现代生物技术在药用植物产业的应用前景有哪些

现代生物及农业技术在药用植物研究和生产中的应用是什么？~

（朱蔚华）
1902年，最早作植物组织培养实验的G.Haberlandt预言，高等植物的离体细胞可以长成植物体。这一假说成为以后植物组织培养的理论依据。
1937年，White建立了组织培养的综合培养基，并和Gautheret等人首次成功地用烟草的茎形成层细胞和胡萝卜根的小块，在人工培养的条件下，使细胞增殖和诱导出愈伤组织。他们建立起来的植物组织培养的基本方法，成为以后各种植物进行组织培养的技术基础。
1948年，F.Skoog和崔澂发现，在培养烟草茎段和髓的培养基上，附加适当比例的腺嘌呤和生长素可以控制植物的组织长苗或长根，也就是说当腺嘌呤/生长素的比例高时产生芽，比例低时形成根。其后，C.D.Miller等（1956）发现，激动素代替腺嘌呤效果更好，建立了激动素/生长素比例的控制器官分化的激素模式。这种激素“控制论”的理论在植物组织培养研究中，至今仍起着指导作用。
50年代，组织培养技术发展迅速，由静止的固体培养发展到液体培养，其中又分悬浮培养、微室培养、看护培养、平板培养等。1958年Steward等人，用液体悬浮培养把胡萝卜的体细胞经胚状体的发育途径，培养成完整植株并且开花结实。这项重大突破，不但证实了Haberlandt的“细胞全能性”的设想，而且也为组织培养中研究器官形成和胚胎发生，开创了一个新的领域。
60年代初E.C.Cocking等人用真菌纤维素酶分离植物原生质体获得成功，为近年来新发展的原生质体融合技术、体细胞杂交等遗传工程的迅速发展创造了条件。
近二十年来，由于培养的植物细胞在一定条件下所表现的全能性规律，使组织培养技术在生产上的应用得到了重视与发展，已逐渐成为农业、林业、园艺、医药等方面的重要研究手段，并且带动了形态、细胞、生理、生化、遗传育种等一系列学科的进展。
由于分子生物学和生物工程的发展，促使植物组织培养技术日趋完善。60年代后植物组织培养开始在生产上应用，使植物生产走向工厂化的应用时期。花卉及草本植物，用无性繁殖系快速繁殖植株，工厂化生产的试管品种商品化；应用细胞大量培养技术生产药物的方法，已在日本、联邦德国等国家获得成功。总之，植物组织和细胞培养是一项具有很大潜力的新兴的生物技术，将以崭新的面貌投入世界新的产业革命的行列，而展示美好的前程。
目前植物组织和细胞培养技术在植物学等学科的实际应用，主要在两个方面：（1）植物育种与快速繁殖；（2）生理活性物质的生产。
一、植物组织培养的实验设备、灭菌方法和基本培养基
（一）植物组织培养的实验设备
1.实验室的设置
（1）无菌操作室室内有供接种用的净化工作台，放置接种用具和培养物的工作边台，天花板或墙上安装紫外光灯管供灭菌用。如有细菌过滤的通气装置更好。
（2）培养基配制室
用于配制各种培养基，室内须有较大面积的平面工作台以及放置各种化学药剂及器皿的柜架。存放配制好的培养基母液的冰箱，蒸馏水制备及贮存的设备。
（3）恒温培养室
培养室内需要有控制恒温的空气调节器，以及照明装置。恒温室的温度一般保持在25℃左右，温差最好不超过±1℃。
培养室内须有培养架，摇床，转床等培养装置及设备。
（4）细胞学实验室
放置各种显微镜和解剖镜，主要观察培养结果。有条件时可建立摄影设备，摄制实验结果。
（5）化学实验室
置备各种常规和先进的化学分析和测定的仪器设备，进行各种化学分析和测定工作。
2.仪器和用具
（1）玻璃器皿
应用碱性溶解度小的硬质玻璃制成的仪器和器皿，特别是进行长期培养时，如选用非优质玻璃制品，则易发生不良影响。
常用的玻璃器皿有：三角瓶、奶头瓶、T型管、角形培养瓶、圆形培养瓶、L形试管、平行有（无）角试管、圆形扁瓶、培养皿、玻璃环、载玻片、盖玻片、漏斗、分装器、注射器、圆底烧瓶、分液漏斗、玻板、玻璃柱、冷凝器、提取装置、染色缸、酒精灯。
（2）用具和器械
选用医疗器械和微生物实验室使用的器具，如刀、剪、各种镊子、解剖刀、接种针。
（3）仪器和设备
一般需要有天平、酸度计、离心机、显微镜、解剖镜、温箱、烘箱、冰箱、摇床、转床、自旋式培养架、分光光度计、薄层扫描仪、高压液相色谱仪等。
（二）植物组织培养的灭菌方法
1.器皿和培养基的灭菌
培养皿、工作服、口罩、帽子等可用高温消毒，一般用1.2个大气压，20—30分钟；培养基的消毒时间不宜过长，否则有些物质易分解破坏，1.2个大气压，15分钟就足够了。金属器械的消毒，一般于使用前浸泡在70%乙醇中，用时在火焰上点燃消毒冷却后使用。
2.植物材料的灭菌
植物材料的灭菌主要是外部灭菌，须根据材料的种类对杀菌剂的敏感性来选择消毒剂的种类与浓度和处理时间的长短。首先将实验材料在肥皂粉溶液中仔细刷洗并用流水冲洗干净，然后参照表13—1和表13—2所列的方法和顺序进行灭菌。

