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药用植物基因工程的研究进展

2023-02-12 来源:尚车旅游网
2015年2月l第4O卷第4期 恩 .药NESEM杂ATERla志MEOIC Vo1.40,No.4 l February,2015 药用植物基因工程的研究进展 滕中秋,申业 (中国中医科学院中药资源中心道地药材国家重点实验室培育基地,北京100700) [摘要】 虽然伴随着一定的质疑,但基因工程技术在现代农业中的应用显示了其在应对粮食短缺等全球性问题上的出色作 用和巨大潜力。药用植物同样面临着资源匮乏、生长环境恶化、种质衰退等一系列问题,使药用植物传统种植和采集模型受 到极大的挑战。基因工程技术由于可以赋予传统植物新的特性从而给药用植物的发展带来了希望和曙光。基因工程技术可 以用来提高药用植物的抗病、抗虫、抗除草剂的能力,提高药用植物的产量,增加药用植物中活性物质的含量,改善药材的品 质等方面,有利于药用植物的大面积种植和保护。在发展药用植物基因工程过程中,转基因药用植物的安全性也应受到重 视,在充分认识到药用植物特殊性的基础上建立一套科学的,适用于转基因药用植物的安全性评价体系和判断标准,促进转 基因技术在药用植物领域健康、可持续发展。在保证安全性的前提下,使基因工程技术的优势在药用植物研究和应用中得到 充分的利用。 [关键词] 药用植物;中药;基因工程;安全性;研究进展 Research progress of genetic engineering on medicinal plants TENG Zhong—qiu,SHEN Ye (State Key Laboratory of Dao—di Herbs,National Resource Center for Chinese Materia Medica, Chia nAcademy ofChiesne Medical Sciences,Beijng 100700,Chia)n [Abstract]The印plication of genetic engineeirng technology in modem agriculture shows its outstanding role in dealing with food shortage.Traditional medicinal plant cultivation and collection have also faced with challenges,such as lack of resources,deterioration of environment,germplasm of recession and a series of problems.Genetic engineering can be used to improve the disease resistnce,a insect resistance,herbicides resistnt abiality of medicinal plant,also can improve the medicinal plant yield and increase the content of active substances in medicinal plants.Thus,the potent biotechnology can play an important role in protection and large area planting of medicinal plants.In he tdevelopment of medicinal plnta genetic engineering,the safety of transgenie medicinal plants should also be paid attention to.A set of scientific safety evaluation and judgment standard which is suitable for