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Development of the study on germplasm resources of medicinal plants: construction of core collection

药用植物种质资源研究的发展——核心种质的构建



全 文 :·专论·
药用植物种质资源研究的发展———核心种质的构建
黄璐琦1,吕冬梅1,杨 滨1,邵爱娟1,陈 敏1,魏建和2
(1中国中医研究院 中药研究所,北京 100700;
2中国医学科学院 中国协和医科大学 药用植物研究所,北京 100094)
[摘要] 借鉴农作物成功的经验,介绍了核心种质的概念及研究内容,系统的分析了药用植物核心种质构建
的特色及方法。核心种质的研究为加强和实现种质资源的有效管理及开发利用提供便利的条件和途径,为药用植
物种质资源的研究,提供新思路和方法。提出对核心种质的研究是药用植物种质资源发展的必然趋势。
[关键词] 药用植物;种质资源;核心种质
[中图分类号]S567 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2005)20156505
[收稿日期] 20050720
[通讯作者] 黄璐琦,(010)640144112955
药用植物种质资源是中药生产的源头,种质资源是进行
中药材品种改良、新品种培育及遗传工程的物质基础,尤其
是野生近缘植物和古老的地方种是长期自然选择和人工选
择的产物,具有独特的优良性状和抵御自然灾害的特性。如
人参、地黄、浙贝母在长期的人工种植过程中,由于自然选择
及长期的生态适应形成了一些地方品种、农家品种,是极其
宝贵的自然财富。种质资源越丰富,研究越深入,在中药材
品种改良、新品种培育越有针对性和预见性。因此,所掌握
的种质资源数量和对其性状表现及遗传规律的研究是十分
重要的。
为了人类的生存和持续发展,世界上的有识之士早就开
始注意并从事生物资源的抢救和保存活动,特别是对农业、
林业物种资源[1,2]。目前,国家已经开始重视药用植物资源
的保护与保存工作,例如,国家科技基础条件平台“药用植物
种质资源标准化整理、整合及共享试点”项目的实施。通过
对药用植物种质资源平台建设,能提供种质的保护及保存、
栽培育种、生物技术研究、中药基础理论研究、中医临床研究
等方面的信息,也为我国中医药事业的创新能力做出贡献。
随着对药材种质资源的调查研究及优良种质的评价与利用
研究的深入,如何利用现有的条件有效的保存种质资源成为
下步开展种质资源研究的关键和基础。为此,借鉴农作物成
功的经验,对药用植物核心种质及其构建进行探讨,提出对
核心种质的研究是药用植物种质资源发展的必然趋势。
1 核心种质的内涵和药用植物核心种质的特性
种质资源的征集保存对药用植物新品种的选育、特异种
质材料的利用以及种质创新具有重要意义,世界各国相继建
立了不同植物的种质资源库,以保存地方品种及其野生近缘
种。随着种质资源的不断征集和积累,种质资源库变得越来
越大,极大地提高了种质资源的管理费用,增加了特异种质
材料筛选、挖掘的难度。Frankel和Brown于1984年最早提出
核心种质(corecolection)的概念[3]。认为核心种质是保存的
种质资源的一个核心子集,以最少数量的遗传资源最大限度
地保存整个资源群体的遗传多样性,同时代表了整个群体的
地理分布。因此核心种质可以作为种质资源群体研究和利
用的切入点,从而提高整个种质库的管理和利用水平。一般
来讲,核心种质是从现有的种质中按照科学的取样方法与技
术,选出约10%样品组成,在一定程度上,代表了某一种及其
近缘野生种的形态特征、地理分布、基因与基因型的最大范
围的遗传多样性。对于促进种质交流、利用以及基因库管理
具有重要的学术和实用意义。核心种质的材料必须具有最
大的遗传差异,这些差异主要表现为不同材料在基因型上的
差异,以及不同基因型对环境反应上的差异,因此如何准确
地评价不同材料间在遗传上的相似性则是合理构建核心种
质的前提[4]。
根据核心种质的定义,从药用植物的特点出发,认为药
用植物核心种质应具有如下特性:①核心种质组成应包括和
体现当前药用植物的主要变异类型。②核心种质彼此间要
有异质性,最大限度地避免遗传上的重复。③核心种质存在