表13—1 常用灭菌剂效果的比较

表13—2 植物不同器官的灭菌顺序（三）植物组织培养的基本培养基
1.培养基的成分组成
植物组织培养基通常由以下几类物质组成（表13—3）：

表13—3 几种常用培养基的成分组成（单位：mg/l）
（1）无机营养物
无机营养物包括大量元素和微量元素。大量元素除碳（C）、氢（H）、氧（O）外，就是氮（N）。氮通常用硝态氮或铵态氮，但在培养中多用硝态氮，也有将硝态氮与铵态氮混合使用。磷常用磷酸盐，硫常用硫酸盐。钾是主要的阳离子，钙（Ca）、钠（Na）、镁（Mg）的需要量较少。大量元素的配合比率一般都是沿用培养整体植物的Knop溶液的配方修改而成。在一般情况下，营养培养基中至少要含有各为25mmol的硝酸盐和钾。铵的含量超过8mmol时常对培养物有毒害作用；但对常规的愈伤组织培养和细胞悬浮培养，硝酸盐加上铵的浓度可以提高到60mmol。钙、硫、镁的浓度在1—3mmol范围内较为合适。而所需的钠氯化物则由钙盐、磷酸盐或微量营养物提供。微量元素包括碘（I）、硼（B）、锰（Mn）、锌（Zn）、钼（Mo）、铜（Cu）、钴（Co）和铁（Fe），其中碘可能是不必需的。
（2）碳源和能源
大多数植物细胞对蔗糖的需要范围是2—4%，在有些植物组织培养中，蔗糖的浓度高达7%甚至15%。糖源在培养基中除作为碳源和能源外，可能还有其它作用。蔗糖也能用葡萄糖和果糖来代替，其它的糖类均不够理想。肌醇可能并不是必需的，但在一般培养基中均用了较大的浓度，这可能与它有促进愈伤组织的生长作用有关。
（3）维生素
在各种维生素中，盐酸硫胺素（B1）可能是必需的，而烟酸及盐酸吡哆辛（B6）对生长只有促进作用。
（4）生长调节物质
植物激素是培养基中不可缺少的组成成分，它对植物愈伤组织的诱导、培养生长、器官分化和次生产物的代谢，都有直接的影响。通常加入于培养基中的激素有两类：一是生长素，常用有2，4-D、萘乙酸（NAA）、吲哚乙酸（IAA）、吲哚丁酸（IBA）等；另一类是细胞分裂素，常用的有激动素（Kt）、玉米素（Zt）、6-苄基嘌呤（6-BA）。2，4-D的适宜浓度为10-7—10-5mol，IAA的为10-10—10-5mol，以1—10mg/l为最通用。NAA的适宜浓度范围比前二者均高。在通常情况下，只用2，4-D（10-5—10-7mol）就可以成功地诱导产生愈伤组织。如将2，4-D等生长素物质与一种细胞分裂素配合使用时，其效果会更好。诱导外植体分化植株时，用萘乙酸与一种细胞分裂素配合可能更好。在细胞分裂素中，激动素与6-苄基嘌呤均使用得较普遍，对愈伤组织的生长均有促进作用，其适宜浓度为10-7—10-6mol。
（5）氨基酸
培养基中应包括某些氨基酸，例如甘氨酸。另外像水解酪蛋白也是组织培养中常采用的，它是一种具有多种氨基酸的混合物，特别是在分化培养基中加入一定量的水解酪蛋白，可促进胚胎发生和多胚性出现。一些氨基酸是某些次生物质的前体物（如苯丙氨酸、鸟氨酸等是莨菪类生物碱生物合成的前体物），当它们加入培养基中，会明显地增加这类次生物质在组织培养物中的含量与产量。
（6）有机添加物
一些天然产物加入培养基中，它们对愈伤组织的诱导和维持，以及促进生长和次生物质的形成与积累都是有益的。其中最常用的有椰子乳、酵母提取物、番茄汁、大豆粉等。其使用的浓度范围：椰子乳为10%（体积/体积），酵母提取物为0.5%，番茄汁为5—10%，大豆粉0.1—0.5%。这些天然添加物，由于成分复杂且难保证重复一致，所以在培养基的配制中更倾向于选用完全已知的合成化合物。
2.培养基的制备
（1）水和药品
配制培养基最好使用玻璃容器蒸馏过的去矿质盐的蒸馏水。所用的化学药品应较纯。生长调节物质在用前最好进行重结晶。蛋白质水解物最好用酶水解的，这样可以使氨基酸更好地在自然状态中保存。
（2）母液（贮备液）
配制培养基方便的方法是先制备一系列母液。大量的矿质盐（大量元素）可配成浓于使用浓度的10倍。溶解矿质盐时，力求把Ca2+与SO2-4—和PO3-4错开，以免形成硫酸钙和磷酸钙的不溶物，最好是用一定量蒸馏水将矿质盐分别溶化后，然后按顺序加入，最后加水至一定体积。微量元素由于用量少，可配成使用浓度的100—1000倍浓缩液，与大量元素等贮存于冰箱中。维生素每种分开配制，可按0.2—1mg/l的浓度分别配在容量瓶中贮存。铁盐需单独配制（见前）。植物激素类物质，配制时的要求各有不同。NAA、2，4-D和IAA等生长素类物质，称好药品后先用少量95%乙醇溶化，然后再加蒸馏水稀释至一定浓度；细胞分裂素类物质，则宜先用少量0.5或1N的盐酸来溶解，然后加蒸馏水至所需量；叶酸则应用少量的稀氨水溶解，然后再加蒸馏水至所需量；生物素配制时可直接溶于水。
（3）高压灭菌和保存
配制培养基时，先将各种母液按所需容积分别取出并混合在一起，临时加入蔗糖、激素和其它附加成分，并与预先已加热溶化的琼脂（液体培养则不加琼脂）混合后，用氢氧化钠溶液或1N盐酸调节pH值至要求的一定值（5.5—5.8之间），然后再分别装入培养容器中。制备好的培养基在高压灭菌锅中，120℃，1.1kg/cm2的高压下灭菌15—20min。灭菌后的培养基可在室温下贮存（最适的温度为10℃），并应在两周内应用。
3.几种常用培养基的特点
在不同的培养基中，一般无机盐的变化较大，有时也因加入不同的氮源而形成各自的特点。MS是1962年Murashige，T.和Skoog，F.为培养烟草而设计的培养基，它对在固体培养条件下诱导愈伤组织，在液体培养条件下作细胞悬浮培养及用于胚、茎尖、茎段和花药等培养和形态发生研究方面，均获得了明显的成功。MS培养基中无机养分的数量和比例均较合适，足以满足很多植物细胞在营养上和生理上的需要。故在一般情况下，无需在培养基中加入酪朊水解物、酵母水解物或椰子乳等有机附加成分。与其它培养基相比，MS培养基中的硝酸盐、钾和铵的含量高，这是它显著的特点。与MS培养基相近的，还有LS（Linsmaier，E.M.和Skoog，F.1965）和RM（田中，1964）培养基，它们的基本成分均与MS培养基相同，唯前者去掉了甘氨酸，维生素B6和烟酸，后者把NH4NO3的用量提高到4950mg/l，把KH2PO4提高到510mg/l。与MS培养基相比White（1963）培养基则是一个具有较低浓度无机盐培养基，但它的使用也十分广泛，无论在胚胎培养或一般组织培养上也有很好的效果。B5培养基是Gamborg等（1968）设计的，它的主要特点是含较低的铵，而铵这一营养成分可能对某些生长物有抑制生长的作用。N6培养基是中国科学院植物研究所和黑龙江省农业科学院设计的，也是一个很适用的培养基，目前在国内已广泛用于花药培养及某些植物的组织培养上，其成分与B5相似，但却不含钼。Heller（1953）培养基是欧洲使用得较普遍的一种培养基，它的无机盐含量低，同时还缺乏钼盐，但含有镍铝等化合物。
