·40 中草药生物技术 yer和Cohen于I973年将非洲爪蟾的DNA插入到细菌质粒DNA中产生杂种质粒一第1 例DNA重组体的诞生标志着遗传工程的开始，世界上第1家生物技术公司(Genetech)的诞 生(1976年)为第3代生物技术的重要发展标志。生物技术来自biotechnology译语，随着科 技水平的发展，生物技术的概念也随之不断发展变化。 在已经出版的国家“863”计划生物高技术丛书中，有关专家对生物技术给出了如下定 义：“生物技术是以现代生命科学理论为基础，利用生物体及其细胞的、亚细胞的和分子的 组成部分，结合工程学、信息学等手段开展研究及制造产品，或改造动物、植物、微生物等， 并使其具有所希望的品质、特性，从而为社会提供商品和服务的综合性技术体系”。随着科 学和技术的发展，生物技术内容也在不断深入和发展，并在工农业生产和人们生活中发挥了 巨大的作用，如在农业中己育成多种抗病、抗虫、高产的农作物新品种：在制药中利用转基因 微生物生产干扰素、胰岛素、生长因子等几十种新药物和疫苗：在环保中培育成能降解工业 污染物的微生物：在食品工业中利用发酵技术生产酶、氨基酸、维生素制品等。也正是由于 它在食品、环境、医药等方面取得了举世瞩目的成绩，因而随之也诞生了“医药生物技术”、 “农业生物技术”、“食品生物技术”、“环境生物技术”等。另外，现代生物技术如以学科领 域来分，又可分为植物生物技术、动物生物技术、微生物生物技术等。 2.中草药生物技术的概念 中草药作为药物在民间使用由来己久，近年来，随着对保健食品的深入研究与开发，保 健食品己成为我国中草药应用具有特色和优势的一个重要领域。另外，随着医疗模式由治 疗型向预防型的转变，以及生活水平的不断提高，国际上对保健食品（又称功能性食品、健 康食品)的需求直线上升，保健食（药）品在一些发达国家的销售额甚至可以与治疗药品相 媲美。我国有“药食同源”的悠久历史，有一大批药食兼用的保健食品，2002年3月卫生部 公布的“既是食品又是药品的名单”中共有物品87种，“可用于保健食品的物品名单”中共 有物品114种，其中有相当一部分中草药也已被国家批准为药食兼用品种。这无疑给中草 药的发展带来了前所未有的机遇。所以我们可以说“中草药生物技术”的诞生也是科技发 展和社会进步的必然要求。 中草药生物技术的诞生得益于现代生物技术在医药领域的应用和人们生存质量的提 高。基因工程的降临开始了生命科学的一场革命，人们可以确定某一特定蛋白的基因，用酶 将其切下来插入某一宿主基因组中，从而使这一宿主能够大量生产这种新蛋白质。与此同 时，现代的分离技术也发展起来了，它包括利用层析对复杂混合物中的蛋白进行纯化以及利 用高分辨率的层析和电泳对生命物质的混合物进行分析等。什么是中草药生物技术？中草 药生物技术就是利用生物技术手段，对中草药细胞、组织、个体进行改造，以加快繁殖速度、 提高产量、改良品质和抗性等的技术。生物技术在医药生产中的应用在我国己有半个多世 纪，就药用植物领域而言主要是采用传统生物技术生产许多民间传统的中草药等，始终与人 类的健康生活和防病治病息息相关。近年来，随着许多新兴的生物技术应用于中药生产与 开发，促进了医药工业的飞速发展，主要体现在4个方面：一是利用基因工程、细胞工程技术 对中草药植物资源的改造与改良：二是利用发酵工程、酶工程技术将农副原材料（包括中草 药)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：三是对生物技术 产品进行2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
yer 和 Cohen 于 1973 年将非洲爪蟾的 DNA 插入到细菌质粒 DNA 中产生杂种质粒———第 1 例 DNA 重组体的诞生标志着遗传工程的开始，世界上第 1 家生物技术公司（Genetech）的诞 生（1976 年）为第 3 代生物技术的重要发展标志。生物技术来自 biotechnology 译语，随着科 技水平的发展，生物技术的概念也随之不断发展变化。 在已经出版的国家“863”计划生物高技术丛书中，有关专家对生物技术给出了如下定 义：“生物技术是以现代生命科学理论为基础，利用生物体及其细胞的、亚细胞的和分子的 组成部分，结合工程学、信息学等手段开展研究及制造产品，或改造动物、植物、微生物等， 并使其具有所希望的品质、特性，从而为社会提供商品和服务的综合性技术体系”。