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我国药用植物育种的最新进展△

2010-11-03张俊蒋桂华敬小莉陈琴朱敏凤

中国现代中药 2010年5期
关键词:多倍体药用植物研究

张俊,蒋桂华,敬小莉,陈琴,朱敏凤

(成都中医药大学药学院 中药材标准化重点实验室,四川 成都 610075)

综 述

四川省科技厅重大招标项目(2006E08-091)——川产道地药材川芎新品种选育及配套技术研究

专项基金(200707007)

*蒋桂华,E-mailbbg@cdutcm.edu.cn

我国药用植物育种的最新进展△

张俊,蒋桂华*,敬小莉,陈琴,朱敏凤

(成都中医药大学药学院 中药材标准化重点实验室,四川 成都610075)

对国内药用植物遗传育种的研究与取得的最新成果进行了综述,并对今后的研究前景进行了展望。

药用植物;遗传育种;生物技术育种;进展

中国是药用植物资源最丰富的国家之一,其种类达到一万余种[1]。然而,随着药用植物的大量使用,野生药用植物资源现已急剧减少甚至濒临灭绝,而家种栽培的药用植物资源也出现了品质混杂、退化、病虫害肆掠、产量下降等严重问题。为了保证和不断提高药用植物的质量和产量,药用植物的遗传研究和育种改良工作得到了广泛关注和重视。

目前,药用植物遗传育种研究主要集中在中国、日本和印度等国。在我国,药用植物的育种工作曾长期停留在以移植和应用农作物传统常规育种技术为主的初级阶段[2]。但近年来,随着生物技术的快速发展,通过结合常规育种技术,药用植物的育种工作取得了较大进展,加速了药用植物新品种选育和良种繁育的进程。本文着重从选择育种、杂交育种、诱变育种和生物技术育种几个方面介绍目前我国药用植物育种的研究进展。

1 选择育种

选择育种是通过人工选择的方法从自然变异个体中选择出优良个体,培育成新品种。其育种安全性高,被药用植物育种工作者广泛采用。徐昭玺等[3]通过近20年工作,从选择、纯化、淘汰和品系比较等过程,培育出了我国第一个边条人参新品种“边条1号”,其形态优美,抗逆性、产量和总皂苷含量均比对照有大幅度的提高。朱培林等[4]的研究表明江枳壳类型间各方面均有差异,可通过选择优树选育优良品系。何先元等[5]发现单株头状花序(即花头)的数量是构成白菊花产量的主要因素,优选出栽培性状优良和产量较高的“红心菊”和“小白菊”两个品种。其他如地黄、蛔蒿、栝楼、吴茱萸、金荞麦、山茱萸、木瓜、益母草、附子、薯蓣等品种的选育工作也取得了较好成绩。

2 杂交育种

杂交育种是通过人工杂交,将两个或两个以上亲本的优良性状综合到一个个体上,继而从分离的后代群体中经过人工选择、培育,创造新品种的育种方法,因而子代通常具有杂种优势。杂交育种现已广泛应用于有性繁殖类药用植物的育种当中。王秋颖等[6]通过天麻品种之间多年的正交及反交试验,培育出了3个高产品种,且其中两种遗传稳定性强,可以大面积推广栽培。此外薄荷、地黄、红花分别通过杂交,育成了性状优良的杂交品种。

远缘杂交指有生殖隔离的不同物种之间的杂交,对长期栽培导致种质退化有实用价值。王锦秀等[7]为培育大果粒枸杞新品种,采用枸杞与番茄进行属间远缘杂交育种试验,培养出2个可开花结果的株系。吴才祥等[8]采用天麻远缘杂交,培育出在产量和质量上均具有杂种优势的后代。此外,贝母属种间的远缘杂交工作在我国也已有所进展,如以利川贝母Fritillarialichuanensis为父本与以湖北贝母F.hupehensis为母本杂交而成的杂交贝母就具有结实率高,所结种子饱满,发芽率高,病虫害少等特点[9]。

