全 文 ：中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第3期2005年3月·321·
中药现代化论坛
药用植物生物技术与药材质量标准研究方法
张明生h2，杨永华¨，谢波2，殷召静1
(1．南京大学生命科学学院医药生物技术国家重点实验室，江苏南京210093；2．贵州大学农学院，贵州贵阳550025)
摘要：根据作者多年的研究经历及近年来国内外的研究进展，结合我国中医药的优势，从现代生物技术的产生与
广泛应用、中药有效成分及药材质量控制研究的重要性出发，系统地阐述了现代生物技术应用于药用植物研究的
重要性及其发展趋势。着重从药用植物无性繁殖系的建立与快速繁殖、细胞次生代谢调控、药材质量标准体系的构
建等方面，详细介绍了药用植物生物技术及药材质量标准研究的具体方法，以期为实现中药的安全、有效、稳定、可
控和中药走向世界提供参考。
关键词：药用植物；生物技术；质量标准
中图分类号：R282．1 文献标识码：A 文章编号：0253—2670(2005)03—0321—05
BiotechnolOgyf rmedicinalpl ntsandresearchmethodofquality
standardformedicinalmaterials
ZHANGMing—shen91”，YANGYong—hual，XIEB02，YINZhao—jin91
(1．StateKeyLaboratoryofPharmaceuticalBiotechnology，CollegeofLifeSci nce，NanjingUniversity，Nanjing210093，
China；2．AgriculturalCollege，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)
Abstract：Inaccordancewiththelong—standingexperiencestog therwiththerecentachievementsat
homeandabroad，thesignificanceandtendencyofmodernbiotechnologyforthestudyonmedicinalpl nts
wereexpoundedsystematicallybythenaissancedapplicationofm dernbiotechnologyc mbinedthe
withtheadvantagesoftraditionalChinesemedicineandbytheimportanceofstudyingtheactivecon—
stituentsofChinesemateriamedicaandqualitycontrolf rmedicinalmaterials．Beingstressedonestab—
lishmentofclone，rapidpropagation，regulationofcellsecondarymetabolismformedicinalpl ntsandcon—
structionofqualitycontrolsystemforedicinalmaterials，thebiotechnologicalstepsformedicinalpl nts
andqualitys andardofmedicinalmaterialsareintroduced．Inthisway，theindustryofChinesemateria
medicaispromisingw thsafety，efficiency，stability，andcontr01labilityndisorientingowardstheinter—
nationalmarket．
Keywords：medicinalplants；biotechnology；qualitystandard
中医药作为世界传统医药宝库中的一颗明珠，