从总的趋势来看，近代的培养基都倾向于采用高浓度的无机盐。在氮的运用上，不少是采用硝态氮和铵态氮的混合，或只是硝态氮。微量元素的作用研究得较少，大多数配方也基本上接近MS培养基的，而所包含的这些微量元素成分已满足组织培养中愈伤组织和细胞生长的需要。对于铁盐通常则采用FeSO4与Na2-EDTA（螯合剂）的混合物居多。
二、植物组织和细胞培养在药物生产中的应用
近些年来由于自然环境的人为破坏，滥采乱伐，劳力费用上涨及引种野生植物在技术上和（或）经济上的困难，导致植物资源急剧减少，而确保药用植物充分供应的困难日益增加。六十年代以来，人们开始应用植物组织培养技术研究植物药的生产问题。近年来随着现代生物技术的发展，植物细胞大量培养获得成功，为植物药物开辟了一条崭新的工业化生产的新途径。
细胞培养系统比一般整体植物栽培，具有多方面的优越性：（1）有用物质的生产是在可控制的条件下进行，而不必依赖气候和土壤条件，并节省土地；（2）细胞培养无微生物和虫害；（3）生长周期短，缩短植物引种驯化和扩大繁殖的漫长过程；（4）可以进行特定的生物转化反应，可以探索新的合成路线和获得新的有用物质；（5）可以通过筛选新的细胞系，改变培养条件，以提高生产率和减少生产费用。
（一）植物组织和细胞培养技术
1.愈伤组织的诱发和培养
愈伤组织是植物组织和细胞培养的基本材料，所以诱发愈伤组织和进行培养是植物组织和细胞培养的基础性工作之一。
诱发愈伤组织的工作程序大致如下：
（1）植物材料（包括植物种类与部位）的选择；（2）材料的制备与消毒；（3）培养基的选定与制备；（4）接种与培养；（5）继代培养。
目前已经成功地从许多植物诱发出愈伤组织，其中以双子叶植物最多，单子叶植物较少。此外，裸子植物、蕨类和藓类植物也有成功的例子。因此可以说，所有的多细胞植物都有诱发愈伤组织成功的潜在可能性。双子叶植物除有广泛的实用价值外，且它们能够迅速地长出愈伤组织。植物的各种组织，如维管束形成层，贮藏器官的薄壁组织，根的中柱鞘，胚乳、子叶、叶肉组织及维管束组织等，在合适的条件下，都能形成愈伤组织。
愈伤组织的诱发多在固体培养基上进行。固体培养一般在25—28℃进行，每隔4—6周进行一次继代培养。
愈伤组织的培养方式一般可分为固体培养和液体培养两种。固体培养是指向培养基中加入一定量的凝固剂（0.6—1.0%琼脂等），加热溶解后，分别装入培养容器中，冷却后即为固体培养基。而不加凝固剂者则为液体培养基。
固体培养为静置培养，其优点是简便，只需一般玻璃器皿即可，不像液体振荡培养那样需要摇床、转床等复杂的机械设备，且占地少，一间小培养室就可以放置很多培养器皿。但固体培养也存在如下缺点：愈伤组织只有一部分表面和培养基接触，造成愈伤组织生长不均衡；接触培养基的底层组织气体交换不良，同时也使生长过程排出的有害物质堆积；静止放置时，由于重力作用或光线照射不均匀，而使组织出现极化现象，而难得相当一致的群体。
液体培养又分静置和振荡两种。液体静置培养与固体培养一样也是方法简便，且培养液中不会出现营养物质浓度差异现象；但由于使用的局限性较大，故目前已很少采用。振荡培养是使植物组织在液体培养基中不断转动，从而可以消除静置培养中的缺点。振荡培养又可分为两类：（1）连续浸没的，通过搅动或振动培养液的方法使组织悬浮于培养基中，常用摇床进行培养；（2）定期浸没的，用T型管，乳头瓶作培养容器，在转床上进行培养。在转动过程中培养材料在液相和气相中重复出现。
2.细胞悬浮培养
植物细胞悬浮培养技术是由愈伤组织的液体培养技术基础上发展起来的一种新的培养技术。近二十多年来，从试管悬浮培养发展到大容积发酵罐培养，从不连续培养发展到半连续和连续培养，直到近年来最新型的浊度恒定法和化学恒定法等自动控制的较大规模的连续培养。细胞悬浮培养的特点是：（1）能大量提供均匀的植物细胞；（2）细胞增殖的速度比愈伤组织快；（3）适合于大规模培养。因此有可能把植物细胞如同微生物一样来培养，应用于发酵工业中来，生产一些植物特有的产物，从而开辟一条工业化生产植物产品的新途径。细胞悬浮培养是使游离的植物细胞在液体培养基中进行培养，但是因为植物细胞具有聚集在一起的特性，故直到目前为止，还不能使悬浮液中只有游离的单细胞，而往往是一些小的细胞团。
（1）悬浮培养的设备和装置
①摇床 广泛地用于植物细胞悬浮培养中。易于碎裂的愈伤组织块，经摇床的连续振荡可以得到分散的细胞悬浮液。也可用于悬浮细胞的继代培养。
②转床 每分钟一转。用T型管或奶头瓶作为培养容器。
③自旋式培养架 可用较大的瓶作为培养容器。
④连续培养设备 通常依靠通入无菌的压缩空气或既通入空气又不断搅拌的方法，使细胞一直处于悬浮状态。在这样的搅动装置中，由于盛放培养液的容器是静止的，故能容易地把贮存新鲜培养液的容器，空气补给装置等和培养容器连接起来。培养容器内可安装一些蛇形管，管内放入电热丝就可加热，通入冷水就可降温，因此这类装置不必安装于恒温室内。这类装置一般都有能够简便控制温度，搅拌速度，通气速度，照明强度，营养液流入速度等的装置，而且还常与氧电极，pH电极，细胞密度测定器等联接起来，成为一套初步自动控制的连续培养装置。几种植物细胞大量培养装置有用搅拌的发酵装置，用振荡器的发酵装置，利用导管及旋转叶轮的发酵装置，气泡搅动的发酵装置和气升式发酵装置等。
（2）悬浮细胞的培养基
常用的适合愈伤组织的培养基，不一定对细胞悬浮培养也最合适。通常诱发愈伤组织的培养基可以作为确定最适培养基的出发点。特别需要注意生长素类和细胞激动素类的用量对悬浮培养细胞聚集性的影响，必须选用使细胞易于单一游离的培养基。
在悬浮培养时pH常有相当大的变动，因此必须加入EDTA等螯合剂使铁和其他离子长期处于可利用状态。硝态氮和铵态氮之间比例的调整也可作为稳定pH的一种方法。加入一些固态缓冲物，如微溶的磷酸氢钙、不溶的磷酸钙、碳酸钙也是稳定pH的一种方法。
（3）悬浮细胞的继代培养
悬浮培养过程中，细胞数目增长的变化情况见图13—1。基本上是一条S形曲线。一开始是延迟期，细胞很少分裂；接着是对数生长期，细胞数目迅速增长，增长速率保持不变；以后进入逐渐减慢的静止期；最后达到增长完全停止期。细胞在培养中，一般在静止期之初进行继代培养，有的在静止期之前增殖减慢时即需传代，有的甚至在对数生长期末立即传代，以求加速细胞增殖。

