全 文 ：药用植物的多倍体育种
张汉明 ,许铁峰 ,郭美丽 ,张 磊 ,陈万生 ,乔传卓
(第二军医大学药学院 生药教研室 ,上海 200433)
摘 要: 概述了多倍体的概念、多倍体植物的特点及鉴定方法 ,总结了染色体人工诱导加倍的常用方法 ,回顾并展
望了多倍体育种在药用植物生产中的应用。
关键词: 药用植物 ;多倍体育种 ;人工诱导
中图分类号: R282. 21 文献标识码: A 文章编号: 0253 2670( 2002) 07 0671 03
Polyploid breeding of medicinal plant
ZHANG Han-ming , XU Tie-feng , GUO M ei-li, ZHANG Lei, CHEN Wan-sheng , Q IAO Chuan-zh uo
( Depar tment of Pharmacogno sy , Schoo l o f Pha rmacy , Second M ilitar y Medical Univ ersity , Shanghai 200433, China)
Key words: medicinal plant; po lyploid breeding; artificial induction
所谓育种 ,简单地说就是要创造出优良的、合乎要求的
新品种 [1]。 对栽培品种来讲 ,长时间的栽培可能会导致某些
品性的退化 ,一些品种还会遭受病虫害 ,例如十字花科植物
受蚜虫侵害就十分严重。另外由于耕地有限及提高效益的原
因 ,要求获得更高的单位面积产量及药用活性成分的更高含
量 ;对野生品种来讲 ,为了获得稳定的产量及对野生资源的
保护 ,我们要获得适于栽培的品种以进行引种栽培。 上述这
些问题都可以通过育种来解决。 育种方法有有性杂交育种、
系统选育、远缘杂交育种、诱变育种、单倍体育种、多倍体育
种等 [1] ,本文着重介绍多倍体育种。
1 多倍体的概念
一般所讲的多倍体是指染色体组的数目在 3( 3n )或 3
以上 (> 3n )的个体、居群和种 ,如 3倍体 ( 3n )、 4倍体 ( 4n )、 5
倍体 ( 5n )等都是多倍体。多倍体包括同源多倍体和异源多倍
体 ,同源多倍体增加的染色体来源于同一物种 ,而异源多倍
体则来源于不同的物种或不同的属。植物界中多倍体种极为
常见 ,藻类和真菌中都掌握了存在多倍体的例证。 在高等植
物中 ,苔藓植物 53%是多倍体 ,蕨类植物约 97%是多倍体 ,
裸子植物约 5%是多倍体 ,被子植物大约 70%是多倍体 [16 ]。
多倍体是在千万年的历史进化过程中不断适应环境而
形成的 ,许多学者认为最初的染色体加倍或者发生在合子中
(即合子中的染色体加倍或由未减数的雌雄配子结合 ,产生
具功能的四倍体合子 )产生多倍体植株 ,或者发生在某些顶
端分生组织中产生多倍体嵌合体。
2 多倍体的人工诱导
因为多倍体植株的一些特性对生产有利 ,而自然界产生
多倍体的过程相当漫长 ,因此人们经常需要通过人工诱导的
方法来获得多倍体植株。 人工加倍的部分植物统计见表 1。
早期的人工诱导方法为物理诱导 ,即通过打顶 ,或高温、低温
处理授粉后的幼胚 ,以及采用射线、中子、激光等辐照来获得
多倍体 ,但由于这些方法效率低且不稳定而未能普及。 现在
最常见的人工诱导方法是化学诱导 ,即用秋水仙素处理植物
的生长点。 秋水仙素所用浓度一般为 0. 01% ～ 1. 0% ,视植
物种类不同而不同。 秋水仙素不影响染色体的复制和分裂 ,
它的作用是防止纺锤体的形成 ,使细胞不分裂 ,例如乔传卓
等 [3 ]用 0. 05% ～ 0. 5%的秋水仙素处理菘蓝 ( 2n= 14)种子和
茎顶生长点 6～ 12 h,均获得四倍体植株 ( 2n= 28) ;陈素萍
等 [5 ]采用在添加秋水仙素的 M S培养基中萌发党参 ( 2n=
16)种子的方法获得了党参同源四倍体植株 ( 2n= 32);高山
林等 [8]在含 10μg /mL秋水仙碱的 MS培养基上培养丹参
( 2n= 14)试管苗的丛生芽 , 1个月后获得同源四倍体植株
( 2n= 28)。 也有用富民农作诱变剂的 ,例如远泓等 [4]用
0. 01% 富民农处理当归 ( 2n= 22)幼苗生长点 48～ 72 h获得
当归同源四倍体植株 ( 2n= 44)。
表 1 人工加倍的部分植物
植 物 名 文 献
牛膝 Ach yran thes bid entata Bl. 10
丹参 Salvia mult iorrhiza Bg e. 6
菘蓝 Isati s ind igot ica Fort . 3