是迄今为止世界上保存得最为完整的民族医药体
系，它以显著的临床疗效、浩翰的医疗文献屹立于世
界医疗之林。几千年来，我国民族医药为保障各族人
民的身体健康做出了不可磨灭的贡献。有专家预言，
21世纪可能是中药的世纪，天然药物将会得到更快
的发展。中国加入wTO后，中医药特别是中国民族
医药面临着一次千载难逢的好机会，民族医药作为
一种得天独厚的资源，必将以其特有的优势为振兴
民族经济、弘扬民族文化发挥积极作用。因此，加强
民族医药研究，对加快民族地区经济发展和贯彻落
实“西部大开发”战略，具有深远的历史意义。
药用植物是中药材的主要来源，其研究与利用
在中国已有数千年的历史。据资料统计，目前的药品
中仅有1／4来自植物，绝大部分为人体不能代谢的
化学合成物质。进入21世纪，药用植物在保障人类
收稿日期：2004—07—23
基金项目：“十五”贵州省科技攻关重大项目[黔科合农字(2000)1142号]
作者简介：张明生(1963一)，男，贵州遵义人，仡佬族，南京大学在读博士，硕士研究生导师，副教授，主要从事植物逆境生理、植物生物化
学与分子生物学、药用植物生物技术与珍稀药用植物资源可持续利用研究。 ．
Tel：(025)83594374E—mail：mshzhang@21cn．corn
*通讯作者Tel：(025)83686305E—mail：yangyh@nju．edu．cD
万方数据
·322· 中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第3期2005年3月
健康的社会医疗事业中的作用越来越重要。为战胜
危及人类生命的癌症、艾滋病、心脏病等严重疾病，
人们正在不断从植物中寻找新药源，因为在药用植
物中包含着许多人们尚未认识和开发的具有新功能
的结构，其中不少有望成为新的药物。然而，许多有
独特生理活性的植物天然次生产物，在植物中的含
量很低，利用微生物或化学方法不能或难以合成，并
且受到资源和环境条件的限制，靠采集野生资源提
取很难满足需要，因此用生物技术来工业化生产这
些物质势在必行。生物技术的兴起，为我国药用植物
的研究和发展提供了良机和手段。生物技术是依据
生命科学的有关理论，利用生物学、物理学、化学、工
程学等技术，从分子、亚细胞、细胞等水平对生物分
子、细胞和生物个体按预定设计进行操作和改造，以
更快、更有效地获得符合人们需要的生物分子(如
酶)、细胞或细胞株系、生物个体或品种及其相应的
产物和产品。借助生物技术，可使濒临灭绝的药用植
物资源得以保存和繁殖，保持自然界生物的多样性；
将那些数量极少而又有价值的新类型化合物进行扩
增，满足临床的需求。生物技术的广泛应用，将彻底
改变传统药用植物生产和加工技术，使之更适合新
时代的要求。
中药有效成分是指中药中能够起到治疗疾病作
用的化学成分，是几千年来我国传统中药治疗疾病
的物质基础。中药有效成分的研究对中药现代化起
决定作用，按照现代科学观点，如药材产地、真伪优
劣、加工炮制、质量控制等，均应以其有效成分的有
无及含量高低为依据。中药是由众多化学组分所组
成的复杂物质体系，传统测定一个或几个化学成分
含量的方法无法对中药质量作出整体分析，已成为
药物分析的一大难题。我国中药材种类繁多，来源复
杂，仅民族药用植物就有11140种之多，各地药材品
种使用习惯不尽相同，同名异物、同物异名现象甚为
普遍，购销中以假乱真、以劣充优的情况时有发生，
质量差异很大。因此，只有对中药材进行现代意义的
科学质量控制，建立起符合中药特色的质控技术体
系，才能更好地保证中药饮片和中成药的质量，实现
中药的安全、有效、稳定、可控，为中药走向世界奠定
良好的基础。
1国内外研究现状
1956年Routie和Wicreu首次利用植物细胞培
养技术生产天然产物获得成功。经过几十年的发展，
植物细胞培养技术已成为一门精细的实验科学，并
正在发展成为一门新兴的科学技术及产业体系。日
本从20世纪60年代开始，利用薄层色谱、气相色