图13—1 悬浮培养细胞在一个培养世代中细胞数的增长情况示意图
近年研究采用DNA合成抑制剂和植物激素处理法等，使培养中的细胞在一定条件下，进入细胞分裂周期的某一个时期（如G期），然后从下一个时期开始，使大部分细胞或全部细胞同步分裂，即所谓同步培养。这样不仅可以详细了解细胞周期的真实过程，还可以认识控制着从亲代细胞到子代细胞过程中生化变化序列的因素。由于同步培养可以频繁地取样进行生化学和细胞学的分析，取样量可以较大，并且不会影响到剩下来的群体继续生长，这样对研究细胞周期、细胞分化、次生物质代谢等重要过程提供了必要的技术手段，是植物细胞培养技术发展中的又一重要进展。
综上所述，目前植物组织和细胞培养技术已从静止的固体培养发展到液体培养，其特点是可以使培养中的组织和细胞的养分和供氧情况得到改善。在规模和方法上正沿着从小量到大量，在应用上从试管到大罐和同步培养，在操作上从手工到自动化方向发展。这些进步和发展对植物组织和细胞培养的研究和生产应用产生重大的影响。
（二）植物组织和细胞培养产生的药物成分
自1950年Bonner等对用银胶菊愈伤组织产生天然橡胶进行研究以来，许多科学工作者围绕着愈伤组织能产生哪些有用物质，如何提高有效成分得率等问题，进行了大量的工作，并取得了一些成果。越来越多的人认为利用植物组织和培养细胞有可能生产用于治疗各种疾病的生物碱、萜烯类、醌类、固醇类、酶等，以及从培养物中提取肽类和蛋白质物质。Nickell（1980）概括介绍了植物组织培养能产生50余类化合物及其中28类潜在的产品。郑光植（1980）综述列表举出药用成分，来源植物与药物含量共60多条。日本协和发酵公司的见泽（Misawa，M.，1980）介绍了由工业实验室或政府进行的，通过植物组织培养产生生物碱，固醇类、萜类、醌类和其他生理活性物质包括酶等的研究成果。据世界卫生组织公布，从高等植物提取的最普通而又必不可少的药物有17种。其中11种药物的来源植物已有组织培养（表13—4）。

表13—4 来源于高等植物的普通而又不可少的药物
1.生物碱
利用植物组织和细胞培养生产生物碱是格外地困难，然而产生生物碱的药用植物的组织培养是研究得最多的一个方面（表13—5）。但其含量通常比原植物低。