trnsagenic medicinal plants should be established based on the recognition of the particularity of medicinal plants. [Key words] medicinal plntas;Chinese traditional medicine;genetic engineering;safety;research progress doi:10.4268/cjcmm20150405 药用植物是在医学中具有防病与治病功效、或者作为药 物来源的植物。药用植物的植株或者部分植株可以直接入 物药物的记载…。在东亚,尤其是中国,药用植物的应用已 有几千年历史,药用植物是中药体系中最重要的药物来源。 中医中药所起的保健和治疗作用在这些区域文化的传承中 药或者作为药物工业的原料。一直以来,药用植物都是人类 赖以防病治病的天然宝库。特别是在传统民族医药系统中, 药用植物资源都是药物的基本来源,早在公元前1600年埃 及的《纸本草》、其后古印度的《寿命吠陀经》,都已经有了植 [收稿日期]2014—10-20 [基金项目] 国家杰出青年科学基金项目(81325023) [通信作者] ・起着不可替代的作用。中国现存最早的药物学专著《神农本 草经》相传起源于神农氏,代代口耳相传,于东汉时集结整理 成书,书中药味365种,当中植物药252种 。中国明代医 中业,Tel:(010)64014411-2955,E-mail:shenye70@hotmail.coin 594・ 滕中秋等:药用植物基因工程的研究进展 书《本草纲目》全书收录植物药有881种,附录61种,共942 种,再加上具名未用植物153种,共计1 095种 。公元 1815年后,德国学者出版了以植物药为主的著作《生药学》, 日本本草学家岩崎常正的《本草图谱》也搜集记载了药用植 物2 000多种 。 天然植物药中富含多种生物活性成分,从药用植物中寻 找有效的成分并进行相关药理学研究是新药研发的重要途 径。奎宁是由金鸡纳树皮分离得到,吗啡从罂粟中分离得 到,阿片、阿托品由颠茄中分离得到,洋地黄毒苷由洋地黄中 分离得到,著名的抗癌药品紫杉醇则是从红豆杉中发现。中 国科研人员在大量的工作中也从药用植物中分离得到很多 活性部位或化合物,比如由黄花蒿中发现的抗疟药青蒿素, 从延胡索中提取的四氢帕马汀,从蛇足石杉中发现的石杉碱 甲。其中青蒿素和石杉碱甲都是我国独立开发具有世界影 响的天然药物。而近年开发并批准上市的的新型药物中约 有50%以上直接来源于药用植物或药用植物成分的修饰产 物。据世界卫生组织的统计,在发展中国家,约有80%以上 的人口使用药用植物维持基本的健康需要,近年来药用植物 使用量在发达国家也有逐年上升的趋势 。 中国野生药用植物种质资源丰富,但由于对药用植物的 需求量不段的增大,这些重要的野生药用植物资源的采挖已 经造成了许多药用植物资源濒于枯竭 J。随着需求和消耗 的增加,药用植物资源的供需矛盾更为突出,于是人们开始 推动药用植物生产基地规范化种植并取得了可喜的成绩,规 范化种植在一定程度上缓解了部分药材的资源紧张问题,然 而药用植物大面积集中种植仍然存在很多的问题 …,比如 连作障碍、病虫害严重等一系列的问题,而以常规育种手段 获得克服上述问题的新的植物品种是很困难的。药用植物 中的有效成分主要是其次生代谢产物,而品种退化、活性成 分减少等是药用植物人工栽培中存在的主要问题,应用基因 工程有段改善代谢途径、提高其活性成分等,对优化药用植 物种质资源以及可持续发展具有重要的意义 。 基因工程技术在农业作物育种领域已经取得成功并逐 步推广,将其应用于药用植物的抗病育种研究中具有广泛应 用潜力和发展前景。1983年世界首例转基因植物培育成功, 标志着人类用转基因技术改良植物的开始,至今已有35科 120多种植物转基因获得成功 。基因工程技术已成为普 及应用最快的先进农作物改良技术之一。采用基因工程技 术可以提高作物产量,减少除草剂、杀虫剂等农药使用量及 残留,并可以节约大量劳动力,基因转化已经被证明是提高 作物产量和改良作物品质的有效途径,给人类带来巨大的社 会和经济效益。 