动态交流和调整,而不是一成不变。④包含生产实践所需要
的优异农艺性状或基因。⑤包含临床疗效所需要的有效成
分及其调控基因。
2 药用植物核心种质的内容和研究的理论依据
21 药用植物核心种质的内容
药用植物核心种质的研究内容主要包括4个方面:①数
据的收集整理。这些数据包括药用植物种质资源现有的基
本数据、评价鉴定数据和特征数据;基本数据是指有关材料
收集地、起源地的生态地理状况或分类体系等有关信息;评
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价鉴定数据包括质量、产量及抗性等信息;特征数据是指包
括形态、生化、分子标记在内的表征某材料特征数据。数据
的收集要求尽可能全面,以满足研究的需要。②数据分析。
将具有相似特点的种质材料分组,例如可以根据分类学、地
理起源、生态类型、遗传标记、农艺性状等数据来分组。③样
品的选择。按照分组的材料,以合理的取样方法和比例选取
核心种质。④核心种质的管理。核心种质建立后,要制定科
学的管理制度和利用体系,并根据需要不断调整、充实、完善
核心种质,以保证核心种质的有效利用[5]。为了便于种质资
源的保存与研究利用,应构建种质资源的四级结构:保留种
质、初级核心种质、核心种质和核心应用种质。应该指出,核
心种质建立后并非一劳永逸,而要随着研究的深入、对资源
认识和进一步收集以及应用的新需求,及时对其内容和结构
进行调整和充实[6]。
22 药用植物核心种质研究的理论依据
221 药用植物遗传多样性研究的深入
近年来,随着计算机技术和分子生物技术的发展,特别
是以PCR为基础的分子标记技术如雨后春笋般地涌现出来,
给生物遗传多样性的研究带来了极大的便利,同时这一技术
也深入到药用植物遗传多样性这一研究领域,尤其是珍稀濒
危的药用植物资源。例如,杜仲、肉苁蓉、人参等[79]。对遗
传多样性的研究可以揭示物种或居群的进化历史,也能为进
一步分析其进化潜力和未来的命运提供重要资料,尤其有助
于物种稀有或濒危原因及过程的探讨[10]。我国药用植物的
种类多,开发应用历史悠久,在医疗界的作用很大,这在全世
界是无与伦比的。对药用植物遗传多样性的深入研究,为药
用植物核心种质的构建提供了有力的保障。
222 道地药材的优质性
药用植物在长期的生存竞争及与自然界双向选择的过
程中,与产地的生态环境建立了密切的联系。中药材有特定
的分布区,不同产地的同一药材质量迥异,成为中药材的道
地性。道地药材是优质中药材,是药用植物中用量大,范围
广的品种,因此当前应备受重视、并予以重点研究和保护的
类型。道地药材由于长期适应特定自然地理环境条件,原物
种在长期的变异和分化过程中形成了具遗传稳定性的生态
型或变异宗,且品质各异,差异很大。优良的种质资源是道
地药材品质形成的内因。优良的种质资源的获得有赖于加
强道地药材种质资源的保存和系统研究,有赖于关键性种质
资源的发现和利用[11]。因此,对道地药材从形态和遗传特
性上进行研究,探讨其优质性,可以为药用植物核心种质的
构建打下坚实的理论基础。
3 药用植物核心种质研究的特色和方法
31 药用植物核心种质研究的特色
311 建立药用植物核心种质库是一项系统工程,需要进
行大量而深入的研究
药用植物种质资源的保护有别于一般植物,在我国占有
特殊的地位。药用植物种质资源大多数散布在深远山区,野
生性状较强,调查收集任务繁重,保护难度大。药用植物也
不同于大田作物,大田作物的产量、品质等经济性较药用植
物易于控制,且适应性广。其品质如淀粉、蛋白质、蔗糖、脂
肪酸等在植物体内的含量高。药用植物作为中药材,要考虑
到有效成分含量,其有效成分一般为植物的次生代谢产物,
含量极微。同时药用植物种质资源带有明显的地域性,药用
植物的品种比农作物更强调地域性;多年生种类多[12],栽培
种类繁多。由于上述的特点,加之未受到应有的重视,因此,
药用植物种质资源库的构建工作难度大,进展缓慢。
我国在药用植物的调查、收集和整理方面居于世界领先
水平。但对种内的变异资源,尤其是本地品种资源,缺乏科
学的系统整理和研究。对中药材种质资源进行收集整理,一
方面摸清家底掌握我国药用植物资源的基本情况,从根本上
解决目前中药材生产上的品种混杂现象,利于进一步合理保
护和研究。另一方面通过调查和整理,系统评价后从中发现
一些优良品质,选育出相对稳定的中药材优良品种。因此,