表13—5 植物愈伤组织中的生物碱

表13—5 植物愈伤组织中的生物碱（续）-1
（1）莨菪烷生物碱
Mothes、West、Chan、Metz、木岛正夫、Bhandary、Thomas、Stohs、Sairam、Tabata、Hiraoka、Cliokshi等先后对曼陀罗、颠茄、天仙子、莨菪等的根、愈伤组织、悬浮细胞进行了大量的研究，但药用目的物没有或含量很低。West（1957）首先肯定了颠茄根的愈伤组织中存在莨菪烷生物碱。检查到根愈伤组织中阿托品含量为0.47—0.53%。但茎叶的愈伤组织中未检查到。Chan等（1956）将曼陀罗、柏叶曼陀罗、无毒曼陀罗的各类器官诱导出的愈伤组织，进行静置培养与振荡培养，测定愈伤组织中生物碱含量。其中以曼陀罗和无刺曼陀罗种子愈伤组织中含量最高，达0.016—0.056%，根为0.012—0.015%，茎为0.004—0.014%，叶为0.007—0.010%。此结果表示因诱发愈伤组织的器官不同，生成生物碱的量亦有差异。West等还指出同一起源的曼陀罗的愈伤组织株之间，在合成生物碱的能力上也有差异。郑光植等（1976）在三分三愈伤组织培养中，最初测定莨菪碱含量为0.025%、东莨菪碱的含量为0.009%，均低于原植物（分别为0.127%和0.016%）。但因改良培养条件、增加营养、改变生长调节剂、补充前体物等各方面的研究，使两种生物碱的含量总共达0.554%（原植物为0.139%），其中东莨菪碱最高含量达0.495%（茎为0.016%），比最初愈伤组织的含量高4—4.5倍。程克棣等（1987）研究结果表明山莨菪等细胞不仅能产生托品类生物碱，还能将莨菪碱转化为山莨菪碱和东莨菪碱。
（2）吡啶生物碱
在产生吡啶生物碱的组织培养研究中，烟草研究得最早最多。早在1948年Dawson就对烟草中生物碱的生物合成进行了研究，他的1960年的报道粘毛烟草的组织培养中，烟碱的含量在最初阶段急剧减少，当成典型的愈伤组织时，就没有烟碱了。但Speake等（1964）证明，烟草（Virginia品种）根、茎、叶的

1、越来越多的现代生物技术公司开发家畜医疗产品。美国的动物保健品市场每年约40亿美元。美国农业部批准的动物生物制品约100种，主要是预防动物传染病和常见疾病的疫苗和治疗药物。
2、现代生物技术还应应用于保护珍稀野生动物，通过DNA鉴定鉴定动物物种，跟踪其活动区域等。海洋生物技术的应用导致了过度捕捞对海洋生物生存的威胁。同时，为人类从丰富的海洋生物资源中发现新药提供了途径。例如，海螺中的毒素是一种有效的镇痛剂，海绵可以用作抗感染剂。
3、现代生物技术在航天发展中的应用，可以为宇航员提供长期太空探索所必需的生命支持环境。
4、现代生物技术还被用于人类考古学和刑事调查，DNA分析可用于研究人类种群的进化史。DNA技术在刑事侦查中的应用可以帮助执法人员识别犯罪分子。


扩展资料：
现代生物技术是一个复杂的技术群体。基因工程只是现代生物技术的代表之一，其特点是在分子水平上创造或改变生物类型和生物功能。
此外，在染色体、细胞、组织、器官甚至个体有机体的层面上，创造或改变生物类型和功能的工程，如染色体工程、细胞工程、组织培养和器官培养、定量遗传工程等，都可以因此，这属于现代生物技术的范畴。
为这些项目服务的一些新技术系统，如现代发酵工程、酶工程、生物反应器工程，也被纳入现代生物技术系统。
参考资料来源：百度百科-现代生物技术
参考资料来源：百度百科-生物技术

药用植物以其独特的疗效、较小的毒副作用等特点，引起世界各国的普遍关注，其需求量日渐增多。中药有效成分是其具有确切临床疗效的物质基础。药效物质的有无（真伪）、多寡（优劣）是其品质的核心部分。但是由于植物药成分复杂、药效物质不明确、来源不一，且不同制剂工艺各异，造成质量难以控制，加之植物药材的造假问题也很突出，这些都阻碍了药用植物产业的发展。同时由于自然环境的破坏以及人们长期的过度采挖和滥用，使很多的原料性药用植物资源已面临枯竭的威胁，野生资源远远不能满足人们的需要。

因此，应对保障与提升重要药用植物品质的国家需求，以及中药野生资源短缺、品质严重退化的严峻形势，就需要更好地开发利用药用植物资源，改良和提升其品质，加大工业化生产力度，提高药效物质产量以满足市场需求，同时加大对野生资源的保护力度，使其更好地、可持续地为人类所用。

药用植物开发利用过程中存在种类和数量不清、种质资源保存困难、野生资源遭受严重破坏、人工栽培品种品质退化等诸多问题，严重制约了产业发展。如何有效对药用植物资源进行分类鉴定，保护濒危和紧缺资源修复和再生，防止退化和灭绝，以实现保障药材可持续供应，提升药材质量，是现代药用植物开发领域最亟需解决的课题，也是中医药产业实现现代化、国际化的关键措施。

药用植物传统分类和鉴别方法主要依据药材颜色、形状、气味、味道和质地等感观特征，其不足之处在于对这些特征的把握因人而异，具有很强的主观性，且强调经验积累，准确性不强，得不到国际同行的广泛认可。因此如何从分子水平揭示种质间差异成为研究者十分关心的问题。现代生物技术为药用植物种质鉴定开辟了一条新道路。

DNA分子标记（DNA molecular markers）是以脱氧核糖核酸分子差异为基础的一种标记，一般具有快速、微量、特异性强、稳定性好、结果直观可靠且不受生育阶段、供试部位、环境条件、贮藏等因素的影响等诸多优点[1]。

DNA分子标记在药用植物研究中的应用最先开始于日本。应用最早且最多的是药材的真伪鉴定及品种分类。较早的DNA分子标记技术有限制性内切酶片段长度多态性标记（restriction fragment length polymorphism，RFLP）和随机扩增多态性DNA标记（random amplified polymorphic DNA，RAPD）。随着生物技术的发展，更加高效、快捷的DNA分子标记如扩增片段长度多态性标记（amplified restriction fragment polymorphism，AFLP）、简单序列重复标记（simple sequence repeat，SSR）、序列特征化扩增区域（sequence charactered amplified region，SCAR）、简单重复序列间长度多态性（inter-simple sequence repeat，ISSR）、相关序列扩增多态性（sequence-related amplified polymorphism，SRAP）、单链构象多态性（single strand conformation polymorphism，SSCP）等相继出现，并且被应用于药用植物种质资源研究中的各个方面。