药用植物资源的匮乏、药用植物种植所面临的问题使得 药用植物的应用和发展不可避免地需要应用现代生物技术 成果。虽然仍然存在较大的争议,但基因工程技术在农业中 的应用已经产生了可观的效益。而基因工程技术尚未在药 用植物领域广泛地应用,在本领域的巨大发展潜力是不言而 喻的 。 1药用植物转基因研究 1.1转基因器官培养 对药用植物的需求有别于农作物,药用植物的活性成分 绝大部分都是它们的次生代谢产物。转基因技术的应用不 能简单的套用农作物基因工程的方法。而转基因器官的培 养从而富集次生代谢产物是药用植物基因工程的重要部分。 Haimll等 在1987年就评述了植物毛状根培养的优越性, 他们认为毛状根培养是非常有前途的植物培养方法。利用 发根农杆菌Ri质粒转化形成的毛状根或根癌农杆菌 质粒 转化形成的冠瘿瘤组织作为培养系统从而生产特定的植物 活性化学成分是当今药用植物研究的一大热点 。亲本药 用植物能够合成的次生代谢产物都可能利用毛状根或冠瘿 瘤组织培养进行生产,因此这种组织培养技术是生产目标植 物次生代谢产物的有效途径。 1.1.1毛状根培养毛状根是植物整体植株或某一器官、 组织(包括愈伤组织)、单个细胞,甚至原生质体受到发根农 杆菌的感染所产生的一种病理现象,在感染部位上或附近能 产生大量的副产物——毛状根。在感染过程中,发根农杆菌 把白身Ri质粒的T—DNA上的基因转移并整合人植物基因 组,这些基因表达后即产生毛状根 ”J。毛状根培养已发展 成为继细胞培养后又一新的植物培养系统。30%以上的药 用植物的药用部位是植物的根部,因此毛状根培养对药用植 物的研究十分重要。据不完全统计,药用植物毛状根培养已 在毛地黄、银杏、红豆杉、黄芪、长春花、黄连、何首乌、紫草、 人参、曼陀罗、颠茄、丹参、绞股蓝、半边莲、露水草、桔梗、决 明、大黄、甘草、茜草和青蒿等26个科100多种植物获得了 成功 。毛状根培养物具有生物合成能力强、遗传性状稳 定性高、生长速度快、可以向培养液中分泌一定的产物以及 无需添加外源激素等优点。 自20世纪80年代毛状根培养技术应用于植物次生代 谢产物研究以来,很多重要药物次生代谢产物已经从毛状根 培养物中提取出来,包括生物碱类、皂苷类、黄酮类、噻吩类、 蒽醌类以及蛋白质类等药用化合物。颠茄茎经发根农杆菌 感染所产生的毛状根纯系物经过1个月的生长鲜重增重60 倍,经TLC和HPLC检测发现毛状根中的阿托品和东莨菪碱 含量很高甚至高于在田间正常生长的原植物 J。Xiuehun Ge等 利用毛状根培养富集丹参酮类化合物并对此类化合 物的生物合成途径进行了研究,发现丹参中丹参酮类物质通 过BOIl—MVA pathway进行合成,但与MVA pathway仍会有一 定的物质交换。Nose M等 建立了Glycyrrhiza uralensis毛 状根培养体系并对毛状根的多糖提取物的激活巨噬细胞的 生物活性机制进行了研究。 而利用转基因药用植物毛状根生产次生代谢产物或者 研究药用植物次生代谢途径也取得了很大的发展。利用发 ・595・ 2015年2月I第40卷第4期 恩主 蕊 焘 的毛状根可以转变为绿色毛状根从而得到绿色部分的次生 根农杆菌介导转化体系建立黄芩过表达苯丙氨酸解氨酶 (PAL)SbPAL1,SbPAL2,SbAPL3转基因毛状根体系。这些转 基因毛状根线与对照毛状根相比能产生较高的黄酮类化合 物(黄芩苷,黄芩素,汉黄芩素)。特别是汉黄芩素在sb— PAL1一,SbPAL2一,SbPAL3一过表达的毛状根的含量比黄芩野生 型的根增加4~11倍,显示转基因毛状根技术在黄芩中黄酮 代谢产物,但可转变的毛状根培养物数量有限,而利用冠瘿 瘤或畸状茎的形成和培养却可以获得药用植物叶片和茎中 的次生代谢产物。冠瘿瘤离体培养时具有激素自主性、增 殖速率比常规细胞培养快等一系列优点。冠瘿瘤次生代谢 产物合成的能力较强且具有较好的稳定性,是获得药用植物 类化合物生产中的潜力和效率 。颠茄生物碱途径的关键 次生代谢物的很好的途径之一。宋经元等 使用丹参冠瘿 酶腐胺Ⅳ-甲基转移酶(PMT)和莨菪碱 .