党参 Codonop sis pilosula ( Franch. ) Nannf. 5
宁夏枸杞 Lycium barba rum L. 12, 13
百合 Lil ium brownii F. E. Brow n ex Miel lez 28
当归 Angel ica sinensis( Oliv. ) Diel s 4
三叉蝶豆 Cli tor ia ternatea L. 18
向日葵 Helianthus annuus L. 19
杂交碧冬茄 Petunia h ybrida Hor t 20
莨菪 Hyoscyamus n iger L. 21
胜红蓟 A geratum conyzoid es L. 22
Russian wildr ye 23
具苞罂粟 Papaver bracteatum Ldl. 24
茼蒿 Ch rysanthemum coronarium L. 25
鹰嘴豆 Ch ickpea (Ccicer arietinum L. ) 26
飞燕草 Delph inium ajacis L. 27
中草药 Chinese Traditional and Herba l Drugs 2002年第 33卷第 7期 · 附 1·
收稿日期: 2001-11-23
利用组织培养技术诱导多倍体是近几年发展起来的一
种新的诱导多倍体的方法。例如陈素萍等 [5]在诱导党参多倍
体时将一定浓度的秋水仙素加入培养基中 ,使种子在发芽中
逐渐诱变加倍 ,然后通过组织培养的方法获得大批量的再生
植株。 陈柏君等 [17]诱导黄芩同源四倍体时采用组织培养的
方法先获得愈伤组织 ,然后转移到分化培养基上诱导生芽 ,
当培养基上长出绿色芽点时 ,将带芽点的愈伤组织置于含有
秋水仙素的培养基上培养 ,或放入秋水仙素水溶液中浸泡 ,
最后依次经分化及生根培养基培养获得再生植株。利用组织
培养技术诱导多倍体操作简便 ,实验条件容易控制 ,重复性
好 ,诱导效率高 ,嵌合体少 ,易于大批量处理和筛选 ,筛选出
的优质株系可以应用组织培养技术在短期内大量繁殖 ,大大
地缩短了育种周期。
多倍体植株可通过农艺性状 (如植株 ,生长势 ,叶部形
态 )的观察进行初步鉴定 ,进一步的染色体的数目鉴定一般
采用茎尖涂片法或根尖压片法 ,用改良的碱性品红染色。 但
即使茎尖或根尖的染色体数目已经加倍 ,仍然不能排除获得
的植株是嵌合体的可能性 ,最终的确定还需要观察所获植株
的花粉粒的染色体数目 ,如果花粉粒的染色体数目也已经加
倍 ,则表示获得的是多倍体植株。
异源多倍体常通过远缘杂交或细胞质融合来实现 ,远缘
杂交的不亲和性可以通过电离辐射线照射有效克服。
3 多倍体植物的特点
多倍体植株的农艺性状通常有明显变化 ,突出表现在
根、茎、叶器官上具有巨型性 ,这能大幅度提高以相应部位入
药的药材的产量 ,例如丹参同源四倍体普遍比原植物生长势
旺而浓绿 ,茎杆粗壮 ,植株高 ,根部药材比原植物粗大 [8 ];菘
蓝同源四倍体较原植物叶子宽大而厚实 ,茎杆粗壮 ,花、果实
也略显增大 ;怀牛膝同源四倍体根的干重较二倍体有显著提
高 ,但其木质化程度却比二倍体低 ,说明质量也有所提高。多
倍体植株往往也具有较大的花和果实 ,因此对花和果实类药
材的生产也具有重要意义。
此外 ,多倍体植株叶部形态也有明显的变化 ,如当归同
源四倍体幼叶较正常叶弯曲、皱褶 ,叶肉增厚 ,叶色深绿 ,小
羽叶基部连成掌状 ,与原植物叶形有明显区别 ;多倍体植株
叶片的气孔大于二倍体 ,其保卫细胞中的叶绿体数随倍性水
平的提高而增加 ;每视野中气孔数四倍体明显少于二倍体 ,
这也可以作为初步鉴定四倍体植株的一个依据。有些学者认
为之所以发生这些变化是因为秋水仙素本身是一种诱变剂 ,
它能够引起染色体发生某些基因改变 ,即产生异源性。 另外
组织培养诱导多倍体经过愈伤组织阶段再分化成完整植株 ,
在愈伤组织的脱分化和再分化过程中也容易产生变异。
多倍体植株的能育性一般较原植物降低。一方面是由于
染色体在减数分裂中的配对容易发生紊乱 ,另一方面是由于
花粉粒巨型化导致受孕率低、结实率低。 这就要求我们从四
倍体植株中筛选出能育性高的品种 ,例如乔传卓等从四倍体
菘蓝中筛选出了能育性较好、种子萌发率也较高的优良品
种 [3]。 另外许多药用植物是以营养繁殖为主 ,因此对这些品
种来说 ,能育性降低对生产影响不大。
4 多倍体植物在药用植物生产中的应用
4. 1 抗性增强: 在高原地带的植物常有多倍体变种 ,这也从
一个侧面说明多倍体植物对寒冷等气候条件有较强的适应
性。 由于多倍体植株一般较矮 ,茎杆粗壮 ,故能较好地抗倒
伏。有的还具有抗旱、抗病等其他抗性 ,例如由日本薄荷