谱、质谱、红外光谱、紫外光谱、核磁共振等先进仪
器，对中药中的成分作了分析研究，并且成功地从中
药中提取纯天然有效成分入药[1]。由于中药与化学
合成药比，毒性很小，因此在日本乃至全世界兴起了
中药热。日本每年中药制剂生产总量高达1×10“t，
然而，使用的中药基本是靠野生资源和进口(80％以
上是从中国、韩国进口)。由于中药野生资源有限，同
时有些植物极难栽培且与野生种遗传不一致，加工
出来的中药材品质存在很大的差异，有效成分的含
量也不稳定。为解决上述矛盾，日本从20世纪70年
代开始，运用生物技术进行了药用植物的大量快速
繁殖，利用基因导人技术进行植物基因转换，在次生
代谢产物的应用研究方面也有所突破。20世纪80
年代以来，以植物天然产物生产为目的的植物细胞
培养研究取得了巨大进展。1983年日本紫草Lithos-
permumerythrorhizonSieb．etZucc．细胞大规模
培养的成功和紫草素工业化及商业化生产的实现，
标志着植物次生代谢物细胞工程产业化的开始，进
一步增加了人们对此领域研究的信心和热情。
近年来，指纹图谱已成为国际公认的控制中药
或天然药物质量的最有效手段。因此，在积极吸收消
化国际上这方面已有成果的同时，结合中药实际情
况，广泛实践，及时总结，建立起符合中药特色的指
纹图谱质控技术体系。在药材指纹图谱研究中，可通
过化学指纹谱反映其化学信息，通过DNA指纹谱
反应品种的遗传信息，最终实现整体评价的目的。指
纹图谱技术是提升药材评价科学化、合理化、客观化
标准的系统工程，不仅需要建立测定手段，而且还要
探讨数据处理的新办法，使其更加完善，从而推动中
药质量控制与国际接轨。
21世纪将是生命科学世纪，以重组DNA技术
和单克隆抗体技术为标志而出现的生物技术成为高
新技术群体中最引人注目的领域之一。在我国传统
医药宝库——中草药的研究与开发中，生物技术必
将展现出广阔的应用及发展前景。
2药用植物无性繁殖系的建立及快速繁殖
2．1 愈伤组织的诱导及试管苗培养[2’33
2．1．1培养材料的采集：根据研究材料的不同，可
采集根、茎、叶、花、芽或种子的子叶等，也可利用花
粉粒或花药，其中根尖不易灭菌，一般很少采用。
2．1．2培养材料的消毒：材料一流水冲洗一蒸馏水
冲洗一无菌纱布或吸水纸吸干材料表面的水分一消
毒刀片将材料切成小块一材料放人70％酒精中浸
万方数据
中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第3期2005年3月·323·
泡30～60s一材料移入漂白粉的饱和液或0．1％升
汞水中消毒10min一无菌水冲洗材料3～5次一无
菌保存备用。
2．1．3制备外植体：将已消毒的材料，用无菌刀、
剪、镊等，在无菌的环境下，剥去芽的鳞片、嫩枝的外
皮和种皮胚乳等，叶片则不需剥皮。然后切成0．2～
0．5cm厚的小片(即为外植体)。在操作中严禁用手
触动材料。
2．1．4接种和培养：接种(无菌环境下将切好的外
植体立即接在培养基上，每瓶接种4～10个)一封口
(接种后，瓶、管用无菌药棉或盖封口，培养皿用无菌
胶带封口)一培养(温度大多在25℃左右，但要因材
料种类及部位不同而区别对待)一愈伤组织的诱导
或增殖一继代培养或根的诱导(继代培养形成的不
定芽和侧芽等一般没有根，必须转到生根培养基上
进行生根培养，1个月左右即可获得健壮根系)一试
管苗。
2．1．5炼苗移栽：试管苗从无菌到光、温、湿稳定的
环境进入自然环境，必须进行炼苗。一般移植前，先
将培养容器打开，于室内自然光照下放3d，然后取
出小苗，用自来水把根系上的培养基冲洗干净，再栽
人已准备好的基质中，基质使用前最好消毒。移栽前
要适当遮荫，加强水分管理，保持空气相对湿度在
98％左右，但基质不宜过湿，以防烂苗。
2．2胚性细胞悬浮培养与植株再生[4]：胚性悬浮细
胞系的建立一胚性愈伤组织的生长一胚性悬浮细胞
系的保持一胚性悬浮细胞的体胚发生与植株再生。
2．3胚性细胞突变体筛选：利用离体培养技术筛选