羟化酶(H6H)过 表达的颠茄转基因毛状根相比野生型颠茄毛状根,可以合成 瘤制备丹参酮类物质,并通过筛选得到了丹参酮高产株系, 丹参酮的含量较高甚至高于丹参药材。作为重要的抗癌药 品紫杉醇的基原植物,红豆杉冠瘿组织培养也获得了出色的 5~24倍的莨菪碱和东莨菪碱,说明转基因发根培养物可被 用作生物反应器生产药用莨菪烷类生物碱 J。Rosemary Vukovi等 通过过表达 一cryptogein的彩叶草毛状根研究 了Oomycetal蛋白质激发子——口一cryptogein对酚类物质的合 成和分泌的影响。结果发现 .cryptogein可能是酚类物质由 毛状根分泌到培养基过程中重要的调节因子。 于荣敏等构建了何首乌的转基因毛状根培养体系,对培 养条件进行了优化,对培养体系中的化合物成分进行了分析 和鉴定,并发现4一甲基_7一烯丙基氧香豆素在该培养体系中可 以被生物转化为4一甲基_7一羟基香豆素和4 甲基香豆素-7—0一 JB—D一吡喃葡萄糖苷,瑞香素也可以被生物转化为瑞香素一8一O一 D一葡萄糖苷,另外该体系还可以将青蒿酸转化为多种青蒿 素类化合物,证明何首乌毛状根酶系统具有水解酶及糖基转 移酶等多种酶的活性,是良好的生物转化体系[27-34]。本研究 中心采用RNA干扰技术和毛状根培养技术证明SmCPS是丹 参中丹参酸类物质合成的重要的酶 ,实验也是毛状根在 转基因次生代谢途径探索的很好的例子。 毛状根培养生成的次生代谢产物一般仅限于亲本植物 根中而非地上部分合成的化学物质,而绿色毛状根则可以合 成地上部分特别是绿色植物组织所合成的次生代谢产物。 一些植物的毛状根在光照下可以转变为绿色毛状根。绿色 毛状根不仅具有正常毛状根的器官构造,而且在皮层细胞中 还含有叶绿体从而可以进行光合作用,CO 的固定能力和核 酮糖二磷酸化酶的活性甚至可以达到植物叶片的水平 。 绿色毛状根合成的次生代谢产物与亲本植物绿色部位的次 生代谢产物成分比较接近。Sauerwein等 在过江藤Lap— pau dulcas绿色毛状根培养物中分离到0.25 mg・g 的倍半 萜类化合物赫南德辛(hernandulcin)以及其他20种单萜类和 倍半萜类化合物,而在非绿色过江藤毛状根培养物中却没有 发现上述萜类化合物。在利用洋地黄绿色毛状根培养物生 产强心苷类物质研究中发现,绿色毛状根生长速度快,强心 苷类物质的累积也明显增加 。上述研究表明绿色毛状根 可以生产药用植物地上绿色部分特有的次生代谢产物,使得 毛状根培养技术在转基因乃至所有的药用植物次生代谢产 物生产中具有很大的发展潜力。 1.1.2冠瘿瘤(crown galls)培养很多药用植物的活性成 分是地上部分如叶片和茎中的次生代谢产物,虽然一些植物 ・596・ 成果,用根癌农杆菌B0542,C58感染成年短叶红豆杉和欧洲 红豆杉幼茎,得到了可以在无需添加植物激素情况下能够快 速生长的冠瘿瘤组织,组织培养物中紫杉醇为0.000 08%~ 0.000 4% 。w L Ma等 利用转基因西洋参冠瘿瘤组织 转化丹皮酚、大黄酚,结果发现得到了2种底物的多种衍生 物质,说明转基因西洋参冠瘿具有催化糖基化、羟基化、以及 芳香族化合物的甲基化反应的能力。 1.1.3毛状根与冠瘿瘤组织共培养无论是毛状根还是冠 瘿瘤组织都是要么生产地上部分,要么生产地F部分的次生 代谢产物。然而对于野生型植物来说,地上部分地下部分足 一个生命的整体,物质的转运和代谢途径是息息相关的。 些次生代谢产物是在植物的特定器官内合成后再被运输剑 其他器官中贮藏的,或者在特定的器官中合成前体再转运到 其他器官继续酶促修饰合成最终产物。对颠茄的冠瘤组织、 簇芽和毛状根中生物碱合成和贮藏的研究表明,毛状根培养 可以得到颠茄固中的生物碱类物质,而簇芽培养中并没有生 物碱被发现。如果在簇芽培养基中加入莨菪碱后,莨菪碱被 簇芽转化为东莨菪碱 ;对烟草生物碱的合成部位的研究 也得到类似的结果。这说明由于不同植物组织中酶系不同, 有些次生代谢产物的合成是由整株植物的不同部位互相配 合所完成的。因此单独利用毛状根或冠瘿瘤组织离体培养 生产这类代谢产物均不能达到合成和富集的目的。而将二 者共培养,借助培养基的渗透来代替物质在不同植物组织中 的转运,可以完成相对完整的次生代谢途径。