还是在应用上已日趋成熟,并且
显示出广阔的应用前景。但是迄今为止,植物基因工程的研
究更多还是集中于一些传统的模式植物上;尽管已有上百种
植物中已经有成功转入外源基因的报道,但植物基因工程的
应用也还局限于一些大宗的重要农作物品种上。对于药用
植物来说,有关基因工程的研究近年来逐渐出现,并有增多
的趋势,但总量依然很少。目前,对药用植物的基因工程研
究,多数集中在转基因器官培养上,而对于药用植物基因工
程育种方面,大部分还停留在对模式基因转化的研究上,只
有少数在抗除草剂、抗病毒方面已经在实验室获得了转基因
植株,也还有一些研究正在进行中。而真正在生产中得到应
用的迄今为止还未见报道。
2.1 药用植物转基因器官培养 植物转基因器官培养是
植物基因工程的应用途径之一。转基因器官培养的目的是
生产特定的化学成分,避开转基因作物的遗传稳定性、安全
性评价等环节,药用植物本身就是产生一些有价值的次生
代谢产物的载体,因此,在药用植物转基因器官培养方面的
研究和应用要远远多于药用植物基因工程育种。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
粒转化形成的发状根作为培养系统来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。
根癌农杆菌在感染植物时将其 Ti质粒的 TDNA片断
整合进入植物的基因组,从而诱导冠瘿瘤组织的发生。冠瘿
瘤离体培养时,具有激素自主性、增殖速率较常规细胞培养
快等特点,其次生代谢产物合成的稳定性与能力较强,因此
在生产有用的次生代谢产物方面有良好的开发前景。根据
胡忠等[9]的报道,目前已成功应用 Ti质粒转化系统得到培
养物和相应代谢产物的有石刁柏、颠茄、鬼针草(多炔类)、
长春花(生物碱)、金鸡纳树(喹啉生物碱)、毛地黄(强心
甾)、羽扁豆、柠檬留兰香(薄荷油三萜)、辣薄荷(薄荷油三
萜)、丹参(丹参酮)、红豆杉(紫杉醇及其类似物)等。
应用Ri质粒转化系统进行发状根培养是更为常用的转
基因器官培养方法。发根农杆菌感染植物后将Ri质粒的T
DNA基因转移并整合到植物基因组中,这些基因表达即产生
发状根。发状根培养物具有增殖速度更快、合成次生代谢产
物的能力强,并可以向培养液中分泌一定的产物、无需添加外
源激素以及容易产生再生植株等特点,因此应用更为广泛。
据刘军和彭菲[10]的统计,目前国内外已有近40种药用植物
成功建立了毛状根培养系统,如银杏、短叶红豆杉、商陆、野
葛、长春花、苦豆子、栝楼、人参、甘草、菘蓝、宁夏枸杞、丹参、
青蒿等。从这些发状根培养物中已提取出许多有开发价值的
次生代谢产物,其中有的已得到工业化生产或中试生产。
药用植物转基因器官培养仅为得到特定的化学成分,甚
至不需要获得完整的再生植株,因此目标单纯,过程也相对
简单,难度较小。但仅限于针对有较大经济价值的化合物而
开展,应用面较窄。
2.2 药用植物模式基因工程研究 模式基因的转化研究是
基因工程研究的前奏。植物基因工程的最终目的是有把有
用的基因转移到受体基因组,并使之在受体中能稳定表达和
遗传。而研究和建立遗传转化技术体系,以及研究外源目的
基因的表达和调控机制,模式基因(modelgene)或报道基因
(reportergene)是必不可少的。模式基因或报道基因是一类
具有选择标记的基因,根据基因编码产物的特点,大致可分
为两类:抗性基因和编码催化人工底物产生颜色变化的酶的
基因,前者常用的有新霉素磷酸转移酶 I基因(nptⅡ)、氯
霉素乙酰转移酶基因(CAT)、潮霉素磷酸转移酶基因(hpt),
以及phorphinotricine乙酰转移酶基因(bar)等;后者有 β葡
·6631·
第33卷第12期
2008年6月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.33,Issue 12
June,2008
萄糖醛苷酶基因(GUS)、萤火虫荧光素霉基因(luc)、绿色荧
光蛋白基因(gfp)等。由于在转化植物组织中表达的产物相
当稳定并且容易检出,nptⅡ基因和 GUS基因是广泛用于植