台湾中兴大学应用RFLP技术精确鉴定出了苦参与其伪品[2]，纪宝玉等[3]对野葛的研究表明，RAPD可作为种质资源筛选鉴定的关键技术；郝岗平等[4]将AFLP技术成功应用于丹参的道地性鉴别；潘清平等[5]采用ISSR技术为玉竹商品药材的鉴定提供了分子依据等。由此可见，DNA分子标记技术是一种有效鉴定药用植物的方法。

表 1对几种常用DNA分子标记技术进行了比较，每种方法各有优点及局限性，实际应用过程中可根据实验目的、材料和实验条件综合考虑进行选择。

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DNA条形码（DNA barcoding）是以一段或几段标准DNA序列作为标记来实现物种鉴定，类似于超市利用条形码扫描区分不同的商品，具有快速简便、准确可靠和自动化等优点。

Chen等[6]对药用植物及近缘种的4 800个物种6 600个样本进行研究，证明ITS2在药用植物鉴定中能发挥关键作用；刘美子等[7]发现ITS2序列对9种采自不同地域的常见蒿属物种水平鉴定成功率最高，可以作为鉴定蒿属植物的潜在条形码；崔志伟等[8]利用ITS2和psbA-tmH有效区分不同品种金银花，说明ITS2和psbA-tmH可以作为鉴定金银花不同品种的优势条形码组合；李栎等[9]对茜草科黎药植物的鉴定研究表明，ITS2序列可以对海南茜草科黎药植物进行快速鉴定。

近些年来，新发展起来的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）标记技术可对不同等位基因之间仅有的个别碱基差异或只有小的插入、缺失等核苷酸差异进行检测，用以区分2个个体遗传物质的差异[10]。Chen等[11]采用SNP标记技术结合ITS2、matK和psbA-trnH标准条形码序列，成功鉴定出了高丽参和西洋参。证明基于DNA条形码的SNP标记技术可以作为识别人参属的有效手段。SNP可直接以序列变异作为标记，其检测分析方法用高精尖的DNA芯片技术代替了传统的凝胶电泳，被认为是应用前景最好的遗传标记。

DNA条形码技术可以实现物种的快速有效鉴定，已成为现今药用植物种质资源分类与鉴定的主流方法。

传统药用植物种质资源保存一般采用种子库的方法，存在占用空间大、保存物种数量有限、管理麻烦、容易染菌发霉及保存时间短等不足。利用生物技术方法进行离体保存，可以很好解决上述问题。保存材料经复苏后，可短时间快速繁殖大量种苗，不受自然环境影响，省时省力，同时降低劣变发生频率，达到随时使用和长期保存优质种质资源的目的[12]。

依靠植物细胞全能性，将外植体接种在MS半固体培养基上或液体培养基的滤纸上，然后放在常温或低温条件下进行培养，并适时进行继代培养[13]，组织培养保存法分常温继代保存法和缓慢生长保存法。组织培养保存法能有效扩大繁殖药用植物，缓解野生资源不能满足市场需求的境况，同时也是保护濒危珍稀药用植物的有效手段。

（1）常温继代保存法：在常温条件下，每隔一段时间，将外植体进行新一轮的继代培养，以达到保存种质的目的，需要时还可以随时进行扩繁[14]。对铁皮石斛种质资源采用该方法保存取得了一定效果，并成功建立铁皮石斛快速繁殖体系[13]。该方法间隔时间短，需要不断继代培养。

（2）缓慢生长保存法：通过调节培养条件，在保证不使外植体死亡的情况下抑制其生长，尽量减少营养物的消耗，从而尽可能延长继代培养时间。主要措施有降低温度、调整渗透压、控制养分水平、使用生长抑制剂或延缓剂、控制培养基营养物质配比以及调节光照等[13]。对山银花进行离体培养研究，探索出了最适于山银花种质离体保存的条件[15]。

该法不需要继代即可长期保存植物种质，因此引起遗传变异相对小。目前最成熟的超低温保存法是玻璃化法。利用高浓度复合保护剂处理植物培养物一定时间后用液氮速冻，使植物细胞内外溶液固化成无定形的玻璃化状态，避免了冰晶在形成和融化过程中对细胞产生的机械破坏作用。此状态下植物细胞内新陈代谢、生长活动几乎完全停止，同时又保持了生物材料的形态发生潜能[16]，是一种保存种质的有效方法。

对西洋参悬浮细胞的超低温保存的探索性研究证明了该方法的可行性[17]；包埋玻璃化法超低温保存技术可以实现山药种质离体保存[18]；采用玻璃化法保存濒危植物矢车菊，成功实现了其茎尖的冻存程序[19]。

在滴冻法和玻璃化法基础上发展起来的小滴玻璃化法具有高存活率、高再生率、广适性、处理量大、操作简易等优点[20]。小滴玻璃化法在药用植物种质保存应用方面的报道还较少，但在其他植物上的应用可以作为借鉴。

人工种子是用能提供养分的胶囊包裹组织培养产生的胚状体，再在胶囊外包上一层保护膜，形成一种类似于天然种子的结构。人工种子有不受季节限制、更好的营养供应和抗病能力、能保持优良品种的遗传特性、方便贮藏运输等优点。在濒危药用植物种质资源保存上大有用武之地。

长期以来，许多名贵珍稀的药用植物由于其独特的治病、保健、美容功效而供不应求，原药材价格持续走高，极大刺激了人们对野生珍稀药用植物资源的掠夺性采挖和收购，造成资源的毁灭性破坏。另外，全球气候变暖等自然环境的变化也使得很多地区不再适合原有药用植物的生长。多方面原因综合导致多种珍稀药用植物资源濒临灭绝。

人工种子技术对于濒危植物种质资源保存具有重大意义。但该技术依赖于植物组织培养，对于难以进行组培的植物则不适用。

运用器官培养、植物干细胞培养等[30]生物技术方法也能很好地实现药用植物资源的可持续利用。此外，DNA分子标记技术在种质资源的鉴定、保护对象和原地保护单元的确定、迁地保护的取样策略和效果评价、濒危原因的科学阐明等方面的应用，也可以为珍稀濒危药用植物资源保护策略制定及措施实施提供参考。