随着科 学和技术的发展，生物技术内容也在不断深入和发展，并在工农业生产和人们生活中发挥了 巨大的作用，如在农业中已育成多种抗病、抗虫、高产的农作物新品种；在制药中利用转基因 微生物生产干扰素、胰岛素、生长因子等几十种新药物和疫苗；在环保中培育成能降解工业 污染物的微生物；在食品工业中利用发酵技术生产酶、氨基酸、维生素制品等。也正是由于 它在食品、环境、医药等方面取得了举世瞩目的成绩，因而随之也诞生了“医药生物技术”、 “农业生物技术”、“食品生物技术”、“环境生物技术”等。另外，现代生物技术如以学科领 域来分，又可分为植物生物技术、动物生物技术、微生物生物技术等。 2. 中草药生物技术的概念 中草药作为药物在民间使用由来已久，近年来，随着对保健食品的深入研究与开发，保 健食品已成为我国中草药应用具有特色和优势的一个重要领域。另外，随着医疗模式由治 疗型向预防型的转变，以及生活水平的不断提高，国际上对保健食品（又称功能性食品、健 康食品）的需求直线上升，保健食（药）品在一些发达国家的销售额甚至可以与治疗药品相 媲美。我国有“药食同源”的悠久历史，有一大批药食兼用的保健食品，2002 年 3 月卫生部 公布的“既是食品又是药品的名单”中共有物品 87 种，“可用于保健食品的物品名单”中共 有物品 114 种，其中有相当一部分中草药也已被国家批准为药食兼用品种。这无疑给中草 药的发展带来了前所未有的机遇。所以我们可以说“中草药生物技术”的诞生也是科技发 展和社会进步的必然要求。 中草药生物技术的诞生得益于现代生物技术在医药领域的应用和人们生存质量的提 高。基因工程的降临开始了生命科学的一场革命，人们可以确定某一特定蛋白的基因，用酶 将其切下来插入某一宿主基因组中，从而使这一宿主能够大量生产这种新蛋白质。与此同 时，现代的分离技术也发展起来了，它包括利用层析对复杂混合物中的蛋白进行纯化以及利 用高分辨率的层析和电泳对生命物质的混合物进行分析等。什么是中草药生物技术？中草 药生物技术就是利用生物技术手段，对中草药细胞、组织、个体进行改造，以加快繁殖速度、 提高产量、改良品质和抗性等的技术。生物技术在医药生产中的应用在我国已有半个多世 纪，就药用植物领域而言主要是采用传统生物技术生产许多民间传统的中草药等，始终与人 类的健康生活和防病治病息息相关。近年来，随着许多新兴的生物技术应用于中药生产与 开发，促进了医药工业的飞速发展，主要体现在 4 个方面：一是利用基因工程、细胞工程技术 对中草药植物资源的改造与改良；二是利用发酵工程、酶工程技术将农副原材料（包括中草 药）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；三是对生物技术 产品进行 2 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 ·4· 中草药生物技术
第一章中草药生物技术概论 ·5 中草药植物品质。从原则上说，如果以转基因植物作为生物反应器生产药物（转基因植物 药物)，则作为反应器的原植物不管是否被认为是药用植物，所培育的转基因植物可纳入药 用植物的范畴。此外，在与中草药生产相关领域，如中草药的包装、贮存、质量检测、三废处 理等方面，生物技术也得到越来越广泛的应用。 三、中草药生物技术的构成 如前所述，生物技术在不同科技发展时期被赋予了不同的概念。目前就生物技术的组 成而言，根据生物技术研究对象不同及工程技术手段的差异，许多学者把生物技术分为细 胞工程、酶和蛋白质工程、发酵工程、基因工程4个方面的技术。把这些技术应用于开发古 老而现代的中草药就构成了中草药生物技术的要件，即细胞工程、发酵工程、酶工程、基因工 程及分子标记技术。只有构成生物技术各方面之间的关系互相关联，互相促进，才能达到工 业化生产水平。如利用基因工程、酶工程、细胞工程所获得的新品系、新品种或新菌种需表 达成为工业化产品，就必须通过发酵工程来放大投产，所以发酵工程在生物技术中起着重要 作用。 1.细胞工程 细胞工程(cell engineering)是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的 设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。通过细胞工程 可以生产有用生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。