全 文 :中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第5期2005年5月·641·
中药现代化论坛
离子束生物技术及其在药用植物育种申的应用
陈浩,梁运章
(内蒙古大学内蒙古自治区离子束生物工程重点实验室,内蒙古呼和浩特010021)
摘 要:自20世纪80年代中期发现离子束生物效应以来,离子注入技术已被应用于生物改良、生命起源和进化以
及环境辐射生物学效应等多个研究领域。其中,在植物遗传育种、创造新种质资源方面的成果尤为突出。药用植物
是中药重要的原材料之一,其遗传育种工作对提高中药材的产量和质量起着十分关键的作用。重点综述了离子柬
生物技术及取得成果,然后指出药用植物的研究现状,并对离子束生物技术在药用植物育种中的应用进行了展望。
关键词:离子束生物技术;药用植物;育种
中图分类号:R284.1 文献标识码:A 文章编号:0253—2670(2005)05—0641—03
IonbeambiOtechnolOgyanditsapplicationtomedicinalpl ntbreeding
CHENHao,LIANGYun-zhang
(KeyLaboratoryofIonBeamBioteehnologyofInnerMongoliaAutonomousRegion,
InnerMongoliaUn versity,Hohhot010021,China)
Abstract:Ionbeami plantationtechniquehasb enappliedtomanyresearchfields,suchasorganism
improvement,lifeorigina devolution,andradiobiologicaleffectof henvironment,sincethemutagenic
effectsofionbeamhadbeendiscoveredatthemidof19807S.Especiallyionbeambiotechnologyhasob—
tainedoutstandingresultinintroducingpla tbreedinga dcreatingnewermplasmresources.Medicinal
plantisoneofbasicmaterialsoftraditionalChinesemedicinalmaterials,whichhasdirectrelationshipwith
thequalityandcurativeeffectsofmedicines.Therefore,theirgeneticbreedingplaysaveryimportantrole
intheimprovementoftheyieldandqualityoftraditionalChinesemedicinalmaterials.Inthispaper,ion
beambiotechnology,itsobta nedre ults,andpresentstatusofresearchonmedicinalpl ntsarexpound—
ed.Moreover.thep ospectsofitsapplicationtothemedicinalpl ntbreedingarepointedout.
Keywords:ionbeambiotechnology;medicinalplants;breeding
20世纪后半叶,随着低能加速器和离子注入技
术的发展,低能离子与物质相互作用研究对半导体工
业、微电子和材料科学产生了重大影响。然而,在离子
注入生物效应发现之前,低能离子与物质相互作用研
究对象仅限于气体(包括等离子体)、固体(金属、半导
体等)和高分子材料这些无生命物质Ⅱ-r直到1986
年,中国科学院等离子体物理研究所发现了离子注入
对生物的诱变效应,证实了质量(粒子)沉积生物效应
的存在,开辟了低能离子与生物体相互作用的新的研
究方向[2]。正如人们所预期的那样,现已发展成为“离
子束生物工程学”(也叫低能重离子生物学),这一新
兴的交叉学科,受到国内外的关注。经过近20年的努
力,离子束生物工程学理论和应用研究都已取得不少
进展,尤其在生物品种改良上取得了较大进展,创造
了较大的经济效益和社会效益[3]。近年来,天然药物
研究和开发方兴未艾,产值快速增长。天然药物的原
材料主要来自药用植物,深入进行药用植物研究和开
发将具有十分重要的意义。为了保证和不断提高药用
植物的质量(尤其是有效成分的含量)和产量,药用植