Mentha arvensis va r. piperascens和库页薄荷 M . gachali -
nensis诱导的异源四倍体具抗粉霉菌、抗寒等优点 [2] ,这些优
点对扩大种植区域 ,提高产量及野生品种变栽培品种极为
有利。
4. 2 多倍体植株通常具有较高含量的药用活性成分: 在实
践中发现 ,大多数多倍体中次生代谢产物的含量都有所增
加。例如蔓陀罗同源四倍体中生物碱含量大约是原植物的 2
倍 ;怀牛膝同源四倍体中蜕皮激素较原植物高出达 10倍之
多 [7 ];丹参同源四倍体中隐丹参酮、丹参酮 IA、丹参酮 I IA分
别较原植物高 203. 26% 、 70. 48% 、 53. 16% [6]。染色体倍性的
增加与化学成分含量的变化并不呈正比关系 ,例如毛蔓陀罗
的三倍体生物碱含量较二倍体、四倍体均高。 多倍体与原植
物比较 ,并不只限于原有性状的加强和提高 ,有的可能会产
生新的性状和新的化学成分。 例如福禄考 Phlox drum -
mondii Hook. 的同源四倍体中能够产生亲本所不含有的黄
酮类成分 ;菘蓝同源四倍体中游离氨基酸成分组成与二倍体
亲本相比也不尽一致 ,从中可能筛选出具有药理活性的前导
化合物。染色体数目的倍增影响化学成分变化的机制还不十
分清楚。
4. 3 不同种或不同属的植物杂交获得的杂种通常具有杂种
优势 ,但杂种一般不育 ,这时可以通过人工诱导使杂种的染
色体在此基础上加倍 ,从而能够进行正常的减数分裂 ,产生
种子 ,使杂种优势得以保存下去。
4. 4 经过处理获得的植株往往不是一个单纯的多倍体而是
一个嵌合体 ,有原二倍体 ,也有四倍体及其它倍性水平的多
倍体 ,还经常存在非整倍体 ,例如用秋水仙素处理当归种子
获得的植株出现异形叶 ,先出叶、基部叶已变异 ,而后出叶、
中部和顶端叶又恢复到二倍体的正常叶形 ,这是二倍体和四
倍体的嵌合植株。所以经处理获得的植株在以后各代还要加
以筛选才能得到一个稳定的多倍体植株。
4. 5 就药用植物生产来讲 ,我们要同时考虑药用部位的产
量和活性成分的含量 ,以取得最佳效益 ,不能只注意生长速
度 ,因为有些器官生长过快反而不利于有效成分积累。 我们
获得的不同多倍体株系之间在生长速度和活性成分含量方
面有较大差别 ,所以还要进行筛选合乎要求的理想株系。 可
以说多倍体诱导成功只是多倍体育种的第一步 ,我们还要尽
可能多地获得多倍体植株 ,以便能从多种类型变异中选出我
们所要求的类型。
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葶苈子化学成分和药理作用的研究进展
孙 凯 ,李 铣
(沈阳药科大学 天然药化研究室 ,辽宁 沈阳 110015)
摘 要: 对葶苈子的化学成分、药理和毒理作用等方面进行综述 ,为葶苈子的研究开发提供参考。
关键词: 葶苈子 ;化学成分 ;药理作用 ;毒理作用
中图分类号: R282. 71 文献标识码: A 文章编号: 0253 2670( 2002) 07 附 1 03
Progress in studies on chemical constituents and pharmacological effect
of Semen Lepidii and Semen Descurainiae
SUN Kai, L I Xian
( Depa rtm ent o f Natural Pha rmaceutical Chemistry , Shenyang Pharmaceutica l Univ er sity , Shenyang 110015, China )
Key words: Semen Lepidii and Semen Descurainiae; chemical constituents; pharmacological ef fect;
toxico logy
葶苈系十字花科植物 ,目前所用葶苈:独行菜 Lepidium
apetalum Willd. (又称北葶苈 ,主要分布于东北、河北、内蒙
古、山东、山西、四川等地 )和播娘蒿 Descurainia sophia ( L. )
Webb ex Prantl (又称华东葶苈 ,南葶苈 ,主要分布于东北、
中草药 Chinese Traditional and Herba l Drugs 2002年第 33卷第 7期 · 附 3·
收稿日期: 2001-09-18
作者简介:孙 凯 ( 1978-) ,男 ,吉林长春人 ,沈阳药科大学天然药物化学专业 2001年硕士研究生。 Tel: ( 024) 23843711-3588
E-mai l: thomassk@ sohu. com