具有某一目标特征的突变体，一般需经过以下程序。
2．3．1建立长期具有高频率分代能力的无性系：作
物不同基因型，同一基因型的不同外植体，以及同一
外植体的不同生理状态，其诱导分化频率差异明显，
也受到培养基种类、激素成分与浓度不同的影响，且
随着继代次数的增加，分化频率显著下降。但筛选突
变体往往需要反复继代培养，所以建立长期具有高
频率分化能力的无性系就成为工作成败的重要一
环。近年来由于离体技术的不断改进和提高，对于不
同作物，通过选用不同发育阶段的外植体，不同种类
培养基和激素配比，以及不同的培养方法，均可诱导
出分化频率较高的愈伤组织，而且在多次继代后仍
不失其分化能力。
2．3．2愈伤组织变异系的筛选：愈伤组织无性系建
立后，一般用2种方法进行愈伤组织变异系的筛选。
一是直接选择法，即将愈伤组织直接置于一定诱变
条件(如射线、化学物质等)下诱导培养；二是间接选
择法，即逐级增加诱变条件，每级处理培养一至数代
不等，这样就可获得不同水平下产生的愈伤组织变
异系。
2．3．3愈伤组织变异系的稳定性分析：筛选得到的
愈伤组织变异系还必须进行稳定性分析，才能确定
其是否是变异体。稳定性分析是将对照和处理(培养
4～5代)的愈伤组织分别在特定诱变条件下，培养3
周后(此时组织已基本停止生长)，以鲜重的相对生
长量来表示，每个处理一般统计8瓶左右。
2．3．4愈伤组织的分化和再生植株目标特征的鉴
定：再生植株目标特征的鉴定，一般是以原正常愈伤
组织中分化出的植株为对照，将处理的再生植株在
一定条件下生长一段时间后，一并转移到某种条件
下生长，分别计算植株各性状指标，最后综合评定。
2．4脱毒苗的快速繁殖[5]：外植体的接种一快速增
殖一生根技术一试管苗移栽。
3药用植物细胞次生代谢的调控
3．1 外植体的选择：不同外植体的愈伤组织诱导能
力和诱导的愈伤组织合成次级代谢产物能力均不
同，所以，在利用植物细胞悬浮培养生产次生代谢产
物，选择能诱导出疏松易碎、生长快速且具有较高次
生代谢产物合成能力的愈伤组织的外植体是非常重
要的。
3．2高产细胞系的选择：在外植体诱导出愈伤组织
后，筛选生长快、次生代谢产物合成能力强的细胞系
是植物细胞培养工业化的前提。目前，筛选高产细胞
系的方法一般有：目测法、放射免疫法、酶联免疫法、
细胞克隆、流动细胞测定法、琼脂小块法等口]。
3．3培养条件的调控：物理因子主要包括光照、温
度、pH值、通气状况、接种量等口’8]；化学因素主要包
括培养基种类及激素影响，诱导子(茉莉酸甲酯、水
杨酸、铜离子等)、诱导剂p1(真菌提取液、葡聚糖、无
机离子等)、前体物质、抵制剂的添加等。
3．4培养方法
3．4．1两步培养技术：根据生长及代谢的需求，调
整培养基组分和培养条件，使生长和代谢均能在最
适条件下进行，协调好细胞生物量增长与次生代谢
产物积累之间的矛盾，从而提高目的产物的产率。
3．4．2 固定化培养技术：植物细胞固定化是将植物
细胞包裹于一些多糖或多聚化合物上进行培养，并
生产有用代谢物的技术。具有提高反应效率、延续反
应时间及保持产物生产的稳定性等特点。
3．4．3两相培养技术：两相培养技术是指在植物细
万方数据
·324· 中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第3期2005年3月
胞培养体系中加入水溶性或脂溶性的有机化合物，
或者是具有吸附作用的多聚化合物，使培养体系由
于分配系数不同而形成上、下两相。细胞在其中一相
中生长并合成次生代谢物，这些次生代谢物又通过
主动或被动运输的方式释放到胞外，并被另一相所
吸附。这样由于产物的不断释放与回收，可以减少由
于产物积累在胞内形成的反馈机制，有利于提高产
物积累含量，并有可能真正实现植物细胞的连续培
养，从而大大降低生产成本。
3，4．4毛状根转化技术[1⋯：毛状根是植物各器官
受发根农杆菌感染后产生的病态组织。感染过程中，
发根农杆菌Ti质粒T—DNA转移并整合到植物基