3 诱变育种

诱变育种是人为地利用物理诱变因素和化学诱变剂,对植物的种子、器官、细胞以及DNA等进行诱变处理,能在较短时间内获得有利用价值的突变体,可根据育种目标选育新品种。

3.1物理诱变育种

3.1.1辐射诱变育种 辐射育种是利用χ、γ、β、中子流等高能电离辐射处理植物,从变异种直接选择,或利用突变体杂交,培育出新品种。唐宁[10]采用Co60射线辐射白术二倍体及多倍体E72株系,初步选育出一个长势良好且产量高的株系。同时,唐宁[11]又从长势较好的4个白术辐射诱变株系中筛选出了抗逆性更高的优良品种,研究表明初步优选出的白术辐射诱变株系的白术内酯Ⅰ、Ⅲ的含量均高于或接近于对照材料。颉红梅等[12]采用重离子束55MeV/u40Ar+15离子辐照甘肃当归90-01干种子,多年后成功地选育出了高产、优质的甘肃当归新品系DGA2000-02。

3.1.2离子注入诱变育种 离子注入诱变育种技术是利用加速的气体离子等离子体轰击植物种子、胚芽、花粉等生物材料,使之产生突变,从而选育出新品种,这使定向诱变成为可能。目前离子注入技术在药用植物中的应用才开始起步。甄卫军等[13]将离子束注入麻黄草种子后,对种子的生长产生了良好的生物学效应。潘燕等[14]以N+注入甘草幼苗后,研究表明甘草幼苗的抗旱性能得到提高。魏胜林等[15]对甘草干种子注入定量N+后,研究表明甘草叶片腺体分泌多糖和总多糖含量比对照都有所提高。

3.1.3激光诱变育种 激光育种是一种新型育种技术,多与生物技术相结合。李耀维等[16]用He-Ne激光辐照雷公藤愈伤组织诱导突变,筛选出的高产细胞系的次生物质产量较对照提高45.2%。郭斌等[17]用He-Ne激光辐照葡萄,也选育出白藜芦醇的高产细胞系,白藜芦醇平均产量比对照组提高40%。

3.1.4航天育种 航天育种又称太空育种,是指利用返回式航天器如卫星等将植物种子或器官送入太空,利用空间宇宙射线、微重力等特殊环境,诱导植物变异,再返回地面进行选育、筛选优良品种的育种新技术。单成刚[18]、王志芬[19]等分别分析了航天搭载对黄芩和桔梗SP1群体的影响,发现搭载从总体上对地上部分如茎、叶等性状起抑制作用。王志芬等[20]的研究又表明航天搭载可对丹参的生长有促进作用。李金贵等[21]研究表明航天组与对照组牛膝根的化学成分种类无明显差异,但航天组某些化学成分的含量明显下降。

3.2化学诱变育种

化学诱变育种是用某些特殊的化学药剂处理植物特定部位,使其遗传物质发生改变,从而使后代产生变异。根据育种目标,对其变异后代进行鉴定、培育和选择,直至育成新品种。在药用植物育种方面,通常将该技术与其他诱变技术相结合。熊大胜等[22]用EMS结合β射线诱变三叶木通种芽,产生了早实变异和早熟变异。张秀省等[23]等用EMS处理的长春花愈伤组织比对照生长更快,吲哚总碱含量更高。

4 生物技术育种

生物技术是21世纪发展最快、最有生命力的一门高技术前沿学科。生物技术的兴起为我国药用植物的研究及发展提供了机遇和手段。伴随着高等植物细胞工程、基因工程等生物技术的日趋成熟,药用植物的生产在数量和品质上都取得了显著的进步。

4.1组织培养

4.1.1优良无性系快速繁殖 药用植物通过组织培养快速繁殖,可以缩短新品种育成年限,提高育种效率。其快繁技术已经在许多药用植物上获得成功。孔青等[24]以女贞的种子、带腋芽的茎段为外植体,获得胚萌发、茎段生长、芽增殖和根萌发的最佳培养基。瞿大枞等[25]以半枝莲茎尖为外植体进行了离体快繁研究。唐伟斌等[26]以桔梗种发无菌苗幼嫩茎尖、茎段为外植体,建立了快速繁殖体系。

4.1.2种质资源保存 种质资源是培育优良品种的遗传物质基础。利用组织培养结合低温、超低温冷冻贮藏可用来保存种质资源,对于珍稀濒危药用植物的保护和利用具有重要的应用价值和意义。张寿文等[27]对浙贝母愈伤组织超低温保存进行了研究,发现培养30~35d的愈伤组织最适宜于低温保存,且确定了较好的冷冻保护剂、较佳的冷冻程序和解冻方法,并成功获得了再生植株。

