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Utilization of spaceflight technology on medicinal plant study

论空间技术在药用植物研究上的应用



全 文 :#专论#
论空间技术在药用植物研究上的应用
高文远t 3 o贾 伟u o肖培根v
kt q天津大学 药物科学与技术学院 o天津 vssszu ~
u q上海交通大学 药学院 o上海 usssvs ~
v q中国医学科学院 中国协和医科大学 药用植物研究所 o北京 tsss|wl
≈摘要  中药现代化的发展需要空间技术的应用 ∀国外空间植物学的研究已经由传统的利用空间条件进行
育种 !观察染色体变化实验阶段发展到植物生长与人类空间生存一体化研究阶段 ∀我国空间植物学的研究还处于
起始阶段 o实验多在空间育种方面 o对返回地面的材料进行了较为深入的生长发育 !生理生化 !遗传变异等基础研
究 ∀关于植物搭载设备的研究还比较薄弱 o植物在太空生长方面的研究还处于空白状态 ∀我国空间技术在药用植
物上的应用研究有一定的特色和优势 ∀小型生物舱可以用来搭载药用植物的种子 o种子太空飞行后可通过仪器检
测将种子区分成微重力组和太空射线击中组 o但遗传育种以及有效成分变化方面的研究明显不足 ∀未来的空间药
用植物学研究一方面要探讨药用植物在空间生命支持系统中的作用 o另一方面还应探讨中药在宇航员飞行过程中
的保健作用 ∀
≈关键词  空间技术 ~药用植物 ~生命支持系统
≈中图分类号  ≥ xyz ≈文献标识码  „ ≈文章编号  tsst2xvsukusswlsz2sytt2sw
ussv年第 t位中国人杨立伟走向太空 o标志着我国的空
间技术进入了一个新的发展阶段 ∀中药现代化需要各种先
进技术的应用 o空间技术也不例外 ∀充分利用空间技术的先
进手段 o促进中药的主要原料 ) ) ) 药用植物发展的研究 o是
当今生药学家的重要使命之一 ∀作者分析了国内外空间植
物学的发展现状 o并对如何利用我国空间技术快速发展的契
机 o加强空间药用植物学的研究进行了讨论 ∀
1 国外空间植物学的发展现状
国外空间植物学研究最好的是美国和俄罗斯 ∀目前已
经由传统的利用空间条件进行育种的阶段发展到植物生长
与人类空间生存一体化研究阶段≈t ou  o探讨植物在太空环境
下的气体交换和代谢规律以及研制适宜植物太空生长的设
施是目前的热点 ∀
t|{y ∗ usst 年 o在 Œ• 轨道空间站k Œ• ²µ¥¬·¤¯ ¶·¤·¬²±o
’≥l上科学家们进行了一系列实验≈u  ∀第 t个 ≥∂∞× 太空温
室k¶³¤¦¨ ªµ¨ ±¨«²∏¶¨ o≥Šl具有 t sss ¦°u的生长室 o能提供充足
的光照 o具有 u个宽大的窗口 o从窗口可以进行播种 !观察和
取样 ∀t||s年 ≥Š被安置在 Œ• ’≥上 o同年 z ∗ {月第 t次
长达 u个月的太空植物生长实验成功实施 ∀实验材料为萝
卜和白菜 o第 t 次萝卜的根在微重力条件下进行了生
≈收稿日期  ussw2st2t{
≈通讯作者  3 高文远 oר¯ }ksuul{zwst{|x o ∞2°¤¬¯}³«¤µ°ª¤² ƒ
·­∏q¨§∏q¦±
长≈u  ∀t||w年 o美国国家航天局与俄罗斯国家航天局签署了
合作协议 ∀t||x年在 ˜·¤«洲立大学研制了气体交换测量系
统kª¤¶ ¬¨¦«¤±ª¨ ° ¤¨¶∏µ¨° ±¨·¶¼¶·¨° o Š∞≥l并被安装到了 ≥Š
上≈v  ∀ Š∞≥能够测定 ≤’u o‹u’和 ’u的水平 o从而测算植物