物的品种改良工作必将提到重要的议事日程[4]。针对
上述情况,笔者认为离子束生物技术在药用植物育种
的应用有着诱人的前景。
1离子束生物技术
1.1 离子束生物技术的发展:20世纪80年代中期,
中国科学院等离子体研究所余增亮研究员等率先将离
子注入技术用于农作物品种改良,于1986年首次发现
收稿日期:2004—09—24
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10066001)
作者简介:陈浩(1977一),男,内蒙古呼和浩特人,硕士研究生,研究方向为环境生物物理。
Tel:(0471)4991529Fax:(0471)4991529E—mail:chenll26@eyou.com
万方数据
·642· 中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第5期2005年5月
离子注入水稻生物学效应,并在几个水稻品种离子注
入诱变上,获得损伤低、突变率高、突变谱广的统计结
果口]。随后,离子注入作为新的遗传改良方法,在小麦、
水稻、棉花、玉米、花生、果树、林木、牧草和微生物等方
面应用,证明低能离子注入所引发生物效应是多方面
的,并取得了突出的成果[6~8]。1988年,余增亮研究员
首次提出注入离子与生物体相互作用原初过程的三因
子效应,即能量沉积效应、质量沉积效应和电荷交换效
应,为离子束生物技术的机制,尤其是原初物理过程的
研究奠定了基础。1996年7月,余增亮研究员的专著
《离子束生物技术引论》问世,标志低能离子生物学作
为一门新型交叉学科正式建立起来了。
1.2离子束生物技术的应用及取得的成果
1.2.1离子注入生物学效应的机制研究:对低能离
子注入生物种胚产生诱变的机制目前有多种认识,一
种观点是:低能离子在植物种子材料中的射程浅,不
足以穿过种子表皮到达胚细胞,因此细胞的损伤可能
是由离子引起某些次级过程的间接作用造成的[9]。但
越来越多研究显示,高速离子能够穿过种皮,注入到
子叶和种胚细胞内,通过质、能沉积造成双重损伤,进
而诱发突变。余增亮等认为作物于种子结构极其复
杂,多层、多相、多通道,载能离子的刻蚀作用能使这
些通道连通,使得后续离子直接作用到胚上[1⋯。
1.2.2离子束应用于植物品种改良:离子注入技术
应用于农作物的诱变育种研究,经过十几年的发展,
现已取得了明显的成效。1994年以来,离子束生物
技术已育成11个水稻、小麦、玉米和番茄等农作物
新品种,通过安徽、山东等省审定,其中一个小麦新
品种通过国家审定。这些新品种中,有的被评为优质
米新品种(如D。。。;),有的抗虫抗病性强(如S。㈣)。
更重要的是离子束生物技术获得了一批特殊的育种
材料,如用离子束介导法将几丁质酶基因转入水稻、
小麦,获得抗病的水稻和小麦植株;将碳4循环玉米
多酶系基因转入水稻,获得光合效率比原品种平均
提高80%的一批水稻新品系等。这些特殊材料培育
的成功为农产品结构调整提供了宝贵的种质资源。
1.2.3离子束应用于微生物品种改良:离子注入近
年来在微生物的品种改良上取得了较大的进展。
1998年以来,离子束在微生物育种上应用开创了崭
新的局面,新菌株的选育取得丰硕的成果。鞣质酶、
麦角甾醇、柠檬酸的效价分别提高289%、60%和
52.8%。特别值得提出的是维生素C(VC)和花生四
烯酸产生菌,其发酵水平双双创国内外新高。VC在
300t发酵罐上糖酸摩尔转化率达到94.8%,质量
转化率为102%,接近菌种转化率的极限,被业内专
家喻为“自VC二步法发酵发明以来的重大突破”。
离子束生物工程菌生产花生四烯酸,发酵水平是当
前国内论文报道的10倍,比国外高50%u1。。
1.2.4离子束应用于植物转基因与远缘杂亲:在离
子束与生物体相互作用过程中,粒子的植入、动量的
传递和电荷交换可导致植物细胞表面被刻蚀,引起
细胞膜通透性和跨膜电场的改变。根据这一原理,近
几年来发展了一种离子束介导的转基因技术获得成
功。吴丽芳等利用离子束介导分别将gus基因、几丁
质酶基因(RCH8)、改良的绿色荧光蛋白基因
(mGFP4)导入小麦栽培品种的成熟胚细胞,经PCR
检测、Southern杂交分析,证明这3种基因已分别
整合到小麦基因组中,平均植株转化率为1.4%~
17%[12~14]。此外,通过Ar+注入,又将两个大豆品
种的全DNA分别导人两个小麦栽培品种中。收获
后,发现有两个单株的蛋白质含量分别达到
20.46%和25.35%,明显高于对照[15|。说明通过离
子束介导外源DNA转化技术,可以绕过复杂的组
培过程而由成熟种子直接发育为植株,并获得带有