因组中。具有激素自养、增殖速度快、次级代谢产物
含量高且稳定等特点。
发根农杆菌Ri质粒是基因转移的天然载体，利
用这种载体对植物进行转化。方法有植物体直接接
种法、外植体接种法、原生质体共培养法。
植物体直接接种法口妇是将植物种子消毒后，在
合适的培养基上进行萌发，长出无菌苗。取茎尖继续
培养，待无菌植株生长到一定时期，将植株的茎尖、
叶片切去，剩下茎杆和根部，在茎杆上划出伤口，将
带Ri质粒的农杆菌接种在伤口处和茎的顶部切口
处，接种后继续培养被感染的植株。经过一段时间培
养，在接种部位产生毛状根。这种方法是最为简便
的，但它仅适合于可以用茎尖继代培养的植物。
外植体接种法[123是取植物的叶片、茎段、叶柄
等无菌外植体，与农杆菌共同培养2～3d，将植物的
外植体移到含有抗生素的选择培养基上经过不断继
代培养，农杆菌被杀死，转化细胞产生愈伤组织，并
可诱导产生毛状根。
原生质体共培养法[1胡是将愈伤组织按常规方
法制备成原生质体，原生质体再生细胞与农杆菌混
合共同培养，农杆菌对原生质体进行转化。在含有抗
生素的选择培养基上对转化细胞进行筛选，可得到
转化细胞克隆，最后在分化的培养基上得到完整植
株。原生质体共培养法要求原生质体有较高的再生
率，对那些原生质体培养还没有成功或再生率很低
的植物难于使用这种方法。
3．4．5冠瘿培养技术：通过根瘤农杆菌感染植物可
以将其Ti质粒的T—DNA片段(含tms和tmr基
因)整合进入植物细胞的基因组，诱导冠瘿组织的发
生。冠瘿组织离体培养时也具有激素自主性、增殖速
率较常规细胞培养快等特点，其次生代谢产物合成
稳定性与能力较强，用来生产有用次生代谢产物有
着良好的开发前景。
3．4．6反义技术：植物次生代谢是多途径的，是植
物体内一系列酶促反应的结果。反义技术是根据碱
基互补原理，通过人工合成或者是生物体合成的特
定互补的DNA或RNA片段(或者是具化学修饰产
物)，抑制或封闭某些基因表达的技术。通过此技术，
可以将反义DNA或RNA片段导入植物，使催化某
一分支代谢中的关键酶的活性受到抑制或增强。这
样，目的化合物的含量可以提高，而其他化合物的合
成途径则受到抑制。
4药材质量标准体系的构建
4．1 GAP种植规范：根据中药材GAP指南的具体
要求并按SOP进行优选和种植。对药材生产从种质、
环境、栽培方式、施肥、田间管理、采收加工、储存运输
等方面进行规范和控制，从而生产出质量均一、高效、
可控的优质药材。具体衡量指标就是植物的生物学特
性、药材性状、解剖特征、化学成分等方面的主要指标
稳定可控。因此，在进行药材的品质形成研究时，对能
引起中药材品质变化的各种因素都必须进行考察，以
确定各因素对药材品质的影响程度，从中优化出最佳
的药材种质、种植地区、土壤条件、栽培工艺、肥水管
理、采收时间、加工方法、繁殖方式等。
4．2化学指纹图谱研究[14’1⋯：化学指纹图谱分析
不等同于一般的仪器分析，它通常由指纹图谱获取
和指纹图谱鉴别计算两部分所组成。前者是指采用
色谱、光谱以及联用等仪器分析方法，获取能表征样
品化学组成特征的组分群体分析谱图或图像；后者
是运用计算分析技术对所获得的谱图数据进行处
理，通过筛选和简化，获得专属、宏观、整体的化学特
征综合信息，并对样品化学组成的总体波动情况进
行估测。因此，在获取了样品指纹图谱后，如何计算
并评定各批次产品指纹图谱间的整体相似程度，定
量描述它们各自化学组成的差异性和波动情况极为
重要，即指纹图谱相似性计算是化学指纹图谱分析
中的核心环节之一。
中药化学指纹图谱有两个特点：一是通过指纹
图谱的特征性，能有效鉴别样品的真伪或产地；二是
通过指纹图谱主要特征峰的面积或比例的制定，能
有效控制产品的质量，确保产品质量的相对一致。
4．2．1特征性的提取与分离：组份是天然产物利用
的重要步骤。要把药材有效成分尽可能地提取出而
尽可能少含杂质，分离纯净，并避免有效成分发生降
解、变质。
提取液选择要根据被提取物质的性质，杂质的
万方数据
