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转基因技术在药用植物中的应用
董 　燕 ,张雅明 ,周 　联 ,王培训 3
(广州中医药大学免疫与分子生物学研究室 ,广东 广州 　510405)
摘 　要 :药用植物是我国中药宝库的重要组成部分 ,应用植物转基因技术提高植株抗病性 ,优化中药植物种质资
源 ,培育药效成分量高的新型转基因药材 ,或以基因工程细胞生产药用价值高、来源有限的中药活性成分 ,对中药
现代化和可持续性发展具有重要意义。结合转基因植物的历史发展与植物转基因技术现状 ,论述了基因工程技术
在传统中药材中的应用和发展前景。
关键词 :药用植物 ;中药 ;基因技术
中图分类号 :R282171 ;Q812 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :0253 2670 (2009) 03 0489 04
Application of transgene technology in medicinal plants
DON G Yan , ZHAN G Ya2ming , ZHOU Lian , WAN G Pei2xun
(Department of Immunology and Molecular Biology , Guangzhou University of Traditional Chinese
Medicine , Guangzhou 510405 , China)
Key words : medicinal plant ; Chinese materia medica ; gene technology
　　中药的不良反应小 ,对慢性、消耗性疾病具有独特的、西
药不可取代的作用。据世界卫生组织统计 ,发展中国家超过
80 %的人口使用药用植物来维持基本的健康需要 ,而发达国
家的使用量也在逐年上升 [1 ] 。我国野生药用植物种质资源
·984·中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 40 卷第 3 期 2009 年 3 月
3 收稿日期 :2008208212
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (30772737) ;广东省自然科学基金资助项目 (5004272)
作者简介 :董　燕 (1969 —) ,女 ,副研究员 ,博士 ,从事分子生物技术在中医药研究中的应用方向教学与科研工作。
Tel : (020) 36585479 　E2mail :dondy001 @gzhtcm. edu. cn
丰富 ,而采挖野生资源已造成许多中药资源濒于枯竭 [2 ] 。巨
大的需求和消耗使得供求矛盾越来越突出 ,进一步推动了中
药材生产基地规范化种植的发展 ,但中药材大面积集中种植
存在着病害严重的问题 ,而以常规育种手段获得抗病品种是
很困难的 ,基因工程技术在经济作物的抗病育种研究中已获
得成功并推广应用 ,将其应用于中药材的抗病育种研究具有
良好的发展前景。
1983 年世界首例转基因植物培育成功 ,标志着人类用
转基因技术改良植物的开始。10 年后 ,世界上转基因成功
的植物就已突破 60 种。转基因技术已成为普及应用最快的
先进农作物改良技术之一。
随着转基因技术的不断发展和各种基因信息的不断获
得 ,转基因技术在植物抗逆工程、品种改良等方面将取得更
大的突破。而植物生物反应器是植物基因工程发展的又一
重要领域 ,其优点是投资少、成本低 ,避免传统发酵生产出现
的产物聚集不溶或产品易被污染现象 ,同时可使生产的药物
活性更高 ,更易被直接利用 [3 ] 。未来的转基因植物有可能成
为制造药物、营养食品、有益化学产品的植物工厂 ,利用植物
生产医用口服疫苗、重组抗体、脂肪酸、药物等已成为人们关
注的热点。当前 ,虽然世界上关于转基因植物安全性问题争
论得比较激烈 ,但许多国家都认为发展转基因植物将是挑战
饥饿、突破增产极限、改善食物品质、防止环境污染、生产生