植物中莨菪胺 的合成过程首先是由根产生天仙子胺,天仙子胺随后被转运 至植物的地上部分,由6 羟化酶催化最终转变为莨菪胺。 Mahagamasekera等 利用颠茄毛状根与杂交澳洲毒茄的冠 瘿瘤组织进行不同属间的组织共培养,发现共培养物可以合 成毛状根培养时所不能合成的莨菪胺。 1.2模式基因研究 模式基因是研究和建立植物遗传转化体系、考察外源基 因在受体植物中表达和调控是不可或缺的。植物基因工程 的最终目的是把有用的基因转移到受体基因组,并使其在受 体植物中能稳定表达和遗传。研究遗传转化技术体系及外 源目的基因的表达和调控机制,需要一类具有选择标记的基 因,称为模式基因(model gene)或报道基因(reporter 滕中秋等:药用植物基因工程的研究进展 gene) “ 。 了农杆菌介导的四倍体菘蓝的遗传转化系统,为利用基因工 程改良菘蓝品质奠定了基础。 根据基因编码可以将模式基因分为二类,一类是抗性基 因,比如氯霉素乙酰转移酶基因(cat)、新霉素磷酸转移酶Ⅱ 基因(apt II)、phorphinotrieine乙酞转移酶基因(bar)、潮霉素 磷酸转移酶基因(hpt)等;另一类是催化人工底物产生颜色 变化的酶的基因,包括beta一葡萄糖醛酸酶基因(gus)、绿色荧 光蛋白基因( )、萤火虫荧光素酶基因(1uc)等… 。Ⅳp 1I 基因和gus基因由于其表达的产物比较稳定且易于检出而 丁如贤等 将外源苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白基因Cry- (C)和豇豆胰蛋白酶抑制剂基因 ”共同转入四倍体菘 蓝,转基因再生植株经PCR和Southem杂交检测,外源基因 随机整合到菘蓝的基因组中。与野生型菘蓝对照相比,所获 得的转基因四倍体菘蓝对小菜蛾显示出明显的抗性。罗青 等 获得了抗蚜虫转基因枸杞,将对蚜虫具有明显抗性的 外源基因——雪花莲凝集素酶(GNA34)基因整合到枸杞基 成为广泛用于植物遗传转化研究中的模式基因。模式基因 是建立和优化外源基因遗传转化体系所必需的,可以用来考 察农杆菌感染外植体及整合人植物染色体组的最佳条件,从 而将外源目的基因转移到这些植物中表达。模式基因已在 多种药用植物,如毛地黄、枳壳、商陆、地黄、甘草、枸杞、颠 茄、黄花蒿等,的遗传转化条件的优化研究中得到应用 ” 。 1.3药用植物转基因育种 1.3.1提高药用植物抗性改良植物的品种一般依靠2种 途径:一是使植物获得更高的生产对人类有用资源的能力; 二是减少生物和非生物胁迫对植物生长的不利影响。钧 。据 统计,全球每年因病虫害、低温、干旱、盐碱、草害等不利环境 因素对粮食作物生产造成很大的损失,因病虫害所造成的作 物减产高达30%以上,因草害所损失粮食也有10%以上,再 加上低温、干旱和盐碱等灾害造成的减产,全世界每年损失 粮食产量50%以上 。 而药用植物由于生长环境一般较粮食作物更加不适宜, 经常受到各种逆境条件及病毒、虫害等危害。特别是近年来 环境的不断恶化使药用植物的产量和质量大幅下降 。在 药用植物种植过程中,为了防治病害、虫害及草害等,需要施 用大量的化学药剂,这不仅消耗大量的能源和人工,还会对 生态环境造成较大的甚至不可逆的破坏,形成严重的恶性循 环。因此提高药用植物的抗性和适应性有很大的实际意义。 基因工程技术出现后,人们开始研究和利用转基因抗性植物 来预防病虫害和杂草等,并取得了一定的成果 J。目前, 已经有多种来自微生物、植物、动物等不同种类的抗虫、抗 病、抗盐碱、抗除草剂的基因被克隆出来 ,可以供药用植 物的遗传转化,将这些基因导入宿主植物以增强其抗性,并 获得了多种转基因植株。 为了增强颠茄对除草剂的抗性,Saito等 将含有35s— bur基因导入到颠茄基因组中从而得到除草剂抗性的转基因 颠茄植株,抗性植株及其后代均显示了对除草剂phosphino— thricin,bialaphos的抗性,研究表明35s-bur基因的引入并不 影响颠茄碱的合成。Yamazaki等 将草胺膦乙酰转移酶的 基因成功转入到莨菪Scoparia dulcis Linn.基因组中,转基因 植株对草胺膦表现出明显的抗性,而次生代谢产物几乎没有 受到影响。