4.1.3植物的脱病毒 病毒病是影响药用植物产量和质量的重要因素。由病毒病造成的大幅度减产,已成为药用植物生产上的重要障碍。利用植物茎尖分生组织的脱毒培养获得脱毒苗,再通过组织培养快繁就可以获得大量脱毒优良种苗,供生产上应用。刘建成等[28]通过对川西獐芽菜愈伤组织诱导的继代培养,得到了脱毒的优质种苗。温春秀等[29]开展了丹参脱病毒技术的研究,也取得了成果。

4.2高产细胞系的选育

通过植物发酵培养获得有用的药用植物次生代谢物(有效成分)是解决药用植物资源问题的有效手段。同时为了解决大多数有用的次生物质在植物细胞中含量极低的问题,在工业化生产中首先需要适时地对植物细胞进行选育和改良。通过筛选或诱发次生代谢产物高的体细胞突变系,可进一步培养成高产细胞株系。张寿文等[30]研究了彭泽贝母鳞茎愈伤组织培养过程中培养物生长、生物碱积累规律,用目视法从愈伤组织中初步筛选出了2个优良细胞系。胡显文等[31]利用物理诱变的方法处理原始雪莲细胞系,获得了一株稳定高产雪莲细胞系TUIP-8,其黄酮含量比天然植株高20~30倍。

4.3原生质体培养

原生质体具有细胞全能性,易于摄取外来的遗传物质、细胞器以及其他载体,并且裸露的原生质体彼此可以融合,从而产生体细胞杂种,为植物育种开创了一条新途径。梁清乐等[32]通过原生质体融合技术,得到了茯苓融合重组子。王德强[33]采用纤维索酶和果胶酶混合液对红豆杉种子的胚进行了处理,得到了红豆杉胚原生质体。詹忠根等[34]对铁皮石斛无菌试管苗叶片原生质体的游离及培养条件进行了研究。周延清等[35]找出了适合于决明无菌苗子叶原生质体分离和培养的酶组合、植物激素组合和有效培养方法。

4.4倍性育种

根据育种目标的要求,采用染色体数加倍或染色体数减半的方法选育植物新品种的途径称为倍性育种,包括单倍体育种和多倍体育种。

4.4.1单倍体育种 单倍体只含有其双亲的一套染色体组,所以单倍体植株几乎是完全不育的。但如果将由任何杂种形成的单倍体进行染色体加倍后成为纯种,则将体现单倍体作为育种环节的特殊重要性。我国已在药用植物的花药培养方面做了很多工作,先后用乌头、宁夏枸杞、人参、平贝母等药用植物的花粉或花药进行诱导,获得了再生植株[36]。

4.4.2多倍体育种 多倍体是植物细胞内含有3个或3个以上染色体组,用秋水仙素等诱变剂处理愈伤组织胚状体或丛生芽可获得多倍体植株。药用植物多倍体植株与普通植株相比,通常具有生物产量提高、某些药用活性成分提高、抗逆性增强等特点。因此,药用植物多倍体育种具有较高的应用价值和增产潜力。目前,我国染色体加倍也已在多种药用植物中获得成功,这些植物[37,38]包括黄花蒿、鬼针草、菊花脑、牛蒡、白术、莞荽、当归、川白芷、杭白芷、黄芩、丹参、南丹参、桔梗、芦荟、库拉索芦荟、药用百合、川贝母、黄花菜、红千层、生姜、芜菁、刺果甘草、黄芪、枸杞、金荞麦、苦荞麦、盾叶薯蓣、莲、党参、宁夏枸杞、向日葵、三叉蝶豆、杂交碧冬茄、茛菪、胜红蓟、具苞罂粟、茼蒿、鹰嘴豆、飞燕草、菘蓝等40多种。近年来相关研究也较多,王彩霞[39]的研究表明改良琼脂涂抹法是一种非常高效的杜仲多倍体诱变方法。肖艳等[40]进行了紫锥菊的多倍体诱导与鉴定。李鹏飞等[41]用秋水仙素处理牛膝获得四倍体。王帅等[42]用秋水仙素处理地黄种子获得多倍体。李叶芳等[43]用秋水仙素处理灯盏花种子获得四倍体。王跃华等[44]用秋水仙素对喜树顶芽和种子诱变处理,诱导后的对象具有明显的多倍体特征。李文文等[45]使用秋水仙素与0.1%琼脂和二甲基亚砜混合液处理肉苁蓉得到四倍体。张蜀敏等[46]用秋水仙素和2%二甲基亚砜共同处理新疆雪莲种子、胚根和茎段,获得了四倍体细胞比例达到90%以上的植株。