物工程药物的重要手段 ,转基因植物正成为一类新型的知识
经济产物。中药的有效成分主要是其次生代谢产物 ,而有效
成分减少、品种退化是人工栽培中存在的问题 ,应用基因工
程技术改善代谢途径、提高其活性成分等 ,对优化中药种质
资源和可持续发展具有重要意义。
1 　植物转基因技术
当前常用转基因技术按其是否需要通过组织培养再生
植株可分为两大类 :第一类需要通过组织培养再生植株 ,常
用的方法有农杆菌介导转化法、基因枪法 ;另一类不需要通
过组织培养 ,目前比较成熟的主要有花粉管通道法。
农杆菌介导的基因转化是利用其细胞内质粒上有一段
T2DNA ,农杆菌通过侵染植物伤口 ,其 T2DNA 可插入到植
物基因组中。人们将目的基因插入到经过改造的 T2DNA
中 ,借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移并与
染色体整合 ,然后通过组织培养技术 ,再生出转基因植株。
基因枪介导转化法是利用火药爆炸或高压气体加速 ,将
包裹了目的基因的高速微粒弹直接送入完整的植物组织和
细胞中 ,然后通过细胞和组织培养技术 ,再生出植株 ,选出其
中转基因阳性植株。与农杆菌法相比 ,其主要优点是不受受
体植株范围的限制 ,而且其载体质粒的构建也相对简单 ,因
此也是一种应用较为简便有效的方法。
花粉管通道法是在授粉后向子房注射含目的基因的
DNA 溶液 ,利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通
道 ,将外源基因 DNA 导入到受体细胞的基因组中 ,随着受
精卵的发育而成为转基因的新个体。该法的最大优点是不
依赖于组织培养再生植株 ,技术简单 ,不需要装备精良的实
验室 ,常规育种工作者易于掌握。
研究表明 ,转基因受体材料的生长状态、农杆菌感染能
力等因素 ,以及添加创伤反应诱导物、改变创伤方式、增强受
体材料被感染能力对转化频率影响较大。因此 ,研究者在农
杆菌介导转化方面发展了一些新技术 ,如超声波辅助农杆菌
介导法、低能离子束与农杆菌介导结合法、基因枪与农杆菌
介导结合法以及负压与农杆菌介导结合法等 ,均可提高转化
效率。如用基因枪轰击烟草和向日葵顶端分生组织 ,造成细
小的伤口 ,再进行农杆菌侵染 ,取得了比刀切等方法提高近
100 倍的转化效率 [4 ] 。先用 X 射线 (5～15 Gy) 处理 4 种受
体植物细胞 (烟草、矮牵牛、黑芥和豇豆) ,再进行转基因处
理 ,发现转化频率提高了 3～7 倍 [5 ] 。
上述方法中农杆菌介导法仍是目前应用最多、方法最成
熟的基因转化方法 ,迄今所获得的转基因植物有 80 %以上
是利用根癌农杆菌转化系统产生的。在以农杆菌介导法和
基因枪法进行的大麦转基因研究中 ,以荧光原位杂交技术分
析了外源基因的整合位点和拷贝数 ,发现农杆菌法转化的外
源基因拷贝数均在 1～3 ,且大部分遗传稳定 ;而基因枪法转
化植株的 60 %超过了 8 个拷贝 ,在 T1 代植株中基因沉默发
生率高 [6 ]基因枪法导入的外源基因为多拷贝 ,而农杆菌导入
外源基因的拷贝数低 ,有利于避免重复序列产生的基因沉默
现象。此外 ,基因枪法转入的外源基因易整合于异染色质区
域 ,而农杆菌介导法导入的基因多进入染色体的末端 ,有利
于外源基因正常表达 ,所以 ,农杆菌介恃法优于基因枪法。
2 　药用植物的外源基因转化研究
药用植物中以农杆菌介导基因转化为主要方法 ,而建立
植物离体再生系统是进行农杆菌介导基因转化的前提条件。
目前 ,已对愈来愈多的药用植物进行了组织培养方面的系统
研究 ,如巴戟天、阳春砂仁、枳壳、党参、黄芪等 ,不仅有利于
药用植物种质保存、繁殖和育种研究 ,也为离体再生系统的
建立和基因转化奠定了基础。
我国在中药领域的转基因研究已涉及多种植物 ,主要是
提高抗病性或提高其药用价值。如利用根癌农杆菌将半夏
凝集素基因导入百合基因组中 ,培育抗蚜虫能力增强的转基
因植株 [7 ] ;将天蚕抗菌肽 B 基因转入广藿香 ,提高广藿香抗
青枯病能力 [8 ] ;将小鼠金属硫蛋白2Ⅰ基因导入枸杞中 [9 ] ,以