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共存性质、结构，溶剂的极性大小、价格、安全性及除
去溶剂的方便性等。要得到较高的提取率，必须采取
理想的提取方式，并考虑以下影响因素：提取液的种
类和量的多少、材料的粉碎程度、温度、提取时间、提
取次数、操作方式。
杂质去除要根据杂质的种类，采取不同的溶剂
和方法，利用其与有效成分的不共溶性，使其与有效
成分相分离。
有效成分的分离可根据产品的物理性质和不同
要求，采用分馏、重结晶、色谱等方法进行分离。
4．2．2定性与定量分析：利用薄层色谱、高效液相
色谱、气相色谱、质谱、红外光谱、紫外光谱、核磁共
振等先进仪器，对药材成分进行分析研究。
4．2．3农药残留量和有害元素的检测：按农药残留
量和有害元素检测方法，对中药材样品进行测定，并
对其方法学进行研究和验证。
4．3 DNA指纹图谱研究[16~18|：基因组制备一
DNA琼脂糖凝胶电泳及DNA浓度和纯度的测
定一基因组DNA酶切一基因组DNA片段与人工
接头的连接一预扩增反应--，DNA扩增一聚丙烯酰
胺凝胶电泳及AgNO。染色一数据分析。
4．4药材质量标准体系构建：根据上述各项研究结
果，构建药材质量标准体系，并在实际应用中不断充
实和完善。
5结语
近年来，生物技术在农业、医药、环境、工业等领
域已取得了极大的进展，而在药用植物研究和生产
方面的应用仍处于初始阶段。迄今为止，中药材尤其
是地道药材生物技术及其质量标准的研究仍然是中
药研究中的一个薄弱环节。加入WTO后，我国中药
现代化、产业化进程日益加快，中药若要被世界认同
和接受，并与国际水平接轨，进行药用植物生物技术
及其质量标准体系研究非常必要。生物技术在药用
植物研究与开发中的应用主要包括以下几个方面：
1)药用植物种苗或种子的工厂化生产；2)高产优质
药用植物新品种的培育；3)药用植物种质保存及其
种子库的建立；4)药用植物天然产物的工业化生产。
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万方数据
药用植物生物技术与药材质量标准研究方法
作者： 张明生， 杨永华， 谢波， 殷召静， ZHANG Ming-sheng， YANG Yong-hua， XIE Bo，
YIN Zhao-jing
作者单位： 张明生,ZHANG Ming-sheng(南京大学生命科学学院,医药生物技术国家重点实验室,江苏,南
京,210093;贵州大学农学院,贵州,贵阳,550025)， 杨永华,殷召静,YANG Yong-hua,YIN
Zhao-jing(南京大学生命科学学院,医药生物技术国家重点实验室,江苏,南京,210093)， 谢
波,XIE Bo(贵州大学农学院,贵州,贵阳,550025)
刊名： 中草药
英文刊名： CHINESE TRADITIONAL AND HERBAL DRUGS
年，卷(期)： 2005,36(3)
被引用次数： 5次

参考文献(18条)
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本文读者也读过(10条)
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引证文献(5条)
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2.于晓辉 高效液相色谱指纹图谱与近红外光谱在大黄活性成分研究中的应用[学位论文]硕士 2006
3.谢静 生物技术与药用植物次生代谢产物[期刊论文]-西南军医 2007(3)
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5.李刚 甘草酸ELISA法建立及栽培甘草产量与品质调控机理研究[学位论文]博士 2005


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