生物技术的运用既能使药用植物资源得到更好地开发利用，又可以最大限度地保护它们。生物技术将为中药这一中华文化瑰宝走向世界起到巨大的推动作用。

药用植物种植培养过程中存在病毒感染导致品质退化和质量评价体系缺乏科学性等问题。因此，培育脱毒的高品质药用植物植株，建立科学的质量评价体系，创制品质优于自然品种的药用植物新品种等，是目前药用植物研究开发领域的热门方向。

植物病毒因其干扰宿主体内新陈代谢，降低产量和品质，甚至导致死亡而有“植物癌症”之称。特别是无性繁殖作物，连年种植易积累多种病毒，从而造成品质退化[31]。植物病毒已成为降低农作物产量和质量的主要因素之一。

目前，人类发现的植物病毒已多达近千种。药用植物感染的病毒种类主要有黄瓜花叶病毒（Cucumber mosaic virus）、芋花叶病毒（Dasheen mosaic virus）、大豆花叶病毒（Soybean mosaic virus）和烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus）等[32]。全球每年因植物病毒造成的经济损失约600亿美元。因此，加大对药用植物脱病毒技术的研究力度，采取科学有效的防治措施，是当前及今后提升和改良药用植物品质的重点和难点[33]。表 2总结了近年来几种脱毒技术的应用进展。

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除表 2中所列的常见脱毒法外，还有花药或花粉培养、珠心胚培养技术等，也可一定程度上起到脱病毒效果。

植物新品种指经过人工培育的、对发现的野生植物加以引种驯化开发的或者通过生物技术改造的植物品种，具有新颖性、特异性、一致性和稳定性以及名称确定性的植物品种[45]。

传统药用植物新品种创制一般采用杂交育种等方法，如桔梗[46]、丹参[47]等药材已开展杂交育种或杂种优势利用研究，并创制了新品种。但该方法存在不能产生新基因，且杂交后代会出现性状分离，育种过程缓慢，过程复杂等不足。现代生物技术方法则开辟了新品种创制的新途径。

诱变育种指利用各种物理、化学及生物等因素诱导植物发生基因突变，促进基因重组，扩大遗传变异，然后根据育种目标选择新品种的育种技术[48]。

离子束注入诱变技术是利用注入射程具有可控性、集束性和方向性的荷能离子束，在较轻程度损伤细胞的情况下，获得比较高的突变率和比较宽的突变谱，从而选育出新品种的技术。用不同剂量的12C6+离子束均匀辐照紫苏种子后，产生了一些染色体畸变，为筛选优良变异品种提供了更多可能[49]。说明低剂量的12C6+重离子束在辐照诱变新的突变类型、培育新的优良品种方面具有较大潜力。

太空育种是利用太空特殊环境使生物基因产生变异，选育新品种、新材料的育种新技术。其最大优势在于有可能在较短时间内获得常规育种和常规诱变育种方法难以获得的罕见基因资源，使植物获得新基因、新类型、新性状[50]。据报道，“天丹一号”太空丹参由天士力集团培育成功。2008年，该集团将丹参种子搭载“神七”进入太空，返地后经株系培养繁育，选育出了“天丹一号”太空丹参，其有效成分量显著高于对照。

诱变育种虽能够提高突变率，短时间内获得更多变异类型，但诱发突变的方向难以控制，突变多为有害突变，要获得更多优良性状，就必须增大突变量。因此，筛选的工作量是相当大的。

倍性育种包括单倍体育种和多倍体育种。单倍体育种是单倍体培养技术与育种实践相结合形成的一种新的育种方法，具有克服远缘杂种不育、提高育种效率及选择效率、迅速获得纯系等优点[48]。以发育时期的菘蓝花药为外植体，进行培养及单倍体诱导，获得了单倍体小绿苗。经染色体加倍后，一个世代即可出现纯合二倍体，其性状不分离，表型整齐一致，可显著缩短育种年限[51]。

多倍体是指染色体数目在3n或3n以上的个体、居群和种。多倍体植物有更强的适应性和可塑性。药用植物多倍体具有强抗逆性、高生物产量、低可孕性以及增加某些药用成分量等特点。最常用的多倍体诱导剂是秋水仙素。秋水仙素诱导法分活体和离体处理加倍法2种[52]。活体加倍法包括滴液法、浸泡法、琼脂法、喷雾法、注射法等。离体加倍法即组织培养诱变法，是用秋水仙素对植株某一离体部分进行处理，再进行组培，或在组培过程中进行染色体加倍处理的方法。将秋水仙素和琼脂混合，制成半固体，然后将其涂抹在植物顶芽或腋芽上诱导多倍体，该方法已在桔梗[53]、金银花[54]等药用植物上获得成功。用适当浓度的秋水仙素溶液浸泡怀地黄带芽茎段，也诱导出了四倍体植株，但是诱导率不高[55]。将石斛的类原球茎接种在0.075%秋水仙素的培养基上，获得了较高的诱导率[56]。通过离体培养的方法，在诱导紫锥菊染色体加倍上也取得了成功[57]。此外，也可用温度骤变、机械创伤、电离射线、非电离射线、离心力等物理因素和有性杂交培育、胚乳培养法、体细胞杂交法、体细胞无性系变异等生物学方法诱导染色体加倍。

虽然人工诱导多倍体的频率高、见效快、方法较简单，在生产和育种实践中可产生巨大经济效益。但同时也存在毒害、嵌合体现象比较严重、孕性降低、稳定耗时较长、育种成本高等问题[58]。因此，还需在药用植物多倍体育种上开展更多、更广泛的研究。

转基因育种也称为基因工程育种，可按照人们的意愿将外源基因重组到受体细胞基因组中使之特异性表达，经筛选获得稳定表达的遗传工程新品种。其主要优势是能克服植物远缘杂交不亲和障碍，扩大物种杂交范围，并加快变异速度等，提供了定向创造生物的可能性[59]。在创制新品种，开发优质、高产、高效兼各种抗性作物上可大显身手。目前，植物转基因主要方法有农杆菌介导法、聚乙二醇介导法、基因枪法、花粉管通道法、电激穿孔法、显微注射法及超声波导入法等。