目的性状的转化后代,为远缘物种间遗传物质交流
提供了一种简便有效的途径。
2离子束生物技术在药用植物育种中的应用
2.1 药用植物的重要性及研究现状:中医历经几千
年的发展沉积,已经形成与西医完全不同的理论体
系,有独特的用药规律。我国拥有丰富的中药资源,
中药12807种,其中药用植物1146种,药用动物
1581种,药用矿物80种,对32种药用植物类药材
统计发现总蕴藏量达8.5×106t,目前经营中药材
1200多种,常用药材600种,栽培200多种,野生
收购药材400种口引。中药材是生产中药饮片和中成
药的重要原料。保证中药材质量是保证中药饮片和
中成药质量的关键和基础。
药用植物是一类具有特殊用途的经济植物。在
我国,药用植物经过几千年的应用和发展,已经形成
了具有悠久历史的传统中医药。中药材是我国药用
植物的主要部分,是我国中医药事业的原材料,其质
量的优劣直接影响中药系列产品的质量和疗效H]。
它既是中医治疗疾病的物质基础,又是制药工业的
重要原料。此外,还在食品、卷烟、保健品及化妆品等
许多行业中有着重要的作用。
药材种子是药材生产和发展的源头,很大程度
上决定着中药材的质量。药用植物的品种是指那些
适应于当地环境条件,在植物形态、生物学特性以及
万方数据
中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第5期2005年5月·643·
产品质量都比较一致,性状比较稳定的植株群体。药
用植物的良种选育就是要通过多种途径,运用先进
的科学技术,有针对性和创造性的培育出新的优良
品种,不断淘汰相对较差的品种。
目前,我国药用植物的基础研究很薄弱,中药材
生产长期以来处于自由发展的状态,中药材的遗传
育种和良种选育工作与各种农作物比,差距很大。尤
其在药用植物有关性状和化学成分调控机制和遗传
规律研究方面,几乎是空白。由于缺乏遗传基础研究
工作,因此药用植物的育种工作长期停留在比较初
级的阶段,主要是移植和应用农作物传统应用的常
规育种技术。从药用植物的生物背景和药材生产的
实际需要来看,这存在很大的缺陷。
面对经济全球化和我国已经加入wTO给我国
中药产业带来了新的机遇和挑战,中药产业必须与
现代科学技术相结合与现代学术思想相结合口6|。就
药用植物而言,就是应高度重视药用植物的质量和
品种改良工作,把药用植物的遗传研究和生物新技
术育种作为药用植物研究工作的重要组成部分。药
用植物的品种改良工作近几年在国内引起了有关部
门和专家的重视。我国著名生药学家徐国钧院士和
著名药用植物学家肖培根院士一致认为:药用植物
资源的利用正面临一场新的世界性技术革命,必然
首先受到生物工程等先进技术飞跃发展的影响[4]。
2.2 离子束生物技术在药用植物育种中的应用及
展望:考虑到离子束生物技术现有的丰富的技术积
累和广阔的发展前景,完全可以将两者结合,探索一
个新的改良药用植物的方法。以离子束生物技术改
良药用植物为研究目标,论证采用这种新的改良药
用植物方法的可行性,创造更多、更好的药用植物品
种,进而提高其有效成分含量、产量、抗逆性、适应范
围等特性。这对于提升我国中药材行业在整个国际
市场上的竞争能力,促进中药的整体质量水平的发
展都有巨大的现实意义。
离子束改良药用植物研究涉及到很多相关学
科,如低能离子生物学、药用植物栽培学、中药药理
学、化学分析等很多领域。当前,科学技术发展的重
要特点是各学科相互影响和渗透,交叉学科不断涌
现,而学科的交叉恰是创新的希望所在。
目前,已有少数的单位正在用离子束生物技术
对药用植物育种工作展开研究。安徽农业大学的彭
镇华等以低能N+离子的不同剂量注入银杏胚部,
引起酯酶同工酶和过氧化物同工酶在数量、种类和
活性上的变化;酶谱的变化与注入剂量有关,但不显
著;生理变异可通过无性繁殖遗传;突变致死剂量效
应呈非指数变化。新疆大学离子束生物工程实验室
对低能离子注入麻黄种子生物效应进行了初步研
究。研究表明:离子注入对麻黄种子的生长起良好的
生物效应。内蒙古大学内蒙古自治区离子束生物工
程重点实验室正开展以药用植物为对象,用离子束
生物技术进行品种改良的系列研究。通过对黄芪、沙
棘和麻黄初步试验结果表明,离子束注入药用植物
种子可引起明显的生物效应,具有可喜的应用前景。
可以预见,以中药产业所具有的丰富的药用植
物资源和丰厚的历史底蕴,加上与离子束诱变高新
技术的联合,在科技工作者的通力合作下,中药事业
一定能找到合适的发展道路,发展壮大,再次获得新
的国际竞争力。
3结语
离子束在生命科学中应用的研究逐渐成为由中
国兴起向国外辐射的新的研究领域,得到科技界的高