培育富集锌的集枸杞药用价值与锌元素的营养价值于一身
的新型枸杞品种。亦有将重组人α2干扰素基因与趋化因子
Rantes 基因在苦瓜和夏枯草细胞中表达 ,探讨培育抗病毒尤
其是抗艾滋病中药植物的研究 [10 ] 。此外 ,在巴戟天、枳壳、
黄芪、菘蓝等其他中药植物中也进行了转基因研究 ;对既是
食品也是药用植物的辣椒进行转抗菌肽基因研究 ,获得的转
基因植株已进行了初步的食用安全性与营养质量评价 [11 ] ,
为转基因药用植物的安全性评价研究提供了一定的参考。
近年国外学者也开展了对中国传统中药植物的遗传转
化研究。在农杆菌介导外源报道基因 GUS(β2葡萄糖醛糖苷
酶)转化北玄参 [12 ]和唐松草 [13 ]研究中 ,鉴定了 GUS 基因的
表达及该酶活性 ,且转 GUS 基因唐松草根部的小檗碱量未
·094· 中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 40 卷第 3 期 2009 年 3 月
检测到明显变化 ,所建立的遗传转化系统为进一步的遗传改
良打下基础。发根农杆菌 Ri 质粒中与诱根有关的 rol 基因
在植物中表达能导致大量毛状根形成 ,在蒲公英的 rol 基因
转化研究中转基因植株的形态学明显改变 ,具有丰富的侧生
根 ,有望提高次生代谢物产量 [14 ] 。此外 ,表达外源抗真菌蛋
白几丁质酶的转基因美国洋参植株以及表达抗除草剂草丁
膦乙酰转移酶基因的转基因人参植株也已经获得 [15 ,16 ] 。
利用转基因技术将优良性状基因导入药用植物体内 ,赋
予其新的有利特性 ,提高植株的抗病性和抗逆性 ,是实现遗
传改良和培育新品种的重要技术方法。目前转基因药用植
物研究涉及的植物和基因种类越来越多 ,而研究的深度和系
统性还远远不及水稻、大豆、棉花等经济作物 ,但同时也预示
着巨大的发展潜力。
3 　药用植物的代谢工程研究
药用植物中的有效成分如生物碱、皂苷、黄酮、萜类等 ,
通常量很低 ,仅利用栽培途径大幅度提高有效成分的量是难
以实现的 ,而利用基因工程技术可改善代谢途径、提高代谢
产物的产量。次生代谢产物是药用植物的特殊分化细胞在
酶的作用下 ,经过多个反应步骤生成的。而酶的合成受基因
调节控制 ,因此 ,在掌握次生代谢途径分子机制的基础上 ,借
助转基因技术来调节基因的表达和酶的合成 ,是提高目标产
物量的有效途径。
近年来 ,随着基因工程技术的发展 ,药用植物基因克隆
研究在世界范围内迅速展开 ,已经克隆了抗肿瘤药物紫杉
醇、长春新碱、长春花碱 ,抗菌药紫草宁 ,抗疟疾药青蒿素及
镇痛药吗啡等次生代谢产物的生物合成相关酶的基
因 [17～21 ] 。紫杉醇是一种新型的抗癌药物 ,已通过同源引物
PCR 等方法克隆了 11 个与紫杉醇合成相关的基因。紫杉
烯是生成紫杉醇代谢途径中重要的中间产物 ,在大肠杆菌中
表达 4 个紫杉烯合成相关酶 ,可有效合成紫杉烯 ,产率达到
113 mg/ L ,提示可通过代谢工程在非生成紫杉醇的生物中
生产紫杉醇 [22 ,23 ] 。在对蒲荷代谢途径的研究中 ,已获得关
键酶 4s2柠檬烯合成酶、芳樟醇合成酶、香叶烯合成酶等的
cDNA 克隆物 [24 ,25 ] ,并用于改善代谢途径、提高薄荷挥发油
产量的研究 [26 ] 。用关键酶 4s2柠檬烯合成酶基因转化薄荷 ,
获得高单萜量的转基因植株 ,同时薄荷酮的量也相应提
高 [27 ] 。药用植物松果菊是流行于西方的“免疫”草药 ,具有
抗感染和免疫促进作用。查耳酮合成酶是黄酮类代谢产物
生物合成的关键酶 ,为改善代谢途径用该基因转化松果菊 ,
在转基因植株中已鉴定该基因的整合与表达 [28 ] 。以莨菪毛
状根培养生产抗胆碱药东莨菪碱研究中 ,转化单个限速酶天
仙子胺 62β2羟基化酶 ( H6 H)基因提高其表达量 ,东莨菪碱产
量 (184 mg/ L)明显高于野生型 (43 mg/ L) ,在此基础上将上
游限速酶四甲烯二胺2N2甲基转移酶基因和下游限速酶
H6 H 基因同时转化共表达 ,产量可达 411 mg/ L [29 ] 。为增