由于植物的一 个细胞犹如一株潜在的植株，具有发育上和理论上的潜在全能性(totipotency),故在适宜的 条件下一个植物细胞可以形成一株完整的植株，利用植物组织细胞培养及其他遗传操作技 术对药用植物进行修饰，使之适合于中药生产及中医药开发等生产实际的需要。细胞工程 克服了常规杂交的局限性，使远缘杂交成为可能。 药用植物细胞工程技术主要包括：应用于离体快繁、脱病毒种苗生产等的分生组织培养 技术：用于体细胞无性系变异、突变体筛选、遗传转化等的愈伤组织培养技术：用于单倍体育 种等的花药和小孢子培养技术：用于植物次生代谢物（通常是药物、色素等）生产、人工种子 生产等的大规模细胞培养技术：用于体细胞杂交、遗传转化等的原生质体培养技术等。它是 将植物体的某一部分经无菌处理后置于人工培养基中使其组织或细胞增殖进而按照需要进 行培养的技术。 2.发酵工程 发酵工程(fermentation engineering),又称为微生物工程，是利用现代工程技术手段，利 用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术。 发酵工程主要包括菌体（微生物）生产选育技术、微生物生产繁殖技术、发酵产品分离 纯化和后处理技术、新菌种培育技术、发酵工程设备研制技术等。在药用真菌方面，世界各 国的科学家也从分子和细胞两个层次上对其进行了广泛深入的研究，大型药用真菌与发酵 工程的交叉就是一项富有学术价值与经济开发前景的研究领域，我们一般称其为食药用真 菌的深层发酵或深层培养。在中草药生物技术中我们仅仅探讨与植物药生产相关的技术。 或者换句话说，中草药生物技术中的发酵工程技术，就是仅针对药用菌类植物的发酵法生产 有效成分而言，或利用微生物培养的原理和技术大规模培养药用植物细胞，从而获得其中的 药用成分等
中草药植物品质。从原则上说，如果以转基因植物作为生物反应器生产药物（转基因植物 药物），则作为反应器的原植物不管是否被认为是药用植物，所培育的转基因植物可纳入药 用植物的范畴。此外，在与中草药生产相关领域，如中草药的包装、贮存、质量检测、三废处 理等方面，生物技术也得到越来越广泛的应用。 三、中草药生物技术的构成 如前所述，生物技术在不同科技发展时期被赋予了不同的概念。目前就生物技术的组 成而言，根据生物技术研究对象不同及工程技术手段的差异，许多学者把生物技术分为细 胞工程、酶和蛋白质工程、发酵工程、基因工程 4 个方面的技术。把这些技术应用于开发古 老而现代的中草药就构成了中草药生物技术的要件，即细胞工程、发酵工程、酶工程、基因工 程及分子标记技术。只有构成生物技术各方面之间的关系互相关联，互相促进，才能达到工 业化生产水平。如利用基因工程、酶工程、细胞工程所获得的新品系、新品种或新菌种需表 达成为工业化产品，就必须通过发酵工程来放大投产，所以发酵工程在生物技术中起着重要 作用。 1. 细胞工程 细胞工程（cell engineering）是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的 设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。通过细胞工程 可以生产有用生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。由于植物的一 个细胞犹如一株潜在的植株，具有发育上和理论上的潜在全能性（totipotency），故在适宜的 条件下一个植物细胞可以形成一株完整的植株，利用植物组织细胞培养及其他遗传操作技 术对药用植物进行修饰，使之适合于中药生产及中医药开发等生产实际的需要。细胞工程 克服了常规杂交的局限性，使远缘杂交成为可能。 药用植物细胞工程技术主要包括：应用于离体快繁、脱病毒种苗生产等的分生组织培养 技术；用于体细胞无性系变异、突变体筛选、遗传转化等的愈伤组织培养技术；用于单倍体育 种等的花药和小孢子培养技术；用于植物次生代谢物（通常是药物、色素等）生产、人工种子 生产等的大规模细胞培养技术；用于体细胞杂交、遗传转化等的原生质体培养技术等。它是 将植物体的某一部分经无菌处理后置于人工培养基中使其组织或细胞增殖进而按照需要进 行培养的技术。 2. 