的光合作用和呼吸代谢 ∀t||x ∗ t||z年 o一系列命名为温室
kªµ¨ ±¨«²∏¶¨ oŠ‹l的实验得到了实施 ∀实验 Š‹ u¤于 t||x年
实施 o小麦 ≥∏³¨µ⁄º¤µ©进行了无性生长≈x  ∀ Š‹ u¥实验分 u
个阶段实施 o第 t个阶段历时 tuv §o得到了 u|z枚麦穗 o但这
些麦穗全是不育的 o原因是仓内环境中乙烯的污染 ∀第 u阶
段经历了 wu §oŠ∞≥能够准确地对数据进行检测并计算≈w  ∀
t||z年 o另一种植物 Βρασσιχα ραπα被用来进行实验kŠ‹ vl o它
的生长周期短 o第 t次成功地实现了从种子到种子的循环 o
且进行了 v代植物的生长与收获≈y  ∀t||{ ∗ t|||年 o实施了
Š‹ w 和 Š‹ x u个实验 ∀ Š‹ w实验中 otu株 Απογεε 小麦产
生了 xss多粒种子 ∀ Š‹ x实验中 ots粒太空 Απογεε 小麦种
子在太空进行了又一次种植 o其中 t粒产生了第 u代太空种
子 ∀ Š‹ w和 Š‹ x实验运回地面的种子能够正常地萌发并生
长 ∀ Œ• ’≥ usst年回收坠入大西洋前 o实验 Š‹ y于 usss年
成功实施 o采用的是 w种 Βρασσιχα属植物≈u ov  ∀
上述实验表明 o植物在微重力条件下可以生长 o但微重
力对太空种子第 u ∗ v代生长具有影响 ∀usst年 ot个新的植
物生长设备 „⁄∂ „‘≤∞⁄ „≥ו ’≤˜×˜• ∞被安置在新的空间
站 Œ≥≥k·«¨ ±¨ º¬±·¨µ±¤·¬²±¤¯ ¶³¤¦¨ ¶·¤·¬²±l上 oŒ≥≥具有 w{y ¦°u的
生长面积 o将用于今后 tx ∗ us年内的空间植物学实验 ∀usst
#tty#
第 u|卷第 z期
ussw年 z月
中 国 中 药 杂 志
Χηινα ϑουρναλ οφ Χηινεσε Ματερια Μεδιχα
∂²¯ qu| oŒ¶¶∏¨ z
∏¯¼ oussw
年 x ∗ z月 o第 t次长达 {周的实验以植物 Αραβιδοπσιστηαλιανα
为材料进行 o其种子已经运回了地面 ∀目前 o植物太空生长
设备的研制是美国 !俄罗斯 !意大利 !保加利亚以及日本等国
研究的热点项目≈u ox  ∀已经研制了一种名为 „⁄„ 的设备 o
具有 u个生长室 o但体积比 ≥∂∞× ≥Š小≈y  ∀在设备研制时 o
要考虑太空特有的真空环境 !剧烈的温度变化 !以及由于星
系射线等产生的等离子体等的影响 o多种技术的集成是非常
重要的 ∀
空间环境对植物生长发育和代谢影响的报道较多 ∀
‹ ¼¨¨ ±ª¤等≈z 研制了一种营养装置 o并将放射性核素kµ¤§¬²±∏2
¦¯¬§¨¶l¬µ²±2x|和 ¦¤¯¦¬∏°2wx加入到培养基中 o结果发现 Χατηα2
ραντηυσροσευσ植物的空间飞行组和地面对照组对这两种核素
的吸收和分布结果相似 ∀以 Ιποµοεα βατατασ和 Ηορδευµ ϖυλ2
γαρε u种材料开展的实验表明 o当重力从 t qs ª下降到 s qst ª
时 o叶片的净光合速率下降 tv h ≈{  ∀小麦空间飞行 ts §≈|  o
发现空间飞行组的细胞壁结构和木质素的含量和组成与地
面组相似 o但微重力对细胞壁生物聚合物的合成和纤维素微
纤维的沉积具有一定的影响 ∀大豆和马铃薯太空飞行 ty §
后 o块茎中小型淀粉粒的数量比地面对照组多 ∀两种植物飞
行组淀粉粒的直径与地面对照组平均小 us h ∗ xs h ∀飞行
组大豆子叶中的淀粉kzz ? yl h 被降解 o而地面组有kx{ ?