大青蒿植株中的青蒿素产量 ,通过基因打靶 ,调整代谢流向 ,
在转基因青蒿植株中 ,以突变型青蒿鲨烯合酶 (SS)基因取代
野生型 SS 基因已取得初步成功 [30 ] 。产青蒿素中间体紫穗
槐24 ,112二烯和青蒿酸的大肠杆菌工程菌和酵母工程菌也
已经构建 [31 ,32 ] 。
由于大部分次生代谢途径目前还不十分清楚 ,因此代谢
产物基因工程研究成功的例子尚不多见。随着对代谢途径
限速步骤的阐明和基因工程的发展 ,通过关键酶基因的转
化 ,或对基因启动子的转换、构建强有力的组成型启动子 ,使
限速酶在转基因细胞中高效表达 ,或采用激活剂激活关键酶
基因的表达 ,可实现对代谢途径的调节 ,从而大大提高代谢
物产量。
4 　药用植物基因工程存在的问题
将转基因技术应用于药用植物进行遗传改良的研究成果
不断涌现 ,但仍有一些问题成为限制其发展的瓶颈。在转基
因技术中 ,设计重组 DNA、建立适当的植物转化体系是转基
因的前提 ,而外源基因在植物细胞内出现转基因沉默现象是
普遍存在的一个问题。转基因沉默的内在原因归结起来有两
种 :一是 DNA 甲基化引起的失活 ,二是共抑制造成的转基因
沉默。为了克服转基因沉默 ,世界各国对转基因沉默机制及
其预防策略开展了广泛的研究 ,积累了不少经验 ,目前主要从
去甲基化[33 ] 、选择单拷贝转基因植株[34 ] 、在转基因侧翼接上
核基质结合序列 MAR (matrix attachment region) [35 ] 、优化转
基因密码子和转化载体、利用优良的转化和重组系统等几个
方面来开展工作。除了克服转基因沉默 ,同时还要通过其他
途径提高外源基因在转基因植物中的表达效率 ,如选择特异
性或诱导型启动子 ,降低外源基因的拷贝数以减少基因沉默
现象 ,利用引导肽进行表达产物的定位等。
此外 ,转基因植物的安全性问题是当前争论的热点问题
之一。虽然通过安全性评价和严格管理 ,到目前为止 ,还没
有证据表明转基因作物比传统作物不安全 ,当然对转基因作
物尚缺乏足够长期的安全性评估。将转基因技术应用于中
药材中更要考虑外源基因的导入对药材的品质是否有影响 ,
如果插入外基因导致药材某些化学成分 ,甚至药效成分改
变 ,则丧失了原有药用价值。鉴于此 ,对转基因中药应持谨
慎态度 ,对转基因中药的评价更显得尤为重要 ,必须进行系
统而深入的研究 ,才能为研究开发转基因中药提供依据。
5 　展望
转基因作物发展迅速 ,基因转化已被证明是改良经济作
物产量和品质的有效途径 ,并带来巨大经济效益。天然药物
正被世界上越来越多的人接受 ,因此药用植物需求量越来越
大 ,人工种植的品种越来越广泛 ,正发展成为一类新型经济
作物。虽然药用植物的遗传转化研究起步相对较晚 ,但可以
预见世界上对转基因药用植物的研究范围和深度将迅速发
展。我国是药用植物资源大国 ,将基因工程技术应用于提高
药用植物的抗病性、提高种植产量、改善代谢途径、提高其活
性成分的量等方面 ,既有利于发展人工种植 ,也有利于保护
濒顾珍贵品种 ,是药用植物可持续发展的需要。为实现基因
工程技术在中药植物中的健康发展 ,在今后的研究中可考虑
从以下 3 个方面入手 : ①加强对我国道地药材活性成分合成
途径的研究 ,克隆生物合成途径相关酶基因并对其进行功能
·194·中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 40 卷第 3 期 2009 年 3 月
鉴定 ,以应用于代谢工程研究 ; ②加强转基因中药安全性评
价研究 ,建立相关技术平台和评价标准 ; ③建立转基因模式
药用植物 ,由于我国中药植物资源丰富 ,发展过程中应集中
对少数几种代表性中药植物进行深入系统的研究 ,从离体再
生、遗传转化到安全性评价 ,为中药转基因研究提供可借鉴
的模型和方法。
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·294· 中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 40 卷第 3 期 2009 年 3 月