物遗传转化的模式基因。利用模式基因可以优化基因转化
的各种条件,从而建立良好的转化系统,以便将一些有用的
外源目的基因转入这些植物中并表达。
近年已有研究人员对一些药用植物的模式基因转化进
行了研究,有些已获得表达模式基因的转基因植株(表1)。
表1 利用模式基因转化的药用植物(根据文献[9]补充和修改)
植物种类 模式基因 载体 植株再生 参考文献
青蒿Artemisiaannua Pnoskan Ri(pRiA46) + [11]
石刁柏Asparagusoficinalis NosAPH Ti + [12]
颠茄Atropabeladonna TR1′kan,TR2′gus(pGSGluc1) Ri(pRi15834) + [13]
甜菜Betavulgaris Pnoskan(pBin19),Pnoshyg(pAGS125) Ri(pRi1855) + [14]
毛地黄Digitalislanata Pnoskan,35Sgus(pBI121) Ti(pGV2260) - [15]
洋地黄D.purpurea TR1′kan,TR2′gus(pGSGluc1);Pnoskan35Sgus(pBI121) Ri(pRi15834) + [16]
甘草Glycyrhizaglabra Pnoskan35Sgus(pBI121) Ri(pRi15834) - [17]
乌拉尔甘草G.uralensis TR1′kan,TR2′gus(pGSGluc1) Ri(pRi15834) - [18]
宁夏枸杞Lyciumbarbarum Pnoskan Ti(pGV3850,neo1103) + [19,20]
黄花烟草Nicotianarustica Pnoskan(pBin19) Ri(pRi1855) + [12]
枳壳Poncirustrifloliata Pnoshyg(pAGS125) Ti(pGA482GG) + [21,22]
黄芩Scutelariabaicalensis Pnoskan,35Sgus Ri(pRi15834) - [23]
巴戟天Morindaoficinalis Pnoskan,35Sgus Ti(pGA482GG) + [25]
商陆Phytolaccaacinosa Pnoskan(pIG121HM) Ri(pRi1855) + [25]
银杏Ginkgobiloba Pnoskan35Sgus pBI121 - [26]
2.3 药用植物基因工程育种研究 利用基因工程技术创造
新的种质资源,使之具有想要的性状,是植物基因工程育种
的目的。药用植物基因工程育种的研究和应用无疑会对丰
富和优化药用植物的种质资源,解决资源匮乏和可持续利用
等问题,产生重大的影响。但是,遗憾的是,相比在农作物基
因工程育种方面取得的飞速进展,目前在药用植物基因工程
育种方面研究和应用虽有一些报道,但为数极少,且迄今为
止仍停留在实验室阶段,尚未有1例获准进入商业化生产甚
至环境释放阶段。
柑橘属植物是多种中药材的原植物来源。据不完全统
计,世界上已报道的柑橘病毒和类似病毒病大约 80余
种[27]。但目前柑橘的抗病毒基因工程仅在衰退病中开
展[28]。Gutierez等[29]首次报道了将柑橘衰退病外壳蛋白基
因转入酸橙和来檬中,通过 GUS检测,PCR检测、Southern
blot和Westernblot证明导入的基因能够在植株内稳定地表
达。贺红等[30]也以枳壳实生苗上胚轴为材料进行遗传转
化,成功地获得了转柑桔衰退病病毒外壳蛋白基因的植株。
此外,我国在柑橘抗溃疡病基因工程方面取得显著进展,陈
善春等[29]成功地将柞蚕抗菌肽基因导入柑橘3个品种。
宁夏枸杞是名贵的道地药材,也是良好的滋补保健食
品。病原菌Glomerelacingulata可侵染宁夏枸杞的花蕾、青
果、叶,导致黑果病的发生,使其品质下降,大幅度减产;此
外,危害枸杞的病虫种类也很多。胡忠等[9]已经建立了以发
根农杆菌和根癌农杆菌介导的宁夏枸杞离体转化和植株再
生系统,正在进行抗虫基因和抗病基因的转化。赵亚华
等[32]将小鼠金属硫蛋白基因 mMT1通过根癌农杆菌介导