发酵工程 发酵工程（fermentation engineering），又称为微生物工程，是利用现代工程技术手段，利 用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术。 发酵工程主要包括菌体（微生物）生产选育技术、微生物生产繁殖技术、发酵产品分离 纯化和后处理技术、新菌种培育技术、发酵工程设备研制技术等。在药用真菌方面，世界各 国的科学家也从分子和细胞两个层次上对其进行了广泛深入的研究，大型药用真菌与发酵 工程的交叉就是一项富有学术价值与经济开发前景的研究领域，我们一般称其为食药用真 菌的深层发酵或深层培养。在中草药生物技术中我们仅仅探讨与植物药生产相关的技术。 或者换句话说，中草药生物技术中的发酵工程技术，就是仅针对药用菌类植物的发酵法生产 有效成分而言，或利用微生物培养的原理和技术大规模培养药用植物细胞，从而获得其中的 药用成分等。 第一章 中草药生物技术概论 ·5·
·6 中草药生物技术 3.酶工程 酶工程(en②yme engineering)是利用酶的催化作用进行物质转化的技术，是将生物体内 具有特定催化作用的酶类或细胞、细胞器分离出来，在体外借助于工业手段和生物反应器进 行催化反应来生产某种产品的工程技术。它既包括利用人工酶催化方法，对药用植物中的 药效成分进行修饰，以提高药物品质：也包括利用人工酶催化方法改进中草药制剂过程，如 降解淀粉、蛋白、果胶等杂质，分解植物组织，提高药液制剂的澄清度，降低提取难度等。 酶工程主要包括各类自然酶的生产开发技术，酶的分离、纯化和鉴定技术，酶的固定化 技术，酶分子改造技术，固定化酶反应器的研制技术，酶的应用技术等。 4.基因工程 基因工程(genetic engineering)是首先克隆或人工合成目的基因，再按照预先的设计，将 目的基因和载体重组在一起，以一定的方式导入生物体内，让受体生物的遗传性状发生预期 的改变，或者让受体生物产生目的基因编码的蛋白质等，这种操作类似于工程学上的一些做 法，故称为基因工程。因此基因工程中的核心内容是转基因技术(transgenic technology),亦 即将人工合成或分离到的某些外源基因，通过微生物（细菌、病毒等）介导、显微注射或基因 枪轰击（金或钨微粒）等途径导入到宿主生物体（如动物、植物和微生物）内的技术。这些转 入的外源基因能够整合到转基因生物体的染色体中，并能稳定地遗传给下一代，生产出特定 基因编码的蛋白质或其他具有生物活性的物质，从而改变宿主生物的某些性能或特征。因 此，转基因生物体是指利用基因工程技术获得的生物体，在媒体上常被称为“遗传修饰过的 生物体”(genetically modified organism,GMO)。 基因工程包括：外源目的基因的克隆或人工合成、植物基因转化载体系统的构建、目的 基因的遗传转化系统的建立、外源基因的检测以及品种培育等技术。 5.分子标记技术 分子标记(molecular marker)或称DNA分子标记(DNA molecular marker),是指电泳后 能以一定的方法检测到的可以反映基因组某种变异特征的DNA片段，是建立在DNA的多 态性基础之上的可识别的等位基因。这种DNA片段可以通过限制性内切酶切割、PCR扩增 或两者结合来获得。 从l974年Grodzicker等创立限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymor- phism,RFLP)技术以来，在短短20多年，特别是近10年中，分子标记的研究十分活跃，相继 有数十种名称各异的分子标记技术问世，但却都万变不离其宗，即分子杂交技术或PCR扩 增技术：概括起来主要包括3大类：①基于DNA分子杂交的方法，主要指限制性片段长度多 态性(RFLP)。②基于多聚链式反应(polymerase chain reaction,PCR)技术的DNA扩增方 法。它又分为两类，一类是使用随机引物(arbitrary primer)进行扩增，主要指随机扩增多态 性DNA(random amplified polymorphism DNA,RAPD)技术；另一类标记是采用特定引物或引 物对扩增的标记，主要有SCAR(sequence characterized amplified region),STS(sequence tagged site),小卫星DNA(minisatellite DNA),微卫星DNA(microsatellite DNA)又称简单重复 系列(simple sequence repeat,.SSR),ISSR(inter simple sequence repeat)等。③PCR与酶切相 结合的方法，主要指AFLP(Amplified fragment length polymorphism)和CAPS(cleaved ampli- fied polymorphic sequence)两类。其中AFLP标记方法是先酶切DNA,再用特殊设计的引物 进行扩增，而CAPS是先扩增，再酶切扩增片段，检测酶切片段的长度多态性
