生物工程技術論文

　　生物工程，是20世紀70年代初開始興起的一門新興的綜合性應用學科，下面是小編為大家精心推薦的，希望能夠對您有所幫助。

　　篇一

　　藥用植物生物工程技術研究進展

　　【摘要】 　　人類對野生藥用植物資源不加限制地開採使得其遺傳多樣性受到了嚴重的破壞，藥用植物的大規模規範化種植不僅可有效緩解這一矛盾，同時還能解決中藥材產品加工過程中與質量不穩定因素有關的諸多問題。傳統的育種方法結合分子標記輔助育種技術已培育出了許多優質的中草藥品種，在藥用植物組織培養和利用遺傳轉化等生物工程技術改造其活性成分的代謝途徑等方面也取得了很大的進展。為了進一步推廣藥用植物的規範化種植，還亟需對中草藥市場需求進行合理地預測以及正確引導人們對草藥製品的消費觀念。

　　【關鍵詞】 生物工程; 藥用植物; 商業化種植

　　Abstract： Harvesting herbals from the wild is causing loss of its genetic diversity，domestic cultivation is a viable alternation and offers the opportunity to overcome the problems that are inherent in herbal extracts. Conventional plant-breeding methods can improve both agronomic and medicinal traits, and molecular marker assisted breeding will be used increasingly. There has been significant progress in the use of tissue culture and genetic transformation to alter pathways for the biosynthesis of target metabolites. Obstacles to bringing medicinal plants into successful commercial cultivation include the difficulty of predicting which extracts will remain marketable and the likely market preference for what is seen as naturally sourced extracts.

　　Key words：Biotechnology; Medicinal plant; Commercial cultivation

　　據世界衛生組織估計，在發達國家人們日常消費的保健類產品中，中草藥來源的佔了近80%，它們所使用的植物原料絕大部分依賴於野生的 自然 資源。在全世界近5萬種藥用植物中，將近1/5物種的生存正在受到威脅，其中由於人類無節制地開採而接近滅絕的物種有熊果Arcostaphylos uva-ursa、卡瓦胡椒Piper methysticum和光果甘草Glycyrrhiza glabra等[1]。

　　藥用植物的供求矛盾引起了人們對藥用物種遺傳多樣性降低和生境退化的不斷關注，雖然通過加強監管可以對某些物種提供一定程度的保護，但更加可行的辦法是對藥用植物進行大規模的規範化人工種植。人工種植還為生物工程技術在中藥材產品加工過程中的應用提供了舞臺，如鑑定藥材原料的質量、檢測基因型和表型變異、提高藥材有效成分的穩定性、控制有毒和汙染物含量等。這不僅有利於種植者根據市場需求合理地調整栽培物件和實現定量生產，還可獲得質量穩定的產品。在歐美等國，包括銀杏Ginkgo biloba和貫葉連翹Hypericum perforatum在內的一些市場銷量較高的品種，其野生資源受到的威脅反而最小，原因就在於它們都已進行了大規模的人工種植。對於一些當前還不太引人關注的品種進行投資，尤其是那些多年生的物種，為了降低潛在的市場風險，對未來市場的需求進行預測也是非常必要的。

　　1 藥用植物栽培技術

　　較低的發芽率和對生境的特別要求使得許多藥用植物的栽培十分困難，這也對種植者的專業技能提出了更高的要求。發芽率較低通常是由於種子受到機械損傷或真菌感染而引起的，這一問題可通過提供最適的保藏條件來解決，例如在對西洋參Panax quinquefolium生長條件的研究中發現，使用改進的土層保護方法進行處理可明顯提高種子的發芽率和生長速度，且在任何時候均可發芽。另外，對於那些常規條件下很難培育的品種，採用人工授粉和液體培養的方法對它們的成功種植往往起到非常關鍵的作用，

　　2 優良品種的選育

　　傳統育種技術在藥用植物品種的改良方面有著廣泛的用途。最近，一種鐳射斑點***Laser speckle***技術被用於在植物生長早期對期望的性狀進行測定，這是一種通過比較鐳射照射前後種子表面所產生斑點的差異而對其活性進行預測的方法，該項技術的使用可顯著縮短育種所需的時間[2]。育種者通過預先對接近於期望標準的基因型進行篩選，還可對藥用植物中活性和毒性成分的含量進行控制，從而達到了簡化分離工藝和降低生產成本的目的。