整合到枸杞中并使之表达,希望能从转基因后代中培育出高
锌枸杞品种。罗青等[33]将雪花莲外源凝集素酶基因通过根
癌农杆菌转入枸杞中,以获得枸杞的抗蚜虫特性。
冯丽铃等[34]将人β趋化因子RANTES的基因通过根癌
农杆菌(pROKI)转入青蒿,获得阳性植株,希望增强青蒿对
免疫系统的疗效。Saito等[35]将含有35sbar基因的嵌合载
体pARK5,转入发根农杆菌15834菌株中,然后感染颠茄叶
盘,获得了毛状根并分化出小植株,转基因植株及其后代显
示了对除草剂phosphinothricin和bialaphos的抗性,而且其颠
茄碱的合成不受任何影响。
Yamazaki等[36]利用 Ri双元载体转化系统,将编码
phosphinothricin乙酰转移酶的 bar基因成功地导入到莨菪
Scopariadulcis基因组中,转基因植物及其子代表现出对除草
剂具有明显的抗性,而次生代谢途径仍能正常进行。
在国家自然科学基金1999~2003年资助的项目中,只
有很少数的转基因药用植物的研究。其中包括丁如贤等承
担的“转抗虫基因菘蓝的品质评价”,谢小冬等承担的“广谱
抗菌转基因甘草品种的建立”,贺红等承担的“几丁质酶基
因转化巴戟天培育抗病新种质”等,但目前其最终研究成果
尚未见报道。
3 药用植物基因工程研究的展望
如前所述,除在转基因器官培养方面研究较多之外,目
前药用植物在基因工程育种研究方面的报道还比较少。在
植物基因工程技术和应用日渐成熟的今天,显然,基因工程
在药用植物领域拥有广阔的应用和发展空间,例如利用抗
虫、抗病毒、抗逆等基因工程技术可提高药用植物的抗性;利
用抗除草剂基因工程技术可节约药用植物栽培中的农药使
用和管理成本;利用其他一些基因资源可有效地提高药用植
·7631·
第33卷第12期
2008年6月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.33,Issue 12
June,2008
物的品质、产量,甚至增强其疗效。除此以外,药用植物基因
工程技术的研究和建立,还可以反过来大大促进对药用植物
的基础研究,对开发药用植物的功能基因资源具有重要意
义。在现阶段,笔者认为应优先在以下方面加强药用植物基
因工程研究。
3.1 药用植物的抗虫基因工程 药用植物栽培过程中的虫
害是十分严重的。目前对各种栽培面积较大的药用植物所
易遭受的虫害已经调查和研究得比较清楚,其中鳞翅目害虫
占主要地位[37],如豆荚螟危害白扁豆、黄芪等豆科植物;梨
小食心虫危害木瓜、贴梗海棠等;棉铃虫危害白扁豆、穿心
莲、丹参、牛蒡、颠茄等;白术术籽虫危害白术等。植物抗虫
基因工程的现有方法和技术,尤其是比较成熟的技术如转
Bt基因等,可应用在药用植物上,起到控制虫害的作用。
3.2 药用植物的抗病毒基因工程 病毒病害在栽培作物中
是非常普遍的病害之一,造成的损失也较大。目前对药用植
物病毒病的研究还不多,根据已知的情况,感染烟草花叶病
毒的有白花曼陀罗、黄花败酱、八角莲;感染黄瓜花叶病毒的
有太子参、丝瓜、白术、桔梗、毛当归、百合、车前草、牛蒡、蒲
公英、青葙、马齿苋、虎杖等[37,38]。笔者也已在常用中药材
地黄上分离鉴定出烟草花叶病毒和黄瓜花叶病毒[39]。
植物抗病毒基因工程是研究最早最深入的植物基因工
程之一,现已在多种农作物中得到商业化生产。抗病毒基因
工程在受病毒侵害的药用植物上的应用,可以显著改善药用
植物的品质和产量。
3.3 药用植物的抗逆基因工程 植物抗逆基因工程是发展
得较晚的一类抗性基因工程,这与人们对植物抗逆性机制的
认识有关。然而,抗逆基因工程无疑对改良作物品种,增强
其适应性具有重要意义。除此以外,药用植物的药效与其抗
逆性之间往往会或可能会存在某种微妙的联系。这是因为
药用植物的有效成分往往是次生代谢产物,这些产物的合成
有时是与环境的胁迫有关的。因此,对于药用植物而言,其
最佳种植区域往往并不是其最适生长区域,导致作物的质量
与产量之间往往存在不可调和的矛盾。
因此,将抗逆基因工程应用于药用植物,不仅可增强植
物自身的抗逆能力,而且,有希望能够解决药用植物产量与