tul h的淀粉被降解 ~飞行组组织中直链淀粉的含量较高≈ts  ∀
进一步的研究表明 o乙烯对淀粉代谢的影响似乎大于微重力
的影响 ∀
2 我国空间植物学研究的现状
我国空间植物学的研究始于 t|{z年 ∀返回的植物种子
具有生长发育的能力 o并产生了多种形态变异 ~返回的微生
物菌种和昆虫卵部分成活 o并有变异≈tt  ∀到目前为止 o我国
已经先后进行了近 ts次 vss多项的植物材料的卫星搭载和
高空气球搭载植物材料的实验≈tu  ∀搭载的材料主要为农作
物 o目标主要是育种 ∀
已经培育出了一些作物的新品种 ∀如 }水稻的空间育
种 o已经获得了比原品种增产 us h的丰产优质品系 ∀诱变后
代具有变异类型多 !变异频率高 !特殊变异体 !育种周期短等
特点≈tv  ∀利用卫星搭载育出了春小麦优良突变系丰龙辐 |x2
wxvw和 |y2vyst以及优质丰产的青椒新品系卫星 {z2u ∀利用
卫星搭载红豆 o培育出了大粒突变品系≈tw  ∀绿豆种子搭载
返回式卫星后 o经筛选得到基本稳定的长荚型突变品系 o其
荚长 ty ¦°左右 o每荚内的种子粒数为 tx ∗ t|粒≈tx  ∀利用
返回式卫星搭载番茄种子 o获得了优良的新品系 ׃{zv≈ty  ∀
通过返回式卫星搭载甜椒的育种研究 o获得了优良新品系太
空椒 {z2u o该椒具有果型大 !维生素 ≤ 含量高 !早熟 !抗病虫
害等优良特性≈tz  ∀
除空间育种的研究外 o对植物材料空间飞行后产生的生
物学效应也进行了较为深入的研究 ∀如大麦和小麦空间飞
行后的种子 o在花粉母细胞减数分裂过程中 o当代出现更多
的染色体桥和落后的染色体≈t{  ∀水稻干种子卫星搭载后 o
其分蘖数 !穗长 !穗粒数等农艺性状发生了一定的变异≈t|  ∀
春大豆搭载/神州 t号0飞船的品种的发芽势增强了 vs h ∗
ws h o≥°t代全生育期缩短了 u ∗ v §o株高下降了 z qz ∗ | q|
¦°≈us  ∀番茄空间飞行后可以提高种子及幼苗体内活性氧防
御酶系统的活性 !增强种子的抗氧化能力≈ty  ∀ • „°⁄实验表
明 o绿豆和水稻空间飞行后产生的突变系在 ⁄‘„ 水平上发
生了变异≈tx  ∀对甜椒卫星搭载培育品系 {z2u 与对照进行
• „°⁄分子检测 o从 wu个随机引物中筛选出 w个在扩增物上
有差异≈ut  ∀对卫星搭载回收的水稻品种/特籼占 tv0种子种
植后选育出的 x个突变株的后代进行了 ⁄‘„多态性分析 o发
现变异植株与原种之间均存在着不同程度的微卫星多态
性≈uu  ∀
可以看出 o我国的空间植物学的研究与国外相比 o总体
上还处于起始阶段 ∀受卫星等载体的限制 o植物材料的太空
飞行时间较短 o实验的重复较为困难 ∀大多是搭载植物材料
的种子 o返回地面后再与地面材料对照进行比较研究 ∀实验
的目的多在空间育种方面 o对返回地面的材料进行了较为深
入的生长发育 !生理生化 !遗传变异等基础研究 ∀另外 o关于
植物搭载设备的研究还比较薄弱 o植物的种子多是放在密封
的有机玻璃或塑料管内 o或缝在布袋里 o捆扎在加收仓内 ∀
植物在太空生长方面的研究还处于空白状态 ∀
3 我国空间药用植物学研究的现状
我国空间药用植物学的研究 o主要是国防科工委航天医
学研究所与中国医学科学院药用植物研究所受国家自然科
学基金资助 o在 us世纪 |s年代做了一些工作 ∀搭载的药用
植物包括桔梗 Πλατψχοδον γρανδιφλορυµ !红花 Χαρτηαµυσ τινχτο2