建立药用植物核心种质,是一项系统工程,需要进行大量而
深入的研究。然而,核心种质一旦构建,就可以将有限的人
力物力集中于数量较少的资源研究上,从而方便药用植物优
异种质的发掘和利用。
312 药用植物核心种质的构建是种质资源保存的必然趋
势,已有一些先进技术可以借鉴
建立药用植物种质资源库的工作量大,建立核心种质库
是必然趋势。目前,建立药用植物核心种质的工作只是一种
设想,但在农业等领域有很多技术经验可以借鉴。
对于药用植物来说,建立核心种质是全新的探索,尚需
要进行大量的研究工作,如取样方法的选择、取样比例的确
定、对所建立的核心种质检验方法的确定、保存方法的确定
等等。前人的经验将为药用植物的核心种质的构建提供技
术方法和理论依据。
313 构建药用植物核心种质应加强道地药材的研究
就像中药资源的任何研究都离不开道地性研究一样,核
心种质的研究也是如此,而且应该更加深入。因为道地药材
是最优质的中药材,因此研究道地药材的优良性状和品质,
对建立核心种质是十分重要的一个环节。
近年来,由于掠夺式的开发自然资源,生态环境恶化,不
少的名贵道地药材种类处于濒危状态,如天麻、人参、虫草、
贝母、砂仁等。栽培药材品种退化,质量下降,最终导致道地
性丧失。为了保证道地药材的质量稳定和增产增收,必须加
强道地药材的种质资源的收集、保存和研究,改良和稳定道
地药材物种居群形状,培育优质高产、抗逆性强的品种[13]。
这就为药用植物核心种质的研究提出了新的要求。
314 构建药用植物核心种质不仅要考虑遗传多样性还要
考虑有效成分的多样性
药用植物的品质包括内在质量和外观性状两部分。内
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在质量主要指有效成分的含量。因此构建核心种质时,药材
的有效成分是重要的考核指标。同时,药用植物种质的优良
与稳定性也是构建核心种质的关键所在。
进行药用植物的核心种质的构建,要从源头上把关,即
首先要鉴定出优良的种质。因此对进入核心种质的药用植
物的基源必须进行鉴定,明确到种、变种、生态型、化学型、居
群或栽培品种。如苍术在中国境内广泛分布,研究表明[14],
其主要药效成分挥发油在种内存在很大变异,表现出不同的
化学型,苍术道地药材的挥发油组成特征明显不同于其他产
地苍术,苍术道地药材良好的临床疗效的物质基础是其独特
的化学组成。这些研究结果对药用植物核心种质的构建意
义重大。
32 药用植物核心种质研究的方法
进行种质资源研究,特别是种质遗传多样性的研究,在
核心种质构建中具有重要意义。药用植物核心种质的研究
除准确的度量不同遗传材料间的遗传相似度以及合理高效
的抽样方法外,还应包括化学成分变化的多样性和稳定性。
321 遗传多样性的研究方法
3211 分子标记技术 分子标记技术在遗传学的建立和
发展过程中有着举足轻重的作用,是检测种质资源遗传多样
性,构建核心种质的有效工具。利用分子标记对种质资源的
分类、遗传多样性、优异基因的定位及核心种质的构建等研
究具有重大的理论和实践意义[15]。目前,用于作物种质资
源鉴定及育种的分子标记主要有限制性片断长度多态性(re
strictionfragmentlengthpolymorphism,简称 RFLP)、随机扩增多
态性DNA(randomamplifiedpolymorphicDNA,简称 RAPD)、扩
增片断长度多态性(amplifiedfragmentlengthpolymorphism,简称
AFLP)、微卫星 DNA(microsateliteDNA)又称简单重复序列
(simplesequencerepeat,简称 SSR)以及原位杂交(insituhy
bridization)等。有人提出在种质资源保存研究过程中,对于
核心种质构建、基因性状鉴定、品种指纹图谱建库时,用 SSR
技术进行分子标记为最佳,该方法优点是多态性高,易于观
察比较[16]。
3212 DNA序列分析 由于遗传信息储存在染色体和细
胞器基因组的DNA序列中,故染色体水平和 DNA水平的遗
传多样性就显得格外引人注目。DNA测序是检测遗传多样
性最彻底的方法,早期都用放射性标记。近来,PCR应用于
测序提高了灵敏度。各种新的基因克隆方法的发明,使生物
DNA全序列分析成为可能,对中草药有效成分进行 DNA测
序,提供了细胞学和分子生物学的新证据,利用现代生物技