3. 酶工程 酶工程（enzyme engineering）是利用酶的催化作用进行物质转化的技术，是将生物体内 具有特定催化作用的酶类或细胞、细胞器分离出来，在体外借助于工业手段和生物反应器进 行催化反应来生产某种产品的工程技术。它既包括利用人工酶催化方法，对药用植物中的 药效成分进行修饰，以提高药物品质；也包括利用人工酶催化方法改进中草药制剂过程，如 降解淀粉、蛋白、果胶等杂质，分解植物组织，提高药液制剂的澄清度，降低提取难度等。 酶工程主要包括各类自然酶的生产开发技术，酶的分离、纯化和鉴定技术，酶的固定化 技术，酶分子改造技术，固定化酶反应器的研制技术，酶的应用技术等。 4. 基因工程 基因工程（genetic engineering）是首先克隆或人工合成目的基因，再按照预先的设计，将 目的基因和载体重组在一起，以一定的方式导入生物体内，让受体生物的遗传性状发生预期 的改变，或者让受体生物产生目的基因编码的蛋白质等，这种操作类似于工程学上的一些做 法，故称为基因工程。因此基因工程中的核心内容是转基因技术（transgenic technology），亦 即将人工合成或分离到的某些外源基因，通过微生物（细菌、病毒等）介导、显微注射或基因 枪轰击（金或钨微粒）等途径导入到宿主生物体（如动物、植物和微生物）内的技术。这些转 入的外源基因能够整合到转基因生物体的染色体中，并能稳定地遗传给下一代，生产出特定 基因编码的蛋白质或其他具有生物活性的物质，从而改变宿主生物的某些性能或特征。因 此，转基因生物体是指利用基因工程技术获得的生物体，在媒体上常被称为“遗传修饰过的 生物体”（genetically modified organism，GMO）。 基因工程包括：外源目的基因的克隆或人工合成、植物基因转化载体系统的构建、目的 基因的遗传转化系统的建立、外源基因的检测以及品种培育等技术。 5. 分子标记技术 分子标记（molecular marker）或称 DNA 分子标记（DNA molecular marker），是指电泳后 能以一定的方法检测到的可以反映基因组某种变异特征的 DNA 片段，是建立在 DNA 的多 态性基础之上的可识别的等位基因。这种 DNA 片段可以通过限制性内切酶切割、PCR 扩增 或两者结合来获得。 从 1974 年 Grodzicker 等创立限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）技术以来，在短短 20 多年，特别是近 10 年中，分子标记的研究十分活跃，相继 有数十种名称各异的分子标记技术问世，但却都万变不离其宗，即分子杂交技术或 PCR 扩 增技术；概括起来主要包括 3 大类：①基于 DNA 分子杂交的方法，主要指限制性片段长度多 态性（RFLP）。②基于多聚链式反应（polymerase chain reaction，PCR）技术的 DNA 扩增方 法。它又分为两类，一类是使用随机引物（arbitrary primer）进行扩增，主要指随机扩增多态 性 DNA（random amplified polymorphism DNA，RAPD）技术；另一类标记是采用特定引物或引 物对扩 增 的 标 记，主 要 有 SCAR（sequence characterized amplified region），STS（sequence tagged site），小卫星 DNA（minisatellite DNA），微卫星 DNA（microsatellite DNA）又称简单重复 系列（simple sequence repeat，SSR），ISSR（inter simple sequence repeat）等。③PCR 与酶切相 结合的方法，主要指 AFLP（Amplified fragment length polymorphism）和 CAPS（cleaved amplified polymorphic sequence）两类。其中 AFLP 标记方法是先酶切 DNA，再用特殊设计的引物 进行扩增，而 CAPS 是先扩增，再酶切扩增片段，检测酶切片段的长度多态性。 ·6· 中草药生物技术