ριυσ!藿香 Αγασταχηε ρυγοσα !甘草 Γλψχψρρηιζα υραλενσισ!洋金花
∆ατυραιννοξια等 ∀这项工作的先进之处在于国防科工委航
天医学研究所研制了 t个小型的生物舱k⁄ p ttl o舱内由
超氧化钾自行供氧 o自动平衡养分压在k ? ts h以内l ∀舱内
还有重力模拟装置 ∀种子与核径迹探测器一起复合构成生
物叠 o放入小型生物舱内进行空间飞行 ∀飞行结束后经仪器
检测可以发现种子被太空射线击中的程度 ∀
搭载的材料经检测后分为微重力组和射线击中组 o与地
面对照组一起种于中国医学科学院药用植物研究所的试验
田中进行了一系列对比实验 ∀大多数搭载材料与地面对照
组相比 o其发芽势等有一定的区别≈uv  ∀藿香空间飞行的研
究结果表明 o微重力组材料的过氧化物酶活性和蛋白质含量
与地面对照组接近 o略低于地面对照组 ~射线击中组材料的
过氧化物酶活性和蛋白质含量明显高于地面对照组 ~地面组
材料的过氧化物酶和酯酶的电泳图谱与微重力组相似 o而与
射线击中组有所区别≈uw  ∀对洋金花的空间飞行实验结果表
明 o微重力组材料的过氧化物酶活性和蛋白质含量低于地面
对照组 ~射线击中组材料的过氧化物酶活性和蛋白质含量高
于地面对照组 ~v组材料的过氧化物酶和酯酶的电泳图谱基
#uty#
第 u|卷第 z期
ussw年 z月
中 国 中 药 杂 志
Χηινα ϑουρναλ οφ Χηινεσε Ματερια Μεδιχα
∂²¯ qu| oŒ¶¶∏¨ z
∏¯¼ oussw
本相同≈ux  ∀可见不同的药用植物对空间环境的反应不同 ∀
采用随机多态性 ⁄‘„ 分子标记技术对空间飞行后得到的 v
组洋金花材料进行研究 o从 yx个供试引物中筛选出 tx个能
够产生可重复多态性扩增产物的引物 ~与地面对照组相比 o
微重力组的基因组多态性的频率为 uv qt h o射线击中组的基
因组多态性的频率 uw qw h ≈uy  ∀甘草空间飞行实验的研究结
果表明 o微重力组和射线击中组材料的过氧化物酶活性和可
溶性蛋白质含量明显高于地面对照组材料 o而且射线击中组
材料的过氧化物酶活性和可溶性蛋白质含量又明显高于微
重力组材料 ∀随机多态性 ⁄‘„分子标记技术的实验结果表
明 o地面对照组 !微重力组和射线击中组三者之间具有明显
区别的 • „°⁄图谱 ∀从 yx个供试引物中筛选出 t|个能够产
生可重复多态性扩增产物的引物 o其中微重力组和射线击中
组分别产生了 yy和 z{条多态性片段≈uz  ∀这些结果表明 o空
间环境对药用植物的基因组有一定的影响 ∀采用电子显微
镜手段 o观察了甘草 !桔梗 !红花 !藿香等材料空间飞行后超
微结构的变化u{ ∗ vs  o结果发现不同的药用植物材料对空间环
境的反应不同 o叶绿体的基粒片层和其中的淀粉粒较其他细
胞部位变化明显 ∀
此外 o药用植物的空间实验也有一些零星的报道 o如
⁄‘„分子标记技术 „ƒ°k¤°³¯¬©¬¨§ ©µ¤ª° ±¨·¯¨ ±ª·« ³²¯¼°²µ2
³«¬¶°l的实验结果表明 o天麻 Γανοδερµα λυχιδυµ 飞行组材料
和地面组对照组材料之间具有基因组多态性[ vt] ∀鸡冠花
Χελοσια χριστατα是一种具有活血功能的药用植物 o研究表明这
和其花序中含有的黄酮类化合物有关 ∀采用高空气球搭载
实验鸡冠花的两个品种 o发现高空环境诱变处理对鸡冠花花
序中黄酮类化合物合成产生了显著效应 ∀高空飞行的 u个
品种鸡冠花花序黄酮醇总量分别比对照组提高了 |s qsw h和
twu qsu h ≈vu  ∀
4 讨论