　　遺傳標記輔助育種是傳統作物育種技術的延伸，它以檢測與性狀直接相關的等位基因或與之緊密連鎖的DNA序列為基礎，可在早期就鑑別出期望的基因型從而加速育種的過程。隨著水稻和擬南芥全基因組測序計劃的完成，以及以苜蓿、番茄和白楊樹為代表的一些模式物種的基因組資源的快速增長，為比較遺傳學技術在作物育種中的應用提供了機會。研究者可利用不同物種中功能基因DNA序列的相似性，將某一個物種的DNA探針用來鑑定近緣物種基因組中同源的序列，從而達到快速鑑定功能基因及與之連鎖的遺傳標記的目的。

　　至今，利用分子標記對藥用植物進行改良的報道仍相對較少，成功的例子如：AFLP和微衛星標記在***遺傳育種[3]和法醫鑑定[4]中的應用;利用ISSR分子標記技術研究藥用植物野生或栽培種群的遺傳多樣性;Mandolino[5]對***酯***Cannabinoid***生物合成途徑中兩個關鍵酶的基因序列進行了測定; Delabays等利用青蒿素***Artemisinin***的遺傳特性，開發出了其特異的分子標籤***Molecular tags***用於標記輔助育種。有理由相信，隨著比較基因組學研究的進一步深入，還將對藥用植物的研究和開發產生更加普遍的影響。

　　3 農藝性狀的改造

　　通過改造DNA序列來調控植物的基因表達在當前已有一定的研究基礎，抗除草劑、抗蟲、抗病等轉基因品種的開發仍然是當前藥用植物生物工程研究中的重要領域之一。有報道，Choi等[6]通過轉化膦絲菌素***Phosphinothricin***乙醯轉移酶基因，獲得了抗除草劑雙丙氨膦***Bialaphos***和固殺草***Glufosinate***的轉基因顛茄Atropa belladonna。Punja等[7]利用原生質體融合技術還得到了抗殺蟲劑的龍葵Solanum nigrum和抗真菌病害的西洋參。

　　此外，生物工程技術在調控植物的生長髮育方面也有廣闊的利用價值。Lee[8]將根瘤膿桿菌的rol基因轉入到蒲公英中，明顯提高了其微繁的毛狀根培養物的發育速度;Kang等在蒿屬Artemisia植物中表達細菌ipt基因，不僅促進了其內源的植物細胞分裂素等一系列激素的生成，還提高了葉綠素和青蒿素的產量。

　　4 活性成分含量的控制

　　對一般的農作物進行基因調控的首要目標是改造與疾病抗性和生長髮育有關的農藝學特徵，而對於藥用植物來說，通過改造其生物合成途徑而提高活性成分的含量則處於最重要的地位。Stevenson等用根瘤膿桿菌基因轉化薄荷的毛狀根培養物，不僅提高了其毛狀根中必需油成分的含量，還增強了其抵抗真菌感染的能力。其它在藥用植物上成功應用的例子還包括***、蒲公英、紫杉、紫錐菊***Echinacea***、玄蔘和毛地黃***Digitalis***等[9]。

　　為了提高藥效、降低有毒物質的含量和提高收穫物中化學成分的穩定性，有必要對藥用植物的生長條件進行嚴格地控制。植物中次生代謝物的累積與溫度、光照***如抗氧化劑***、協迫***如脯氨酸***、感染***如類黃鹼素Flavanoids***和食草***如生物鹼***等外界因素的影響有密切的關係。例如，在高加索生長的顛茄中生物鹼的含量為1.3%，瑞典生長的只有0.3%;陰生的胡椒薄荷Mentha piperata中必需油的總量及其薄荷醇的含量均比光照條件下生長的要低;與較高溫度條件下生長的***相比，較低溫度下生長的***中含有更多的***，而生物鹼的含量卻低些。另外，次生代謝物的累積還與土壤中的微生物群落和營養成分有關。