度评价。近3年来,全国25个省、市60多个课题组到
等离子体所进行科学实验,均取得了可喜的成果。一
些省、区,特别是中西部地区从实践中体会到离子束
生物工程学对发展当地经济和提高自身科技创新能
力的重要作用,纷纷引进中国科学院等离子体物理所
的经验,投资兴建省、区离子束生物工程基地,如郑州
大学、新疆大学和内蒙古大学等的离子束生物工程实
验室。美国、日本、英国和泰国等国也开展了这方面研
究,日本还将离子束生物技术列为其“人类前沿科学
计划”,作为优先发展的高科技项目,并将成为21世
纪生命科学研究的支撑技术之一。[1妇
离子束生物工程技术从应用至今虽然仅短短近
20年的时间,但已成为许多国家竞相开展的国际前
沿课题,这项技术的发展,不仅促进了核科学的发
展,而且将促进生命科学研究的变革。其在药用植物
上的应用,应看作中药事业寻求向高新科技技术进
军的重要一步。可以预见离子束生物工程技术在药
用植物上的广泛应用及潜在功能的发掘,将会极大
推动中药事业的发展,这一领域所能开创研究的广
度和深度不可限量。
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(下转第768页)
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·768· 中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第5期2005年5月
2.2对照品溶液的制备:精密称取干燥至恒重的芦
丁对照品20mg,于50mL量瓶中,加甲醇少许,温
热使溶解,放冷,用甲醇定容至刻度。精密量取25
mL于50mL量瓶中,用甲醇稀释至刻度。
2.3标准曲线的制备:精密吸取对照品溶液0.0、
1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0mL,分别置于25
mL量瓶中,加适量甲醇,摇匀,先加5%NaNO:溶
液1mL,摇匀,放置6min;加10%Al(N03)31
mL,摇匀,放置6min;再加4%NaOH10mL,用甲
醇稀释至刻度,放置15min,用第一管作空白对照,
在500nm处测吸光度,以吸光度(A)为横坐标、浓
度(C)为纵坐标,绘制标准曲线。其回归方程为:c一
68.50A+0.693,r一0.9999。线性范围为0.2~
1.4mg。
2.4精密度试验:精密吸取同一对照品溶液1mL,
重复测定6次,结果总黄酮的RSD为0.50%。
2.5稳定性试验:精密吸取供试品溶液1mL,每2
h测定一次吸光度,共测定6次,结果总黄酮的RSD
为0.78%,表明供试品溶液在10h内基本无变化。
2.6重现性试验:取同一样品5份,制备供试品溶
液,按测定方法测定总黄酮质量分数,RSD为
1.18%。
2.7 回收率测定:精密吸取已知含量的供试品溶液
5份,分别置25mL容量瓶中,加入不同量的芦丁对
照品,按样品测定项下方法测定,依回归方程计算质
量分数,结果平均回收率为99.89%,RSD一
1.93%。
[4]
Esl
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
(上接第643页)
2.8样品测定:将不同生长期金莲花供试品溶液滤
过并分别精密吸取续滤液0.5~3mL于25mL量
瓶中,测定。依标准曲线计算茎叶总黄酮的质量分
数,结果见表1。
表1 不同生长期金莲花茎叶总黄酮含量(n一5)
Table1 Determinationoftotalf avanoidsinT.chinensis
stemandleafatvariousgrowingperiods(n一5)
3讨论
金莲花在大兴安岭资源十分丰富,在肯定了其
茎叶具有明显抑菌作用的基础上,考察了其不同采
收期总黄酮的变化规律,实验结果表明金莲花茎叶
总黄酮在5月中下旬较高,达6.656%,从而为金莲
花茎叶合理的采收和利用提供了理论依据。
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离子束生物技术及其在药用植物育种中的应用
作者: 陈浩, 梁运章, CHEN Hao, LIANG Yun-Zhang
作者单位: 内蒙古大学,内蒙古自治区离子束生物工程重点实验室,内蒙古,呼和浩特,010021
刊名: 中草药
英文刊名: CHINESE TRADITIONAL AND HERBAL DRUGS
年,卷(期): 2005,36(5)
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