从以上的论述可以看出 o我国的空间技术在药用植物上
的应用与其他植物相比 o尽管数量相对较少 o但特色和优势
较明显 ∀首先 o研制了小型生物舱 o舱内由化学方法自行供
氧 o维持一定的氧分压 o舱内还可以根据需要提供一定的重
力 ∀搭载的种子能够与核径迹检测器一起复合构成生物叠 o
种子太空飞行返回地面后可以通过仪器检测将种子区分成
微重力组和太空射线击中组 ∀其次 o药用植物空间飞行后的
实验研究内容从发芽与生长 o到同工酶与蛋白质 o并用 ⁄‘„
分子标记技术k• „°⁄o„ƒ°l探讨了空间环境对药用植物基
因组的影响 ~同时 o还通过电子显微镜技术观察了空间环境
对药用植物超微结构的影响 ∀另外 o药用植物高空飞行后活
性成分变化的研究也有所涉及 ∀但与其他植物特别是作物
和蔬菜的空间生物学研究相比存在着明显的缺陷 o主要体现
在遗传育种方面的研究明显不足 o对性状遗传稳定性的研究
未能一代一代地跟踪研究 o且未能在品种选育方面深入系统
的研究下去 ∀此外 o对药用植物空间环境处理后有效成分变
化规律的研究太少 o而这正是药用植物区别于普通植物的关
键所在 ∀这些是在未来的空间药用植物学研究时应当汲取
的经验与教训 ∀
空间环境对药用植物的影响因素主要包括 }≠ 微重力 ~
重离子辐射 ~≈ 超真空与超净环境 ~…太阳辐射变化引起
的剧烈的温度变化 ~ 其他星体的特殊的气体环境 ∀这些因
素是地球上没有的 o充分利用这些太空特有环境 o培育药用
植物新品种 o探讨药用植物的代谢规律 o具有十分重要的意
义 ∀对于空间环境因素对药用植物影响的探讨 o不应当仅仅
限于笼统的太空种子搭载与飞行 o应当在现有工作的基础
上 o研制更加科学的搭载舱等设备 o以便于更加科学与精细
地探讨空间环境因素的影响 ∀
对于空间环境影响药用植物的研究 o要有与时俱进的思
想 ∀未来世界谁掌握太空 o谁就有更多的主动权 ∀因此 o我
国必然会加快对外空探索的步伐 o成为空间科学大国 ∀随着
我国对太空认识的深入 o载人航天器的不断发展与更新 o会
为药用植物的空间科学研究提供更为良好的实验环境 o应当
充分抓住这一机遇 o开展空间药用植物学的研究 ∀建议国家
中医药管理局成立相应的部门 o与国家航空与航天政府部门
合作 o统一领导这方面的科学研究 ∀不应当仅仅想到利用航
天器来研究空间环境对药用植物的影响 o还应当考虑到药用
植物在未来航天载人飞行过程中的生命支持系统中应当发
挥的作用 ∀一方面要研究空间飞行与活体药用植物之间的
相互关系 o另一方面还应当充分发挥我国中医药的优势 o探
讨中药在宇航员飞行过程中的保健作用 ∀我们相信 o两方面
的研究都会产生我国拥有自主知识产权的成果 o为中药现代
化做出贡献 ∀
≈参考文献 
≈t  …¤µ¯²º ° • q¬√¬±ª³¯¤±·¶¼¶·¨°¶}«²ºµ²¥∏¶·¤µ¨ ·«¨ ¼¬±·«¨ ¤¥¶¨±¦¨
²©ªµ¤√¬·¼‚ ΑδϖΣπαχε Ρεσot||| ouvktul }t|zx q
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¦²±·µ²¯ ©²µ²³·¬°¤¯ µ¨¶∏¯·¶§∏µ¬±ª³¯¤±·°¬¦µ²ªµ¤√¬·¼ ¬¨³¨µ¬°¨ ±·¶q Αχτα
Αστροναυτιχα , ussu oxtkt2|l }utv q
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¶¬¤± ≥³¤¦¨ ≥·¤·¬²± ¬µq Ασγσε Βυλλετιν , t||w o{ktl }{w q