许铁峰等 以CaMV 35S为启动子,将带有抗除 草剂基因的pCAMBIA 3300植物双元表达载体导入根癌农 杆菌菌株EHA 105,作为基因工程菌转化四倍体菘蓝,建立 因组中,获得了外源基因表达良好的枸杞新品系,可以明显 提高枸杞的抗蚜虫能力,如果能够最终应用有望解决枸杞生 产中饱受蚜虫侵害的难题。 抗菌肽(antibacterial peptide,ABP)又称抗微生物肽(an— timicrobial peptide,AMP)或肽抗生素(peptide antibiotics),分 布于细菌、病毒和各种动植物体内,具有广泛的抗微生物活 性 。董燕等 以未成熟及成熟种子为外植体,建立并 优化阳春砂愈伤组织的遗传转化受体系统,以农杆菌工程细 胞介导抗菌肽cecropin B和兔NP一1(CN)融合基因转化阳春 砂愈伤组织建立农杆菌介导的阳春砂愈伤组织的转化。董 燕等 还将抗菌肽cecropin B和兔NP一1(CN)融合基因转入 鱼腥草中,培育出鱼腥草基因工程新品种,初步获得抗菌活 性提高的转基因植株。 毛碧增等 通过转化水稻几丁质酶(RCH10)基因和苜 蓿 一1,3-葡聚糖酶(AGLU)基因到白术基因组,获得了25个 PCR检测阳性的转基因白术株系,其中5个株系对白术立枯 病抗性增强。枳壳基原植物酸橙Citrus aurantium L所面临 的最大问题是植物病毒引起的衰退病,贺红等 以农杆菌 为载体成功构建了携带柑桔衰退病病毒外壳蛋白基因的转 化植株,为利用基因工程的手段进行枳壳的抗病育种奠定了 基础。 1.3.2改善药用植物的品质青蒿素是我国科研人员自主 研发的,并为国际所公认的抗疟药物,市场需求极大。而野 生青蒿中青蒿素含量很低,很难满足青蒿素的迫切需求。常 规育种在提高青蒿素方面的作用十分有限。而今青蒿素的 合成代谢途径已经阐明,因此通过基因工程手段对青蒿的青 蒿素生产能力进行人工操纵从而大幅提高青蒿素含量成为 解决青蒿素供需矛盾的最佳选择。宋玉刚等 优化了青蒿 遗传转化体系并得到了反义鲨烯合酶基因的青蒿转化植株。 在转基因株系ASQ3,ASQ5中鲨烯合酶基因在mRNA水平上 得到了部分抑制,鲨烯的含量比野生型青蒿植株降低了 20%;而青蒿素的含量则分别提高了23.2%,21.5%,表明抑 制鲨烯合酶的表达可以有效地促进青蒿素的生物合成。冯 玉玲等 也进行了类似的研究,用携带反义鲨烯合酶基因 的工程农杆菌对青蒿进行遗传转化,获得的不同株系的转基 因植株中青蒿素含量得以提高,其中最高者达到16.6 mg・ g 干重。 .597. 2015年2月l第4O卷第4期 将其他特种的特定基因导入到药用植物中,使其表达特 定的产物,增加药用植物的用途或改善药用植物的品质也是 未来药用植物研究的热点之一。冯玉玲等 为了增强青蒿 的特异药理活性将人趋化因子RANTES基因通过 质粒衍 生的双元表达载体pROKⅡ导入根癌农杆菌人到青蒿中,并 证明RANTES基因可以在转基因青蒿植株中成功表达。赵 亚华等 将小鼠金属硫蛋白基因利用根癌农杆菌介导整合 到枸杞基因组获得了锌含量更高的转基因枸杞新品种。 2转基因药用植物研究中的问题和思考 2.1加强基础研究 2.1.1 功能基因的深入研究人类对药用植物的应用主要 是利用植物所产生的次生代谢产物,次生代谢产物是由植物 受到外界胁迫后产生的保护自身存活和繁衍的化合物。在 长期进化过程中,药用植物逐渐进化出适应环境的生理功 能,最主要的就是根据初生生长的需要合成所需的各种类型 的次生代谢产物。次生代谢产物是植物与其生存环境相互 作用的结果,在植物的代谢活动中占有重要地位。把基因工 程技术应用于提升药用植物品质的研究中,主要针对的是编 码次生代谢产物生物合成途径的相关酶类或相关调控因子 的基因和其他功能基因。 在农业领域,多种农作物的在基因层面上的研究已经十 分深入,这些基础性的研究大大的加快了转基因农作物的发 展,也因此创造了十分可观的经济效益。而药用植物在功能 基因的研究上,研究基础还是十分薄弱,药用植物次生代谢 途径并未能清楚的阐述。虽然近年来药用植物功能基因的 研究渐成热点也取得了一定的成果,但是对于复杂的药用植 物代谢通路来说,还远远不够。