农杆菌介导法是应用最多，技术较为成熟且结果比较理想的基因转化方法。先往根癌农杆菌中转入连接有目的基因的植物表达载体，然后用该农杆菌侵染植物，将载体上的目的基因导入并整合到植物基因组中，从而完成目的基因的转化，获得转基因植株。可用于转化较大的DNA片段，能稳定遗传，重复性好，且不易产生基因沉默，但存在只对双子叶植物敏感的缺陷。该方法已成功在丹参[60]、诸葛菜和菘蓝[61]、黄芪[62]、蒿属植物[63]等材料上取得成功。

基因枪法是继农杆菌介导转化法之后又一个广泛应用的遗传转化技术。利用火药爆炸或其他驱动力，将载有外源DNA的金属颗粒射击进入真空室中的靶细胞或组织中，从而导入外源基因。该法无宿主限制、操作简单、转化时间短，但转化率相对低，外源DNA整合机制不清楚。近年在大蒜[64]、白三叶[65]等药用植物上取得了新的成果。

花粉管通道法是在植物授粉后，利用植物开花过程中萌发的花粉管通道，将外源DNA导入受精卵，进而使目的基因整合到受体植物基因组中，使其自然发育成种子并形成转基因植株，该方法简便、育种时间短。铁皮石斛[66]、蓖麻[67]等用该法转化获得了转基因新品种。表 3对几种主要的植物基因转化法特点进行了比较。

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转基因在药用植物上的应用虽然已取得相当不错的成果，但其安全问题一直是争论的热点。因此，对转基因药用植物还是应持有谨慎的态度，必须进行更加系统深入的研究。

次生代谢工程就是用DNA重组技术修饰生成次生代谢物的生化反应途径或引进新的生化反应，从而直接提高或抑制某个或某些特定次生代谢物的合成，改善细胞性能。随着药用植物次生代谢物生物合成途径的日渐探明，应用代谢工程技术对植物次生代谢途径进行遗传改良，以大幅度提高目标产物的量已成为研究的热点。

自1991年美国学者Bailey提出次生代谢工程概念以来，次生代谢工程技术的应用已有大量报道。早期最为经典的研究要属用该技术实现了水稻胚乳中维生素A原（β-胡萝卜素）的从无到有[68]。近年来，该技术在药用植物上应用的报道更是层出不穷。药用植物中各类药效物质的量往往很低，无法满足人们的需求。通过次生代谢工程的手段可稳定地提高它们在植物体内的量。本文简要介绍药用植物中几类重要药效物质通过次生代谢工程方法提高量的应用进展。

苯丙素类化合物是植物在长期自然选择过程中产生的一类重要的天然有机化合物，一般具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤、抗自由基、抗炎镇痛、保肝、保护心血管系统等多种生物活性，因此是非常重要的一类天然药效物质。

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兴庆区15950341095： 现代农业生物技术在药用植物生产上的应用主要有哪几方面? ？
泊徐丽科： 应用方向可多了,例如农业生物技术(如生物农业,转基因植物),海洋生物技术(微藻的养殖、海洋活性物质的提取),能源生物技术(微生物采油),食品生物技术(一些食品添加剂的生产,活性乳酸菌饮料),医学生物技术(药物和疫苗的生产)环境生物技术(活性污泥法处理污水)……生物技术的应用真的非常广泛,这是几个大的方向,详细的你可以在网上查到很多

兴庆区15950341095： 谈谈生物组织,植物组织培养在药用植物中得应用? - ？
泊徐丽科： 举一个例,抗癌药紫杉醇,要在濒危物种红豆杉树皮提取,每一吨树皮仅仅出100G紫杉醇,而日本鬼子用组培,一升细胞悬浮液就可以得到几百毫克紫杉醇

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兴庆区15950341095： ＂中草药生物技术＂的概念 - ？
泊徐丽科： 一、定义: 中草药生物技术,简单来说就是一门中草药的应用生物的科学,即利用生物学原理,在中草药之上生产实用产品的一项技术,是现代生物技术在中医药领域的应用.二、研究内容 中草药生物技术,主要体现在4个方面:一是利用基因工程、细胞工程技术对中草药资源的改造与改良;二是利用发酵工程、酶工程技术将农副(药用植物)原材料加工成商品,如用发酵法生产的虫草菌丝体、灵芝菌丝体等发酵制品;三是利用生物技术产品进行二次开发,形成新的产品,如许多功能性的低聚糖、保健食品添加剂等;四是利用酶工艺、发酵技术、生物反应器等对传统中草药加工工艺进行改造,降低能耗,提高产率,改善中草药品质等.

兴庆区15950341095： 生物技术在园林植物上的应用前景 - ？
泊徐丽科： 生物技术在农业方面的应用现代生物技术越来越多地运用于农业中,使农业经济达到高产、高质、高效的目的.农作物和花卉生产生物技术应用于农作物和花卉生产的目标,主要是提高产量、改良品质和获得抗逆植物.首先,生物技术既能提高作物产量,还能快速繁殖.其次,生物技术既能改良作物品质,还能延缓植物的成熟,从而延长了植物食品的保藏期. 农业新领域基因工程不仅提高了农牧产品的产量和质量.利用转基因植物生产疫苗是目前的一个研究热点.科研人员希望能用食用植物表达疫苗,人们通过食用这些转基因植物就能达到接种疫苗的目的.目前已经在转基因烟草中表达出了乙型肝炎疫苗.

兴庆区15950341095： 现代生物技术现实生活中有哪些具体应用 - ？
泊徐丽科： 现代生物技术现实生活中运用有很多:① 农业上:优良品种的改造,提高植物的抗性,抗虫,抗寒,抗病毒等.② 生物农药的研制运用 .③食品加工技术中的应用,酶制剂,发酵技术等,具体的可以看一下这篇文章. http://wenku.baidu.com/link?url=4nFcihpmaYsDa1QPxMnqynaAhGRGd6vkvGfVjpfF2N9vAix7AFfuXilGbcQhCVlPdRcrxCS97hOF7YneJ-pClFcueFvi_9O3OoDMajTZvLe

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