术建立中草药种质资源基因库,对世界范围的植物分类也是
很有意义的。
3213 凝胶电泳 凝胶电泳技术是分子生物学技术中一
种十分重要的实验手段,应用于核苷酸序列分析、分子标记、
分子杂交等各个方面。张琼光等人对优良种源区域内厚朴
的两种类型植株的种质资源进行电泳分析,以探索优质种子
的鉴别方法[17],凝胶电泳技术为优质种质资源的选择和质
量控制,提供了一条新的途径。
3214 近亲交配成自交 自交(即近亲交配,inbreed)是最
常被使用的育种方法,以这种方法得到的子代以 Fn来表示,
F的原文意义为”子代的世代数”(Filialgeneration),其用意在
于:由少数的亲本即可展开育种;近亲交配可将基因纯化,以
选拔带有大型生长基因的个体或带有优美个体基因的个体。
但是,自交(累代)数目增加会产生一些问题,包括畸型的产
生及个体小型化等,所以自交次数建议不要大于6。遗传育
种工作十分强调自交或近亲交配,因为只有在自交或近亲交
配的前提下才能使供试材料具有纯合的遗传组成,从而才能
确切地分析和比较亲本及杂种后代的遗传差异,研究性状遗
传规律,更有效地开展育种工作。
随着生物技术的不断运用与发展,人们将不仅能更加充
分的利用现有种质资源,还可以通过基因重组创造新的种质
类型,极大地丰富药用植物的种质资源,实现中药资源的长
期可持续发展战略。因此,只有利用先进的分子生物技术对
种质资源进行研究,扩大繁殖,促进其更新,才能保证资源的
永续利用。种质资源是药用植物育种的物质基础,没有优异
的种质资源很难培育出优良的新品种,进一步寻找和创造出
更多具有特殊价值的种质资源将是今后生物技术运用的一
项重要内容[18]。
322 化学成分多样性的研究方法
中药指纹图谱(fingerprinting)借用 DNA指纹图谱发展而
来。最先发展起来的是中药化学成分色谱指纹图谱,特别是
高效液相色谱(HPLC)指纹图谱。HPLC具有很高的分离度,可
把复杂的化学成分进行分离而形成高低不同的峰组成一张色
谱图,这些色谱峰的高度和峰面积分别代表了各种不同化学
成分和其含量。整个色谱图表征了该样品所含化学成分的多
少和量的大小[19]。目前,中药指纹图谱的研究已如火如荼的
展开,是中药研究的热点之一,可以在药用植物核心种质的构
建中得到有效的利用。
323 抽样方法
构建遗传资源核心种质的另一个重要环节是核心材料
的抽样,不同的抽样方法直接影响核心材料的抽取。目前构
建核心种质的方法是先对样品进行遗传分类,根据分类结果
采用一定的抽样比率和抽样策略抽取核心材料。构建核心
种质采用的抽样方法主要有随机抽样(R)、按常数抽样(C)、
按比率抽样(P)、按对数抽样(L)和按遗传变异度抽样
(G)[20]。
确定合理的取样比率是构建作物核心种质的重要环节,
各种核心种质构建中往往根据原始群体的大小调整抽样比
率。对于大容量的资源群体一般采用较低的抽样比率,如
10%;而较小的群体则采用较高的抽样比率,如20%或25%
等。随着核心种质容量的变小,保存的遗传变异及结构对其
容量的大小将非常敏感.可以利用不同的方法对种质进行分
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类(计算机聚类关联规则等)在方法上可以进行改进。
评价核心样品对整个种质资源多样性的代表性是核心
种质研究中的又一重点和难点。根据核心种质的概念,构建
核心种质时要选择有代表性、异质性和多样性、类型齐全的
样本作为核心种质。因此,可以选择了多样性指数、表型方
差、变异系数、表现型分布频率方差、表型保留比例、最大值
离差及最小值离差等参数作为初选指标[6]。农业上有人利
用无偏预测的基因型值进行核心种质构建方法的研究;同时
采用多种系统聚类和核心种质的抽样方法构建水稻核心种
质,探讨构建水稻核心种质的最佳方法和途径[21]。
324 其他
核心种质的保存也是研究的重点。目前世界种质资源
日益枯竭,大量有用基因损失,特别是那些不产籽植物或种
子寿命短的植物更为严重,因此寻找合适的方法保存种质资
源显得非常重要。贮存种质资源是一个涉及到人力、财力和
科学技术的复杂问题。为此全世界都在广泛深入地进行研
究,并采取了综合贮存的策略,即田间基因圃、种子库、原位
保存、设备保存、DNA保存、花粉贮藏、离体保存基因库等
等[22]。近年来运用超低温保存技术已日益成为一种较为理