应该加快药用植物基因资源 研究,进一步研究更多的重要的药用植物资源、重要的代谢 途径的基因的表达调控机制,分离和鉴定重要的药用植物代 谢途径关键酶和基因。药用植物的品种多样性也是限制这 方面研究的问题之一,应对珍稀药用植物为研究重点,重点 攻克有重要经济价值的药用植物功能基因的研究,为转基因 药用植物的研究提供坚实的研究基础。另外,模式药用植物 功能基因的研究也是重点之一,选取有代表性的药用植物作 为研究对象,可以帮助人们充分了解相关植物种属的一类或 几类次生代谢产物相关的基因表达调控机制,本研究中心以 丹参作为模式植物进行了大量的功能基因挖掘工作,获得了 大量优秀的成果。 2.1.2外源基因的表达研究虽然转基因技术经过多年的 发展,已经在药用植物领域取得了大量的成果,但是在技术 层面上仍然还有一些问题存在并限制转基因技术的应用和 发展。最为突出的问题是外源基因的沉默和表达效率低下 的问题。外源基因的沉默主要有两方面的原因:一是DNA 甲基化引起的失活,二是共抑制造成的外源基因沉默。目前 科学工作者主要从去甲基化、选择单拷贝转基因植株、在转 基因侧翼接上核基质结合序列MAR(matrix attachment re一 ・598・ .蒌 蠢 gion)、优化转基因密码子和转化载体、利用优良的转化和重 组系统等几个方面来开展工作,寻找到很好的解决外源基因 沉默的途径 。虽然大量的转基因植物或组织培养可以用 来富集和生产目标次生代谢产物,但是生产效率并不是很 高,主要原因在于外源基因的表达效率低,通过选择特异性 或诱导型启动子、降低外源基因的拷贝数以减少基因沉默现 象、利用引导肽进行表达产物的定位方法可以用来提高外源 基因的表达。 2.2转基因药用植物安全性问题 转基因植物的安全性是转转基因技术在药用植物的应 用中的最受人关注的关键问题,也是现今争论的热点问题之 一。世界各国政府都十分重视转基因产品的安全性,通过严 格的安全性评价和许可管理,虽然仍未发现转基因作物不安 全的证据,但是由于转基因作物产品缺少长期的可信的安全 性评价,广泛的质疑一直存在。虽然如此,日趋成熟的植物 基因工程技术已经在世界各地的应用中创造了巨大的经济 效益,随着世界人口的增加、地球环境的恶化,按人类需求所 构建的带有特性功能的转基因作物为解决人类所面临的粮 食匮乏等一系列问题带来了希望。同样受到资源匮乏困扰 的植物药物生产也是示来转基因技术应用的一个重要的 领域。 食用安全性,生态环境的安全性是转基因作物安全性评 价的2个主要内容。生态环境安全性的评价主要关注的是 转基因的外源基因的漂移对基因自然进化的影响,转基因植 物形成杂草或与近缘杂草杂交形成超级杂草对自然种群的 影响,转基因品种所产生的新的产物对土壤微生态的影响, 及转基因作物通过食物链对生物多样性的影响等一系列问 题 。川。 食用安全性评价的主要内容包括基因供体、基因受体、 插入基因载体、重组DNA修饰过程、预期表达产物和插入基 因引起的非预期效应,转基因食品的营养与毒性、潜在的致 敏性、可能产生的耐药菌株等。联合国粮农组织FAO、世界 卫生组织WHO和经济合作与发展组织OECD提出和认可的 “实质等同性”准则是评价生物技术生产的作物和食品安全 最适当的基本原则,即“若一种生物工程食物或食物成分与 其相应的传统食物或食物成分基本相同,则可以认为具有相 同的安全”l7 驯。现在已经有耐草甘膦大豆等50多种转基 因作物相继通过以“实质等同性”原则为依据的安全性评价。 “实质等同性”原则本身并不是安全性评价,而是用来构建相 对于传统亲本的新产品安全性评价的起点,比较新产品与亲 本产品之间的相似性与差别,有助于确定转基因产品的潜在 安全性 。转基因产品对人类健康的危害主要有含有弓I起 人体急性、慢性中毒或者致癌、致突变的毒素,含有引起人体 过敏反应的过敏源以及营养成分(或有效成分)的变化 等 。因此,转基因产品安全性评价需要包括毒性评价、致 性评价、抗生素抗性基因安全性评价等项目。 滕中秋等:药用植物基因工程的研究进展 药用植物作为药物或者药物基原较之农作物在种植和 应用上都有很大的区别。