第一章中草药生物技术概论 。7。 第二节中草药生物技术的研究内容 尽管天然药物来源途径甚多，但药用植物在天然药物开发中却占有十分重要的地位，甚 至有人预测今后天然药物将主要来源于药用植物。据估计全球有40万~50万种植物，但 仅对极少部分进行过化学成分及其活性测试研究。我国是植物资源最丰富的国家之一，迄 今已发现3万多种高等植物，其数量仅次于巴西和哥伦比亚，居世界第3位。在我国丰富的 高等植物资源中，50%以上是我国特有品种，现己发现11000多种药用植物，其种类和数量 之大均居世界首位，这为我们研制新的天然药物奠定了良好的资源基础，同时也为中草药生 物技术的发展和应用提供了丰富的研究内容。 一、细胞工程的研究内容 药用植物细胞工程研究涉及的主要内容如下。 (1)植物的大规模培养利用植物组织培养技术将植物的分生组织进行离体培养，建 立无性繁殖系并诱导分化为植株，此方法为一些珍稀濒危中草药的保存、繁殖和纯化提供了 一条有效途径。利用大规模培养技术来进行中草药繁殖则是另一重要研究内容。目前已经 有利用兰花、百合、石菖蒲、马铃薯等的茎、芽、球茎、微小块茎等达到了1000L大规模培养 试验的成功报道：从生物反应器中培养青蒿小植物生产萜类化合物也取得可喜结果，因而这 方面的研究前景光明。 (2)代谢产物的发酵生产代谢产物的发酵生产即利用细胞培养技术进行药用植物的 生产。虽然这种研究已有多年历史，但至今只有人参、紫草达到了工业化生产的规模。这种 方法不受地域、气候条件的影响，并且生产周期短。但由于增殖率不够高，产物不稳定，其含 量常常低于原植物水平导致成本高而不能与栽培相竞争。因此，多年来的研究方法一直集 中在提高培养物的增殖速度和保持产物的稳定和高产上。中科院植物所的科研人员在新疆 紫草的细胞培养中获得了成功，使紫草中的主要成分乙酰紫草素的含量提高4.7倍，为保护 天然紫草资源提供了重要途径。可见利用细胞培养生产药物活性成分为生产药用价值高、 资源短缺的药材提供了新途径。目前我国科学工作者己经建立了三七、人参、西洋参、三尖 杉、紫草、洋地黄、长春花、丹参、红豆杉等十几种药用植物的液体培养系统，经过对培养基和 培养条件的操作已使其中的有效成分达到或超过原植株。在此基础上，开展了长春花、三 七、三分三、紫草、红豆杉等大规模培养探索。中国药科大学组培室进行了人参的10L体积 的大规模培养，并对培养细胞进行化学成分（包括皂苷、氨基酸）和药理活性（急慢毒性、抗 疲劳、抗高温、吞噬功能等)比较分析，结果与种植人参无明显差异，目前已作为美容保健品 投放市场：从紫草培养细胞所获得的有效成分紫草宁已经商品化。目前国内外正在尝试利 用红豆杉细胞培养技术来生产昂贵的抗癌药物紫杉醇。 (3)转化器官的扩增研究发根(hairy root)是整体植株或植株的某一器官、组织（包括 愈伤组织)、单个细胞甚至原生质体受发根农杆菌(Agrobacterium rhizogenes).的感染所产生 的一种病理现象（形成多分枝的，迅速生长的不定根），它起源于单个细胞。由于毛状根具 有培养时生长迅速，且不需添加外源激素，拥有亲本植株特征的次生代谢途径，遗传的稳定 性，起源于单细胞，处于分化状态等特点，尤其是它的稳定性和生长迅速是植株次生代谢物
第二节 中草药生物技术的研究内容 尽管天然药物来源途径甚多，但药用植物在天然药物开发中却占有十分重要的地位，甚 至有人预测今后天然药物将主要来源于药用植物。据估计全球有 40 万 ～ 50 万种植物，但 仅对极少部分进行过化学成分及其活性测试研究。我国是植物资源最丰富的国家之一，迄 今已发现 3 万多种高等植物，其数量仅次于巴西和哥伦比亚，居世界第 3 位。在我国丰富的 高等植物资源中，50% 以上是我国特有品种，现已发现 11 000 多种药用植物，其种类和数量 之大均居世界首位，这为我们研制新的天然药物奠定了良好的资源基础，同时也为中草药生 物技术的发展和应用提供了丰富的研究内容。 一、细胞工程的研究内容 药用植物细胞工程研究涉及的主要内容如下。 （1）植物的大规模培养 利用植物组织培养技术将植物的分生组织进行离体培养，建 立无性繁殖系并诱导分化为植株，此方法为一些珍稀濒危中草药的保存、繁殖和纯化提供了 一条有效途径。