质量之间的矛盾。此外,其可能带来的特定化学成分的变化
也是颇有研究价值和值得期待的。
3.4 利用基因工程技术加强药用植物功能基因研究 对于
药用植物来说,基因工程技术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,从而提高生产效率,缓解资源
压力。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,要实现
这个理想还需经过长期的积累,尤其需要对药用植物的功能
基因进行发掘、鉴定等深入研究。而基因工程技术本身不仅
是一项应用技术,同时也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
深入研究该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。因此,这也是基因
工程在药用植物上不容忽视的一个重要应用途径。
药用植物的种类很多,而且在其生产和应用中也各具特
点,因此,基因工程技术可以针对这些不同特点,在药用植物
上发挥其价值。因此,在药用植物的基因工程育种研究和应
用上存在大量的空白需要填补,拥有广阔的发展空间。
4 限制药用植物基因工程研究和应用发展的因素
鉴于药用植物基因工程研究和应用水平严重滞后于相
应技术发展的现状,笔者认为其限制因素和存在的问题主要
有以下几个方面。
4.1 药用植物的特殊性 药用植物与其他农作物相比有其
特殊性。相比产量和农艺性状等,药用植物的品质,即有效
成分的含量更受重视。这一特点决定了药用植物的基因工
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。对于只应用于提取
有效部位或有效成份的药用植物来说,这个过程相对简单得
多;但是对于中药材而言,由于其整体本身就是药物,转基因
药材面临着重新评价药物的有效性和安全性问题。在我国
的新药管理体系中,转基因中药材是作为一类新药处理的。
由于受到大多数中药有效成分和疗效机制不明确这个
瓶颈的限制,药用植物转基因产物的药效评价问题是其中最
突出最难解决的问题。目前只有在现有药材质量评价体系
的基础上,初步加以评价,并在实践和发展中不断完善。
4.2 研究基础薄弱 虽然随着植物基因工程的发展,其中
一些方法和技术现已比较成熟,但将其应用在药用植物中仍
然面临一些困难。其中最主要的问题就是药用植物在基因
工程方面的研究基础还很薄弱。
首先,对大多数药用植物而言,缺乏对其再生系统的系
统研究和良好的工作基础。目前,已知通过细胞或愈伤组织
培养获得再生植株的药用植物有枸杞、西洋参、延胡索、毛地
黄、丹参、黄连、川白芷、栝楼、中麻黄、西红花、枳壳、长春花、
地黄等[2]。数量依然相当少,而且有些条件并不是很理想,
仍须优化。
此外,对于影响药用植物质量和产量的各种因素还在很
大范围内缺乏必要的研究基础。以植物病毒病的影响为例,
众所周知,植物的病毒病害是农业生产上造成损失最大的病
害之一,例如仅烟草花叶病毒(TMV)每年会给番茄产业带
来的损失就约5000万美元以上[40]。每年全世界的农作物
因病毒侵害造成的损失高达200亿美元[41]。但目前对药用
植物的病毒病害十分缺乏研究基础,甚至缺乏对病毒危害的
认识。首先,由于有的植物病毒发病症状并不明显,加之以
病毒检测工作的专业性极强、要求条件较高等特点,广大药
农普遍对植物病毒病的情况缺乏基本的认识。不仅如此,对
·8631·
第33卷第12期
2008年6月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.33,Issue 12
June,2008
药用植物研究和关注最多的中药科技界对此也少有提及,在
有关中药材栽培的各类论文和著作中,有关药材病害的记述
和研究中极少有病毒病的记载。药用植物病毒病问题无论
在学术界还是产业界都没有得到应有的重视。因此,在此领
域尚有许多基础性的工作要做。由于外源基因的获取和高
频再生转化受体系统的建立是基因工程技术的关键环节,因