　　提高活性成分的含量是藥用植物遺傳控制的首要目標，但是目前人們對活性化合物生物合成途徑的瞭解還很少，只有為數不多的合成酶的基因被分離出來，這對應用途徑工程技術進行藥用植物育種提出了嚴峻的挑戰。Zhang等[10]通過過量表達東莨菪鹼***Scopolamine***生物合成途徑中催化兩個限速反應的合成酶的基因，使得天仙子Hyoscyamus niger毛狀根培養物中該化合物的產量提高了將近9倍;Robbins等[11]將天仙子中編碼莨菪鹼羧化酶的基因轉化到顛茄中，也使得東莨菪鹼***前體物為莨菪鹼***的產量明顯提高;Chitty[12]在篙屬植物中通過過量表達法尼基***Farnesyl***二磷酸合成酶的基因而將青蒿素的產量提高為原來的3倍。在針對催化某一特定限速反應的酶的研究中，利用轉錄因子能夠開啟和關閉整個次級代謝途徑的性質對其進行遺傳改造，已經成為了一種新的研究藥用植物途徑工程的思路。

　　5 問題與展望

　　藥用植物作為藥物使用最大的吸引力之一在於它的“純天然”性質，由此也產生了兩種極端的看法：一部分人理所當然地認為它是安全的和最好的，另一部分人則認為用基因工程技術對農作物進行改造是非常“不符合 自然 規律 的”，後者則體現在許多消費者對轉基因植物的恐懼和排斥上。即使不考慮此類由轉基因植物所帶來的潛在的生態風險，消費者仍然有權利拒絕接受與以轉基因為代表的生物工程技術有關聯的任何藥用植物產品。

　　另外還有一個常被人忽視的問題是，隨著藥用植物人工種植技術的推廣，其對應的野生資源也將具有更高的商業價值，因而對其進行的破壞性挖掘活動可能會更加嚴重。此外，在藥用植物種質資源的保護及其智慧財產權的歸屬等方面也有許多棘手的問題有待解決。

　　【 參考 文獻 】

　　[1]Edwards R. No remedy in sight for herbal ransack[J].New Sci，2004，181***1***：10.

　　[2]Braga RA. Assessment of seed viability by laser speckle technology[J].Biosystems Engineering，2006，86：287.

　　[3]Gilmore S. Isolation of microsatellite markers in Cannabis sativa L. ***marijuana*** in fibre crop varieties[J]. Mol Ecol，2005，3：105.

　　[4]Miller CH. Forensic AFLP markers in marijuana[J].Croation Med J，2003，44：315.

　　[5]Mandolino G. The control of the chemical phenotype in Cannabis sativa L.: genetic analysis and molecular markers[J].Proc XLVII Italian Soc Agric Genet，2003：24.

　　[6]Choi YE. Production of herbicide-resistant transgenic Panax ginseng through the introduction of the phosphinothricin acetyl transferase gene and successful soil transfer[J].Plant Cell Rep，2006，21***6***：563.

　　[7]Punja ZK. Tissue culture of American ginseng and genetic engineering to express antifungal protEins[J].Acta Hort，2003：625，395.

　　[8]Lee MH. Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation of Taraxacum platycarpum and changes of morphological characters[J].Plant Cell Rep，2004，22***11***：822.

　　[9]Wang HM. Agrobacterium-mediated transformation in the high-value medicinal plant Echinacea purpurea[J].Plant Sci，2004，166***4***：1087.

　　[10]Zhang L. Engineering tropane biosynthetic pathway in Hyoscyamus niger hairy root cultures[J].Proc. Natl Acad Sci USA，2004，101***17***：6786.

　　[11]Robbins MP. Sn, a maize bHLH gene, modulates anthocyanin and condensed tannin pathways in Lotus corniculatus[J].J Exp Bot，2006，54***381***：239.

　　[12]Chitty JA. Genetic transformation in commercial Tasmanian cultivars of opium poppy, Papaver somniferum, and movement of transgenic pollen in the field[J]. Funct Plant Biol，2004，30***10***：1045

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