农作物特别是粮食作物种植范围 极大、人类对粮食蔬果等食物的摄取也是长期大量的食用, 而药用植物则不同于农作物,在对待转基因药用植物安全性 问题上必然应与转基因农作物有所不同,特别是在食品安全 中药材过程中需要深思的问题。建立以组学技术为基础的 药性评价平台对转基因药材进行药性的评价是比较可行的 选择。中医中药是以传统中医理论为基础的,而传统的理论 正是一种古老传承的--fl系统生物学,组学技术是现在系统 生物学的研究平台,是用以研究阐明中医药理论基础的新的 技术平台。 3结语 性的角度。大多数药品都是在患者治疗疾病时才会使用,并 且在服用植物药物之前,要么经过分离提取获得了药用植物 的有效部位,要么需要通过复杂的炮制、煎制等过程,这在些 过程中,即使有少量的外源基因表达成分,也已经被大大稀 基因工程技术给农业带来了巨大的经济效益,显示了基 因工程技术在应对粮食短缺等全球性问题上的出色作用和 释,对人的影响可谓是微乎其微。药用植物种植面积相对农 作物来说是非常小的,外源基因的迁移等问题相对来说更容 易得到控制。 转基因药用植物的生态环境安全性评价和控制方面与 转基因农作物相似,采用转基因农作物的评价控制的原则和 方法,可以有效的评价和控制转基因药用植物生态环境安全 性。而在食品安全性方面,针对药用植物的应用特殊性,应 该在转基因农作物评价和控制的基础上发展出相对独立的、 适合于药用植物的新的一套或个性化的评价方法和标准。 同时,转基因药用植物的评价中还应该注重转基因前后药用 价值是否发生变化。 2.3转基因药用植物药用价值评价 外源基因的引入,给目标药用植物带来有利的特性,利 于药用植物的更好的栽培和应用。但同时难免会由于外源 基因和转基因过程改变目标植物基因的表达,产生新的蛋白 质、次生代谢产物等物质,或造成植物本来存在的物质的表 达或合成量的变化。实质等同性原则、评价方法不能是简单 的套用于转基因药用植物的评价中,在进行相似于食品的安 全性评价的同时,还要关注药用植物转基因后有效性的评 价。每一种药用植物都有其特定的药用价值,药用价值也是 采集和种植药用植物的最终用途。外源基因的导人往往会 造成亲本药用植物非预期的化合物的改变,而化合物组成的 变化是否会造成植物药效的减弱甚至消失,或者药效发生了 根本性的变化都是必须要评价的。否则,药用植物转基因育 种的工作将失去意义。在我国,大多数药用植物都是以中医 理论为基础的中药材应用,转基因中药材的评价更加复杂。 中药的防治病理论与中药药性直接相关。中药药性理论即 是研究中药的性质、性能及其运用规律的理论。中药药性理 论是中药理论的核心,主要包括四气、五味、归经、升降沉浮、 有毒无毒等 。归经,是指药物对于机体某部分的选择性 作用,即某药对某些脏腑经络有特殊的亲和作用,因而对这 些部位的病变起着主要或特殊的治疗作用,药物的归经不 同,其治疗作用也不同 。中药归经理论的形成是在中医 基本理论指导下以脏腑经络学说为基础,以药物所治疗的具 体病症为依据,经过长期临床实践总结出来的用药理论。化 学物质的组成是中药药性的基础。外源基因的导入所造成 的中药材物质组成的区别对药性可能的改变是发展转基因 巨大潜力。相对的转基因农业,转基因药用植物的研究还处 于初级的阶段。同样面临着资源匮乏、生长环境恶化等问题 困扰的药用植物种植,基因工程技术带来了希望和曙光。基 因工程技术可以用来提高药用植物的抗病、抗虫、抗除草剂 的能力,提高药用植物的产量,增加药用植物中活性物质的 含量,改善药材的品质等方面,有利于药用植物的大面积种 植和保护。在未来的发展中,应该增加在药用植物功能基因 探索、提高外源基因的表达等基础研究的投入,为转基因药 用植物的研究提供坚实的研究基础。另外,转基因药用植物 的安全性是人们最为关注的关键问题,科学工作者不应该因 为质疑而裹足不前,应该在充分认识到药用植物特殊性的基 础上建立一套科学的,适用于转基因药用植物的安全性评价 体系和判断标准,促进转基因技术在药用植物领域健康、可 持续发展。 [参考文献] [1] 刘斌斌,蔡立群.论我国蒙医药的知识产权保护[J].甘肃医 药,2011,30(4):193. 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