此,在上述两个方面研究基础的匮乏,使得基因工程在药用
植物上的应用比之常规农作物要困难得多。
此外,在另外一个方向上,对药用植物活性成分的生物
合成、代谢途径的基因调控方面的基础研究,对于利用基因
工程生产活性成分具有重要意义。目前在很多中药上这方
面的研究还很薄弱,因此亟待加强。
4.3 安全性问题 对于安全性的疑虑,也是限制我国药用
植物基因工程研究和应用最重要的因素之一。植物基因工
程研究是应用性研究,出于对研究成果不能转化为应用产品
的担心,若干年来,在与药用植物相关的研究领域内,转基因
研究很少得到立项或资助。
转基因的安全性问题是基因工程技术在应用中普遍面
临并且必须要面对的一个问题。目前转基因植物的安全性
问题主要集中在两个方面,一个是环境安全性,另一个是食
品和饲料安全性。其中最受关注的是环境安全性问题。环
境安全性的核心问题是转基因植物释放到田间去是否会将
基因转移到野生植物中,或是否会破坏自然生态环境,打破
原有生物种群的动态平衡。这种疑虑主要集中在转基因植
物演变成农田杂草的可能性,基因漂流到近缘野生种的可能
性,以及转基因植物对自然生物类群的影响等。食品安全性
也是一个重要的方面,主要集中在转基因食品处理不好是否
会引起中毒;可能引起的过敏反应,可能破坏生物链等。但
是,目前在已经商业化生产并应用的转基因作物中,还未找
到任何证据证明这些作物是不安全的。几个关于转基因作
物安全性争论的焦点事例,如斑蝶事件等,最后的调查研究
结论都是没有证据表明这些转基因作物对于环境和作为食
品是不安全的。
对于药用植物的基因工程育种来说,笔者认为,由于药
用植物不同于食品,因此在安全性方面的考虑也应有所不
同。首先,在环境安全性方面,由于药用植物的需求量有限,
而且很多药用植物有其特殊的栽培特点,其种植面积、规模
都远远不及粮食作物或一些大宗经济作物,显然,其可能存
在的环境风险性也远远低于其他农作物。再者,在食品安全
性方面,由于一般药用植物的生产用于提取有效部位或成
分,或者单独作为1味药物来使用,因此,除了可同时作为食
品应用的药用植物以外,可将其纳入药品的安全性管理体系
进行评价和管理。总之,对于药用植物转基因产物的安全性
问题,现有的转基因产品安全性评价体系是适用的,甚至可
视具体情况而适当降低标准。
总之,随着科学技术的不断发展,评价和管理的技术体
系和法制体系的不断完善,转基因产品的安全性问题将不再
是植物基因工程研究和应用的障碍。正如王仁祥等[42]所指
出,综观转基因生物的发展形势,细剖转基因产品的利弊关
系,可以预见:一个符合伦理道德的生物技术研究领域即将
规范;一个适合生物技术研究的管理框架正在形成;一个可
操作性强的安全评价方法日趋完善;一个国际统一的法规即
将出台;一个庞大的生物技术产业必将沿着健康的道路造福
于全世界。也正因为如此,更应该清楚认识植物基因工程所
能带来的影响、利益乃至变革都是前所未有的,迎头赶上就
是机遇,坐失良机就是风险,对于比较落后的药用植物的基
因工程研究更是如此。
5 结语
基因工程在一些农作物上的应用已经展现出其巨大价值。
目前,有关基因工程的一些技术、方法都已相当成熟,其安全性
也得到实践的验证,管理框架日益规范和成熟,一旦突破贸易壁
垒和消费者的心理大关,将给世界农业带来革命性的改变。而
随着人类医药健康需求的不断增长和变化,药用植物的生产必
将在世界农业中占有越来越重要的经济和战略地位。在这种情
况下,基因工程在药用植物上的应用也必然是大势所趋。而目
前,我国在药用植物基因工程方面的研究还相当少,基础研究也
非常薄弱,与我国作为一个药用植物资源生产和消费大国的地
位极不相称。药用植物基因工程研究和应用具有广阔的发展空
间,同时也蕴藏着巨大的实用价值和经济价值,我国具有得天独
厚的药用植物资源优势和市场优势,此时如不加强研究力度,迎
头赶上,长远来看不但不利于我国药用植物资源的可持续利用
和发展,而且会在将来坐失市场竞争的良机,因此,药用植物基
因工程的研究力度亟待加强。
[参考文献]
[1]  张雅鸥,杨梦盨,肖培根.补充和替代医学的发展现状[J].世
界科学技术———中医药现代化,2002,4(4):24.