利用大规模培养技术来进行中草药繁殖则是另一重要研究内容。目前已经 有利用兰花、百合、石菖蒲、马铃薯等的茎、芽、球茎、微小块茎等达到了 1 000 L 大规模培养 试验的成功报道；从生物反应器中培养青蒿小植物生产萜类化合物也取得可喜结果，因而这 方面的研究前景光明。 （2）代谢产物的发酵生产 代谢产物的发酵生产即利用细胞培养技术进行药用植物的 生产。虽然这种研究已有多年历史，但至今只有人参、紫草达到了工业化生产的规模。这种 方法不受地域、气候条件的影响，并且生产周期短。但由于增殖率不够高，产物不稳定，其含 量常常低于原植物水平导致成本高而不能与栽培相竞争。因此，多年来的研究方法一直集 中在提高培养物的增殖速度和保持产物的稳定和高产上。中科院植物所的科研人员在新疆 紫草的细胞培养中获得了成功，使紫草中的主要成分乙酰紫草素的含量提高 4. 7 倍，为保护 天然紫草资源提供了重要途径。可见利用细胞培养生产药物活性成分为生产药用价值高、 资源短缺的药材提供了新途径。目前我国科学工作者已经建立了三七、人参、西洋参、三尖 杉、紫草、洋地黄、长春花、丹参、红豆杉等十几种药用植物的液体培养系统，经过对培养基和 培养条件的操作已使其中的有效成分达到或超过原植株。在此基础上，开展了长春花、三 七、三分三、紫草、红豆杉等大规模培养探索。中国药科大学组培室进行了人参的 10 L 体积 的大规模培养，并对培养细胞进行化学成分（包括皂苷、氨基酸）和药理活性（急慢毒性、抗 疲劳、抗高温、吞噬功能等）比较分析，结果与种植人参无明显差异，目前已作为美容保健品 投放市场；从紫草培养细胞所获得的有效成分紫草宁已经商品化。目前国内外正在尝试利 用红豆杉细胞培养技术来生产昂贵的抗癌药物紫杉醇。 （3）转化器官的扩增研究 发根（hairy root）是整体植株或植株的某一器官、组织（包括 愈伤组织）、单个细胞甚至原生质体受发根农杆菌（Agrobacterium rhizogenes）的感染所产生 的一种病理现象（形成多分枝的，迅速生长的不定根），它起源于单个细胞。由于毛状根具 有培养时生长迅速，且不需添加外源激素，拥有亲本植株特征的次生代谢途径，遗传的稳定 性，起源于单细胞，处于分化状态等特点，尤其是它的稳定性和生长迅速是植株次生代谢物 第一章 中草药生物技术概论 ·7·
·8 中草药生物技术 工业化生产所梦寐以求的，也是细胞培养和一般器官培养所不能兼备的，因此发根培养技术 被认为是生产植物次生代谢物的一条有效途径。 有些药用植物的活性成分仅仅在叶片和茎轴中合成，利用组织培养或毛状根培养难以 产生这类活性成分，而利用冠瘿组织培养物却能达到这一目的。冠瘿组织来源于冠瘿瘤，冠 瘿瘤的产生与根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)有关。它和发根农杆菌是同属的另一 种土壤杆菌，也是植物的一种病原菌：根癌农杆菌含有T-质拉，转化后的表现型是冠瘿瘤。 用冠瘿组织作为培养系统也具有生长素自养、增殖速度快等特点，也可以做细胞悬浮培养。 毛状根和冠瘿组织培养技术为生产药物活性成分提供了一条有效途径。传统药材13 是植物的根部，因此该项技术对其生产尤为重要。目前已在长春花、烟草、紫草、人参、曼陀 罗、颠茄、丹参、黄芪、甘草和青蒿等40多种植物中建立了毛状根培养系统。经根癌农杆菌 感染形成畸形芽，也已在薄荷、颠茄等药用植物上取得成功。 (4)传统中草药植物的脱毒研究由于病毒可以传到植物的子代，药用植物的种子带 病毒是传统的栽培工艺难以解决的问题。如果采用细胞工程技术，在无菌条件下对植物的 分生组织进行离体培养可以解决这一问题。这里利用的是植物体内病毒分布不均匀的原 理，在植物体病毒含量最少的生长锥中取样，再培育出小苗，以此改善由于病毒而引起的中 药品质退化的问题。目前我国的科学工作者己经在怀地黄、甘薯、丹参、柑橘、枸杞、姜、蒜等 多种药用植物的脱病毒中获得了成功。 另外，采用细胞融合技术可得到有用的新的杂交药用植物，通过杂交株的培养，可得到 集合多种功能的中药材新品种。 二、发酵工程的研究内容 发酵工程的内容包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物功能的利用等。 发酵工程与基因工程、细胞工程、酶工程相结合，相互渗透和相互促进。