三倍体植株往往表现出无籽,这对一部分药用植物是十分有益的性状。刘治国[47]采用组织培养与化学诱变相结合及幼胚培养等育种手段,已初步选育出优良三倍体枸杞株系99-3,与目前生产中最优栽培品种宁杞1号(二倍体)相比,总糖、多糖、氨基酸的含量明显提高,且第一年产量略高于宁杞1号。

4.5基因工程和分子标记技术在药用植物育种中的应用

在植物育种中基因工程的应用主要是通过有重要经济意义的目的基因的分离、改造、利用,培育出具有改良的重要经济性状的工程植株,以及具有生物反应器功能的工程植株。周延清等[48]成功地将农杆菌Ri质粒上的T-DNA整合到怀地黄基因组中并表达,建立了有效的毛状根培养及其植株再生体系,结果表明1个转化毛状根克隆的梓醇含量是鲜地黄梓醇含量的48.5%,是生地鲜重梓醇含量的18%。赵寿经等[49]利用发根农杆菌A4菌株对人参根外植体直接诱导发根,筛选出人参总皂苷含量达15.2mg·g-1的高产发根系。贺红等[50]成功地建立了农杆菌介导的绿叶枳壳转化系统,进行枳壳抗病育种。

分子标记是一种分子水平上的遗传标记,已广泛应用于生物基因组研究,在药用植物的鉴定、亲缘关系、起源进化、遗传多样性、基因定位及克隆、代谢途径的基因工程研究等方面有广泛的应用空间。在药用植物中,主要是运用ISSR、RAPD、AFLP等分子标记技术辅助选择育种,进行遗传多样性的研究和种质资源鉴定。王岚等[51]利用ISSR标记对来自国内17个居群的285个川芎个体进行道地性分析,结果表明采自四川省内的10个川芎居群表现出更近的亲缘关系,各个川芎居群间具有高度遗传多样性。彭云滔等[52]应用ISSR标记对采自广西和广东的7个罗汉果野生居群共130个个体进行了遗传多样性分析。左云娟[53]、罗光明[54]等采用ISSR技术对不同产地的枳壳品种进行分析,为筛选枳壳优良品种提供了参考。杨红兵等[55]构建了湖北恩施产厚朴的ISSR指纹图谱,用于区分厚朴药材产地和品种。苏雪等[56]的研究表明RAPD能快速、准确地应用于紫花地丁的分子鉴定及其与近缘类群关系的研究。罗成等[57]建立了一个适于华中五味子研究用的AFLP反应体系,用于华中五味子AFLP分析。

5 药用植物育种展望

我国药用植物育种的主要目标是提高药用部位产量与改进药材品质。通过培育优良品种,即筛选出光能利用率高、自身呼吸代谢弱、矮秆抗倒伏、早熟适应性强的品种,促使药材获得高产。同时通过提高药用植物的抗病虫害能力及抗逆性,保证其品种的稳产。由于药用植物用于医疗保健的的特殊性,还应以其中的有效成分含量为育种指标以保证药材具有药到病除的疗效,即达到药材优质。药用植物育种能更好地造福于人类健康福利事业,因而具有重大意义。

由于我国药用植物基础研究还很薄弱,所以在很长一段时间内,我国的药用植物遗传育种工作主要还要依靠常规育种。系统选育和杂交育种培育出的新品种遗传性状相对稳定,安全性高,但培育周期过长,少则四五年,多则要十年以上,从而成为常规育种的瓶颈。与此同时,我们根据药用植物自身的特点和对活性成分的特殊要求,充分应用现代生物技术,对药用植物进行了良种繁育。从中国的研究现状来看,虽然组织培养、多倍体育种技术已经比较成熟,已较多地运用于药用植物的育种当中,但是存在变异不稳定、苗期成活率低等问题,相关配套技术推广起来也有一定困难,仅限制在小范围内良种选择、繁育阶段,离范围广、大规模的生产实践还有一段距离。而原生质体融合、基因工程、分子标记等技术在药用植物中的应用更多地处在实验室理论研究阶段,更需要不断地深入和完善。

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2010-01-14)

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