[2]  梁文裕,曹 雯,王 俊,等.生物技术在我国药用植物研究
中的应用[J].宁夏农学院学报,2003,24(4):92.
[3]  赵寿经.生物技术在药用植物中的应用前景[J].特产研究,
1999,2:56.
[4]  朱 行.2002年全球转基因作物种植面积继续大幅增长[J].
粮食与油脂,2003,3:6.
[5]  CliveJames.Globalstatusofcommercializedbiotech/GMcrops
[J].InterPestControl,2006,48(2):68.
[6]  CliveJames.Biotechnology[J].FarmChemInt,2006,20(1):
13.
[7]  沈桂芳.转基因作物研究及其产业化发展趋势[J].高技术纵
览,2003,10:47.
[8]  段承俐,萧凤回.植物基因工程的商品化应用及前景[J].云
南农业大学学报,2001,16(3):221.
[9]  胡 忠,李庆云,曹 军.药用植物基因工程的研究进展[J].
热带亚热带植物学报,2002,10(4):371.
[10] 刘 军,彭 菲.Ri质粒介导药用植物的研究进展的统计
[J].湖南中医学院学报,2004,24(3):61.
·9631·
第33卷第12期
2008年6月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.33,Issue 12
June,2008
[11] 蔡国琴,李国珍,叶和春,等.Ri质粒转化的青蒿发状根培养
的生物合成[J].生物工程学报,1995,11(4):315.
[12] BytebierB,DeboeckF.TDNAorganizationintumorcultures
andtransgenicplantsofmonocotyledonAsparagusoficinalis[J].
ProcNatlAcadSciUSA,1987,84:5344.
[13] YamazakiM.Transferandexpressionofforeigngenesintomedic
inalplantsandproductionofsecondarymetabolites[D].Chiba:
ChibaUniversity,1991.
[14] Hamil.Newroutestoplantsecondaryproducts[J].Biotechnolo
gy,1987,5:800.
[15] LehmannU,MoldenhauerD,DietrichB.Introductionofreport
ergenesinthemedicinalplantDigitalislanatamediatedby
Agrobacteriumtumefaciens[J].PlantaMed,1990,56:635.
[16] SaitoK,YamazakiM,ShimomuraK.Genetictransformationof
foxglove(Digitalispurpurea)bychimericforeigngenesandpro
ductionofcardioactiveglycosides[J].PlantCelRep,1990,9:
121.
[17] YoshikawaN,OogakeS,TeradaM,etal.Applechloroticleaf
spotvirus50kDaproteinistargetedtoplasmodesmataandaccu
mulatesinsieveelementsintransgenicplantleaves[J].Arch
Virol,1999,144(12):2475.
[18] SaitoK,KanekoH,YanazakiM.Stabletransferandexpression
ofchimericgenesinlicorice(Glycyrhizauralensis)usingaRi
plasmidbinaryvector[J].PlantCelRep,1990,8:718.
[19] HuZ,GuoGQ,ZhaoDL,etal.Shootregenerationfromleaf
explantofLyciumbarbarumandAgrocacteriummediatedgenetic
transformation[J].RussJPlantPhysiol,2001,48(4):453.
[20] 王慧中,杜 立,黄发灿,等.根癌农杆菌介导的枸杞转化及
转化植株的获得[J].中国科学:C辑,1993,23(2):391.
[21] 贺 红,李耿光.根癌农杆菌对枳壳遗传转化的影响因素
[J].中国中药杂志,1999,24(3):140.
[22] 贺 红,韩美丽.农杆菌介导 GUS在枳壳中的转移[J].中草
药,2000,31(4):295.
[23] ZhouY,HirotaniM,YoshikawaT,etal.Flavonoidsandpheny
lthanoidsfromhairyrootculturesofScutelariabaicalensis[J].
Phytochem,1997,44(1):83.
[24] 贺 红,徐鸿华.巴戟天离体再生及农杆菌介导的遗传转化
[J].中国中药杂志,2002,27(10):733.
[25] 崔 红,宋志红,刘国顺.Ri质粒介导 GUS基因转化商陆的
研究[J].西北植物学报,2004,24(8):1427.