通过基因重组或细 胞融合所获得的菌种，必须通过发酵生产才能实现产业化。 药用菌类植物是中药宝库中的一个重要组成部分。传统名贵中药冬虫夏草、灵芝等具 有调节免疫、抗衰老、抗氧化、抗肿瘤等多种药理作用。这些药材不仅在中草药市场上十分 昂贵，而且在保健品及功能食品的开发上备受商家及消费者的青睐。采用发酵工程技术，给 予适宜的条件培养这些菌类植物，然后从发酵产物中提取活性成分，可以达到快速、大规模 生产的目的。利用发酵技术生产药用活性成分，还可使药品生产规范化，药源质量稳定，有 利于这些药物的产品进入国际市场。目前，我国冬虫夏草、灵芝、云芝、猴头等药用真菌的发 酵产品已投入市场。 三、酶工程的研究内容 药用植物的有效成分大多是属于植物次生代谢产物。其本质是在植物中一系列酶的催 化下，经过复杂的生物化学反应产生的，因此在理论上存在在人工环境中利用多酶催化体系 生产这些药物成分的可能性。但由于涉及的酶数目常常众多，造成成本过高，不具有实际生 产价值。现实中，酶工程技术在药物生产中主要应用于现有药物，或者药物前体的修饰，如 抗生素行业中采用人工酶催化的方法对青霉素进行羟基化、氨基化等结构修饰，从而合成具 有不同抗菌谱和更好药效的抗生素
工业化生产所梦寐以求的，也是细胞培养和一般器官培养所不能兼备的，因此发根培养技术 被认为是生产植物次生代谢物的一条有效途径。 有些药用植物的活性成分仅仅在叶片和茎轴中合成，利用组织培养或毛状根培养难以 产生这类活性成分，而利用冠瘿组织培养物却能达到这一目的。冠瘿组织来源于冠瘿瘤，冠 瘿瘤的产生与根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）有关。它和发根农杆菌是同属的另一 种土壤杆菌，也是植物的一种病原菌；根癌农杆菌含有 Ti-质拉，转化后的表现型是冠瘿瘤。 用冠瘿组织作为培养系统也具有生长素自养、增殖速度快等特点，也可以做细胞悬浮培养。 毛状根和冠瘿组织培养技术为生产药物活性成分提供了一条有效途径。传统药材 1 /3 是植物的根部，因此该项技术对其生产尤为重要。目前已在长春花、烟草、紫草、人参、曼陀 罗、颠茄、丹参、黄芪、甘草和青蒿等 40 多种植物中建立了毛状根培养系统。经根癌农杆菌 感染形成畸形芽，也已在薄荷、颠茄等药用植物上取得成功。 （4）传统中草药植物的脱毒研究 由于病毒可以传到植物的子代，药用植物的种子带 病毒是传统的栽培工艺难以解决的问题。如果采用细胞工程技术，在无菌条件下对植物的 分生组织进行离体培养可以解决这一问题。这里利用的是植物体内病毒分布不均匀的原 理，在植物体病毒含量最少的生长锥中取样，再培育出小苗，以此改善由于病毒而引起的中 药品质退化的问题。目前我国的科学工作者已经在怀地黄、甘薯、丹参、柑橘、枸杞、姜、蒜等 多种药用植物的脱病毒中获得了成功。 另外，采用细胞融合技术可得到有用的新的杂交药用植物，通过杂交株的培养，可得到 集合多种功能的中药材新品种。 二、发酵工程的研究内容 发酵工程的内容包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物功能的利用等。 发酵工程与基因工程、细胞工程、酶工程相结合，相互渗透和相互促进。通过基因重组或细 胞融合所获得的菌种，必须通过发酵生产才能实现产业化。 药用菌类植物是中药宝库中的一个重要组成部分。传统名贵中药冬虫夏草、灵芝等具 有调节免疫、抗衰老、抗氧化、抗肿瘤等多种药理作用。这些药材不仅在中草药市场上十分 昂贵，而且在保健品及功能食品的开发上备受商家及消费者的青睐。采用发酵工程技术，给 予适宜的条件培养这些菌类植物，然后从发酵产物中提取活性成分，可以达到快速、大规模 生产的目的。利用发酵技术生产药用活性成分，还可使药品生产规范化，药源质量稳定，有 利于这些药物的产品进入国际市场。目前，我国冬虫夏草、灵芝、云芝、猴头等药用真菌的发 酵产品已投入市场。 三、酶工程的研究内容 药用植物的有效成分大多是属于植物次生代谢产物。其本质是在植物中一系列酶的催 化下，经过复杂的生物化学反应产生的，因此在理论上存在在人工环境中利用多酶催化体系 生产这些药物成分的可能性。但由于涉及的酶数目常常众多，造成成本过高，不具有实际生 产价值。现实中，酶工程技术在药物生产中主要应用于现有药物，或者药物前体的修饰，如 抗生素行业中采用人工酶催化的方法对青霉素进行羟基化、氨基化等结构修饰，从而合成具 有不同抗菌谱和更好药效的抗生素。 ·8· 中草药生物技术