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° ±¨·¶¤¥²¤µ§ ¬µq ΑδϖΣπαχε Ρεσ , usss ouykul }vsv q
≈x  ¨√¬±¨ ‹ Š o „±§¨µ¶²± Žƒ oŽµ¬®²µ¬¤± „ ⁄q׫¨ −ª¤¶¨²∏¶. ±¨√¬µ²±2
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§¤¼¯¬¯¼ ¦¨¯¯ ¦∏¯·∏µ¨¶q ΑδϖΣπαχε Ρεσ , usss ouykul }vsz q
≈y  ƒµ¨ °¨¤±  q ≤«¤¯¯¨ ±ª¨¶²© «∏°¤± ¶³¤¦¨ ¬¨³¯²µ¤·¬²±q Πραξισ πυβλιση2
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Ρεσ , usst ou{kwl }yx| q
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第 u|卷第 z期
ussw年 z月
中 国 中 药 杂 志
Χηινα ϑουρναλ οφ Χηινεσε Ματερια Μεδιχα
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¤±§ ¬¯ª±¬± ¦²°³²¶¬·¬²± ²© º«¨ ¤·§¨√¨¯²³¨ §¬± ¤ °¬¦µ²ªµ¤√¬·¼ ±¨√¬µ²±2
°¨ ±·q Πηψτοχηεµιστρψ, usst oxz }xz q
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³«¼¶¬¦¤¯ ³µ²³¨µ·¬¨¶²©¶·¤µ¦«¬± °¬¦µ²ªµ¤√¬·¼2ªµ²º± ³¯¤±·¶q Αδϖ Σπαχε
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u . Σχηοολ οφ Πηαρµαχψ, Σηανγηαι ϑιαο Τονγ Υνιϖερσιτψ, Σηανγηαι usssvs , Χηινα ;
v . Ινστιτυτε οφ Μεδιχιναλ Πλαντ , Χηινεσε Αχαδεµψ οφ Μεδιχαλ Σχιενχεσ ανδ Πεκινγ Υνιον Μεδιχαλ Χολλεγε , Βειϕινγ tsss|w , Χηινα)
[ Αβστραχτ] ˜·¬¯¬½¤·¬²± ²©¶³¤¦¨©¯¬ª«··¨¦«±²¯²ª¼ º¬¯¯ ¥¨ ±¨ ©¬··«¨ °²§¨µ±¬½¤·¬²± ²© ×µ¤§¬·¬²±¤¯ ≤«¬±¨ ¶¨  §¨¬¦¬±¨ ¶·∏§¼q ¤±¼ ¦²∏±·µ¬¨¶o
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≈责任编辑 王康正 
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第 u|卷第 z期
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中 国 中 药 杂 志
Χηινα ϑουρναλ οφ Χηινεσε Ματερια Μεδιχα
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