[26] 刘小烛,铃木蓑胜,山口 勇.银杏细胞作为转基因受体的研究
[J].西南林学院学报,2004,24(4):1.
[27] 中国农学会中国青年农业科学学术年报[M]北京:中国
农业科技出版社,1997:401
[28] 李红叶,陈力耕,周雪平.柑橘病毒与类似病毒分子生物学和
抗病毒基因工程研究进展[J].果树科学,2000,17(2):131.
[29] GutierezEMA,LuthD,MooreGA.FactorsafectingAgrobacteri
ummediatedtransformationinCitrusandproductionofsourcorange
(CitrusaurantiumL.)plantsexpressingthecoatproteingeneofcit
rustristezavirus[J].PlantCelRep,1997,16:745.
[30] 贺 红,韩美丽,李耿光.农杆菌介导转化法构建转 CTVcp
的枳壳植株[J].中国中药杂志,2001,26(1):21.
[31] 陈善春,张进才,黄自然,等.根癌农杆菌介导柞蚕抗菌肽 D
基因转化柑橘的研究[J].中国农业科学,1997,30(3):7.
[32] 赵亚华,何 平,高向阳,等.根癌农杆菌介导的mMT1cDNA
转化枸杞及其表达的研究[J].中国农业科学,2000,33(2):1.
[33] 罗 青,曲 铃,曹有龙,等.抗蚜虫转基因枸杞的初步研究
[J].宁夏农林科技,2001,(1):1.
[34] 冯丽铃,曾庆平,杨雪芹.人RANTES基因在转基因青蒿植株
中表达的测定[J].中草药,2004,35(10):1167.
[35] SaitoK,YamazakiM,AnzaiH,etal.Transgenicherbicidere
sistantAtropabeladonnausinganRibinaryvectorandinherit
anceofthetransgenictrait[J].PlantCelRep,1992,11:219.
[36] YamazakiM,LinS,hayashiT,etal.TransgenicfertileScoparia
dulcisL.,afolkmedicinalplant,conferedwithaherbicidere
sistanttraitusinganRibinaryvector[J].PlantCelRep,1996,
15(5):317.
[37] 贺 红,徐鸿华.生物技术在药用植物种质资源中的应用与
发展[J].中国中医药信息杂志,2000,7(1):33.
[38] 中国医学科学院药用植物资源开发研究所.中国药用植物栽
培学[M].北京:农业出版社,1991:185.
[39] 王 敏,李明福,黄璐琦,等.栽培地黄普遍感染TMV和CMV
[J].植物病理学报,2006,36(2):189.
[40] PrimroseS,TwymanR,OldB.基因操作原理[M].6版.瞿礼
嘉,顾红雅,译.北京:高等教育出版社,2003:12.
[41] 林忠平.走向21世纪的植物分子生物学[M].北京:科学出
版社,2000:131.
[42] 王仁祥,雷秉乾.农业转基因生物的应用概况与安全性争论
[J].湖南农业大学学报:社会科学版,2002,3(3):26.
Progressinresearchandapplicationofgeneengineeringonmedicinalplants
WANGMin,HUANGLuqi,LIMengmeng
(InstituteofChineseMateriaMedica,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China)
[Abstract] Chinaisthecountrypossessingthelargestamountoftradeandconsumptionofmedicinalplantsintheworld.Re
searchandapplicationofgeneengineeringonmedicinalplantsaretheoneofthemostpromisingwaystoincreasetheproductivityand
·0731·
第33卷第12期
2008年6月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.33,Issue 12
June,2008
qualityofmedicinalplants,reducetheresourcestress,andenhancethecompetitivepowerandsustainabledevelopmentabilityofthe
medicinalplantsindustry.Inspiteofthegreatprogressinresearchandapplicationofplantgeneengineeringworldwide,theresearchof
genetransformationhasmostlybeenconductedonsomemodelplants,andtheapplicationoftransgenicplanthasbeenlimitedtoafew
stapleandimportantcropspecies.Formedicinalplants,recentlytheresearchesofgenetransformationhasemerged,however,com
paredwithothercropandeconomicplants,itisstilaverylimitedamount.Onthebasisofageneralintroductionofapplicationof
transgenicplants,thispaperfocusesonthepresentsituationoftheresearchandapplicationofgeneengineeringonmedicinalplants,to
putforwardtheproblemsinthisfield,andgiveaprospectforitsdevelopment.