想的保存种质资源的新方法。药用植物应根据本身的特殊
性,保存方式方法上也有待于进行更深入的研究。
4 结语
由于核心种质最大程度地去除了种质资源中的遗传重
复,以极少的种质数量即囊括了原资源群体中的全部或大多
数变异类型,这无疑为解决当前巨大的资源收集量与资源深
入评价及有效利用之间所存在的突出矛盾提供了一个十分
有利的契机,从而极大地推动和促进种质资源研究的进一步
发展。首先,核心种质的构建有助于了解现有种质资源遗传
多样性的组成特点和分布状况,以及其潜在的利用价值,进
而对于今后种质资源的引种、收集工作,包括引种方向、引种
类型、材料等的确定具有重要的指导作用。其次,核心种质
的构建可以有效地加强和实现我们对重点材料的重点保护
和管理,防止和避免遗传多样性,特别是优异种质和基因的
丢失。第三,核心种质实际上提供了一套规模急剧减少而遗
传多样性又十分丰富且具有代表性的样品集,这使得在现阶
段即能够采用一系列先进手段和方法有目的、有重点地进行
重要性状遗传规律的研究,以及优异种质、基因的筛选与克
隆,避免工作中的盲目性,从而尽快提高种质资源的研究水
平和利用效率[23]。
在中药现代化系统工程中,药用植物种质资源是根本,
对药用植物核心种质的研究不仅可以为保护中药种质和遗
传资源,加强优选优育和中药种源研究,防止品种退化,解决
品种源头混乱的问题提供一条出路。同时,收集中药品种、
产地、药效等相关的数据,对加强中药材野生变家种家养研
究,植保技术研究,发展绿色药材,加强中药材新品种培育,
开展珍稀濒危中药资源的替代品研究都有很好地推动作用。
综上所述,核心种质的研究为加强和实现种质资源的有
效管理及开发利用提供了一个十分便利的条件和途径。目
前,我国药用植物核心种质的研究还处于初级阶段,还有巨
大的发展空间。除技术问题外,药用植物核心种质的构建还
涉及其它综合因素,需要人们提高认识。核心种质在药用植
物种质资源的建设中刚刚兴起,有待于引起社会的重视,并
加以大力支持。在世界范围内,核心种质研究的规模普遍较
小,而且缺乏统一的技术模式或技术体系。药用植物核心种
质的研究可以为世界范围内的核心种质的构建提供研究实
例和方法。
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the1/2MSmediasupplementedwith20%potatoextract.The1/2MSmediumsupplementedwith10mg·L-1BAand01mg·L-1NAAwas
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ChinesePekingUnionMedicalColege,Beijing100094,China)
[Abstract] Accordingtothesuccessfulexperienceofstudyingoncrops,thispaperintroducedtheconceptionofthecorecolectionof
medicinalplants,andanalyzedthecharacteristicandthewaytoconstructit.Studiesonthecorecolectionwouldfulfilthemanagementandu
tilizethegermplasmresourcesconvenientlyandprovideanewideaandamethodtostudyonthegermplasmresourcesofmedicinalplants.Itis
necessarytostudyonthecorecolectionforthedevelopmentofthegermlasmresourcesofmedicinalplants.
[Keywords] medicinalplants;germplasmresources;corecolection
[责任编辑 张宁宁]
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第30卷第20期
2005年10月
中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
Vol30,Issue 20
October,2005