[Keyword] medicinalplants;geneengineering;progress;problem;prospect [责任编辑 张宁宁]
[收稿日期] 20070903
[基金项目] 国家重点基础研究发展计划项目(2005CB523301)
[通讯作者] 吴立军,Tel:(024)23986481,Email:wulijun_
111@hotmail.com
人参皂苷 Rb1的药理活性研究进展
贾继明1,2,王宗权2,吴立军1,吴以岭2
(1.沈阳药科大学 中药学院,辽宁 沈阳 110016;
2.河北省中西医结合医药研究院,河北 石家庄 050035)
[摘要] 人参皂苷Rb1是人参二醇系皂苷的代表成分之一,属于达玛烷型三萜皂苷类化合物,主要分布于五
加科植物中,具有多种生物活性。作者从心血管系统、抗衰老、逆转肿瘤细胞耐药、肿瘤化疗的辅助用药、促进周围
神经再生等几个方面,对人参皂苷Rb1近10年来的研究进展进行了综述。
[关键词] 人参皂苷Rb1;药理活性;心血管系统;抗衰老
[中图分类号]R285.5 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)12137107
  人参皂苷Rb1是人参二醇系皂苷的代表成分之一,属于
达玛烷型三萜皂苷类化合物,易溶于水、乙醇和甲醇,主要分
布于五加科植物人参、三七、西洋参等植物中,是它们的主要
活性成分,具有多种生物活性[1]。
人参、三七、西洋参都是传统中药,应用历史悠久,中国
第一部药物学著作《神农本草经》首次将人参当成药物收
入,距今已有千年历史。对于三七,《本草纲目》早有记载,
作为药用已有500多年的历史。至于西洋参自18世纪在美
洲被发现,后由法国人传至中国作为药用以来,也已有300
多年的历史,以《本草备要》记载为证。对于它们主要活性
成分Rb1的研究,近年来逐步深入,尤其在心血管系统、抗衰
老以及逆转肿瘤细胞耐药方面的研究非常广泛,以下只对近
10年来与Rb1相关的国内外药理活性文献进行综述。
1 对心血管系统的影响
心律失常是临床常见病、多发病,其发病机制与心肌细
胞膜离子通道病变、心肌细胞受体异常、自主神经功能紊乱、
心肌细胞凋亡以及遗传基因有关。越来越多的实验表明,人
参皂苷Rb1在这些方面有较好的作用。
1.1 对细胞膜离子通道的影响 心肌细胞膜上的离子通道
病变是引起心律失常的主要原因之一,多年来,对 Rb1在离
子通道上的作用研究较多。1997年曾庆华等[2]研究了人参
皂苷Rb1对ICa
2+电流的影响。采用全细胞电压钳技术记录
了豚鼠心室肌细胞 ICa2+电流,绘出了电流电压关系曲线。
实验发现,在保持电压 -50mV时,阶跃命令在 -50~+60
mV,0mV时电流最大。并发现Rb1对ICa
2+电流有明显的阻
滞作用。而且在100,200,300,400μmol·L-1时有剂量依赖
关系。1998年,张斌等[3]采用标准全细胞膜片钳技术,研究
观察了人参皂苷Rb1对豚鼠心肌细胞膜 L型电压依赖性钙
通道的影响,结果发现在保持电位 -40mV,细胞去极化至
+40mV,刺激频率05Hz,时程150ms条件下,Rb110μmol
·L-1和30μmol·L-1分别使 BayK8644和 nifedipine敏感
的钙内向电流减少(162±37)%(P<005,n=5)和(383
±104)%(P<001,n=5),且在3~1000μmol·L-1,其抑
制作用呈浓度依赖关系,实验证明 Rb1为一钙通道阻滞剂。
江青松等[4]人最近在一项关于 Rb1对中链甘油三酯(medi
umchaintriglycerides,MCT)诱导的右心室肥大(rightventricu
larhypertrophy,RVH)的影响和它对神经钙蛋白信号传导途
径的影响的实验中发现,通过Rb1的作用能够明显抑制MCT
诱导的RVH,同时也与神经钙蛋白信号传导的抑制作用有
·1731·
第33卷第12期
2008年6月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.33,Issue 12
June,2008