第一章中草药生物技术概论 ·9 许多药用植物体内活性成分含量很低，且资源短缺，而同时其前体往往含量相对丰富， 因此在体外采用酶催化的方法将前体药物转化为目的药物，成为一个更加可行而快速的 途径。 四、基因工程的研究内容 基因工程在中草药研究和开发方面主要涉及内容如下。 (1)有关代谢途径的基因工程研究植物次生代谢产物有重要的经济价值，在药剂、食 品调味剂、日用芳香剂、杀虫剂等方面有着广泛的应用。就药物而言，在临床应用的药物中， 有很多都是植物的次生代谢产物。西方的临床药物中，大约25%是直接或间接地从植物中 提取的次生代谢物。然而植物次生代谢产物种类繁多，生物合成途径也千差万别，只有在了 解目标植物特定次生代谢途径的基础上，才能有选择地进行有效的基因操作。因此，对植物 次生代谢途径的研究是植物次生代谢基因工程必要的前提工作。为此，次生代谢物以及次 生代谢途径的研究，一直是科研工作者感兴趣的课题之一，尤其是对次生代谢物的调节与调 控备受关注。近年研究主要集中于了解与次生代谢相关的酶类以及有关基因。 有人设想将关键酶的基因转移到细菌或真菌细胞中，并使其表达，则可直接通过培养细 菌或真菌而有效地产生次生代谢产物。这些试验将有助于了解这些酶与代谢调节的关系。 由于植物次生代谢物的合成常受多基因控制，且某些酶是结合在膜上的多酶复合物中或进 入小泡中，要实现上述设想有困难，但并非没有可能。也有的科学家是在找出形成药用植物 有效成分的“关键酶”以后，再选择合适的载体和受体的适当部位和适当发育时期予以表 达，从而获得药用成分。例如复旦大学、上海交通大学、第二军医大学同其他单位合作，将来 源于烟草的pmt(1,4-丁二胺-氮-甲基转移酶)基因和来源于莨菪(Hyoscyamus niger)的h6h (莨菪碱6-B-羟化酶)基因共转化莨菪，使转基因莨菪发根中东莨菪碱(scopolamine)含量提 高了9倍，该研究发表在“美国国家科学院院报”(PNAS)上(Zhang等，2004年)。又如目前 我国科学家正在探索提高黄芪多糖、青蒿素、紫杉醇和银杏内酯产量等基因工程研究。利用 转基因植物来生产有用活性成分，具有广阔的应用前景。 (2)有关转基因植物反应器构建的研究利用转基因植物作为生物反应器表达重组蛋 白等生产外源基因编码的产物是一个很有吸引力的廉价生产系统，它有可能代替生产成本 较高的传统发酵生产系统。近年来，作为生物反应器的转基因植物逐渐增多，研究较为成功 的植物目前主要有烟草、马铃薯、番茄、玉米、油莱、大豆、拟南芥、香蕉、番木瓜、豇豆、菠菜、 首蓿等。迄今为止，国内外己经有几十种蛋白类药物在植物中得到成功表达，据统计在植物 中表达的蛋白类药物有l6种，如脑啡肽(enkephalin)、干扰素(interferon,IFN)、白介素(in- terleukins)、血浆蛋白(plasma proteins,HSA)、水蛭素(hirudin)、表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)、红细胞生成素(erythropoietin,EPO)、生长激素(growth hormone,GH)等。 复旦大学、上海交通大学和国内其他单位合作，将鲑鱼降钙素在生菜和番茄内成功表达，利 用转基因生菜和番茄喂饲患病动物（患骨质疏松症病大鼠）以确定对骨质疏松症疗效的试 验正在进行之中。 转基因植物作为生物反应器的相关研究虽起步不久，但随着外源基因表达效率的提高 和受体植物范围的不断扩大，为在传统中药材中加入有用的新遗传特性（如增加新的代谢 产物等)，同时又不改变其疗效特性开辟了一条新途径
许多药用植物体内活性成分含量很低，且资源短缺，而同时其前体往往含量相对丰富， 因此在体外采用酶催化的方法将前体药物转化为目的药物，成为一个更加可行而快速的 途径。 四、基因工程的研究内容 基因工程在中草药研究和开发方面主要涉及内容如下。 （1）有关代谢途径的基因工程研究 植物次生代谢产物有重要的经济价值，在药剂、食 品调味剂、日用芳香剂、杀虫剂等方面有着广泛的应用。就药物而言，在临床应用的药物中， 有很多都是植物的次生代谢产物。西方的临床药物中，大约 25% 是直接或间接地从植物中 提取的次生代谢物。然而植物次生代谢产物种类繁多，生物合成途径也千差万别，只有在了 解目标植物特定次生代谢途径的基础上，才能有选择地进行有效的基因操作。因此，对植物 次生代谢途径的研究是植物次生代谢基因工程必要的前提工作。为此，次生代谢物以及次 生代谢途径的研究，一直是科研工作者感兴趣的课题之一，尤其是对次生代谢物的调节与调 控备受关注。近年研究主要集中于了解与次生代谢相关的酶类以及有关基因。 有人设想将关键酶的基因转移到细菌或真菌细胞中，并使其表达，则可直接通过培养细 菌或真菌而有效地产生次生代谢产物。这些试验将有助于了解这些酶与代谢调节的关系。 由于植物次生代谢物的合成常受多基因控制，且某些酶是结合在膜上的多酶复合物中或进 入小泡中，要实现上述设想有困难，但并非没有可能。也有的科学家是在找出形成药用植物 有效成分的“关键酶”以后，再选择合适的载体和受体的适当部位和适当发育时期予以表 达，从而获得药用成分。例如复旦大学、上海交通大学、第二军医大学同其他单位合作，将来 源于烟草的 pmt（1，4-丁二胺-氮-甲基转移酶）基因和来源于莨菪（Hyoscyamus niger）的 h6h （莨菪碱 6-β-羟化酶）基因共转化莨菪，使转基因莨菪发根中东莨菪碱（scopolamine）含量提 高了 9 倍，该研究发表在“美国国家科学院院报”（PNAS）上（Zhang 等，2004 年）。又如目前 我国科学家正在探索提高黄芪多糖、青蒿素、紫杉醇和银杏内酯产量等基因工程研究。利用 转基因植物来生产有用活性成分，具有广阔的应用前景。 （2）有关转基因植物反应器构建的研究 利用转基因植物作为生物反应器表达重组蛋 白等生产外源基因编码的产物是一个很有吸引力的廉价生产系统，它有可能代替生产成本 较高的传统发酵生产系统。近年来，作为生物反应器的转基因植物逐渐增多，研究较为成功 的植物目前主要有烟草、马铃薯、番茄、玉米、油菜、大豆、拟南芥、香蕉、番木瓜、豇豆、菠菜、 苜蓿等。迄今为止，国内外已经有几十种蛋白类药物在植物中得到成功表达，据统计在植物 中表达的蛋白类药物有 16 种，如脑啡肽（enkephalin）、干扰素（interferon，IFN）、白介素（interleukins）、血浆蛋白（plasma proteins，HSA）、水蛭素（hirudin）、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）、红细胞生成素（erythropoietin，EPO）、生长激素（growth hormone，GH）等。 复旦大学、上海交通大学和国内其他单位合作，将鲑鱼降钙素在生菜和番茄内成功表达，利 用转基因生菜和番茄喂饲患病动物（患骨质疏松症病大鼠）以确定对骨质疏松症疗效的试 验正在进行之中。 转基因植物作为生物反应器的相关研究虽起步不久，但随着外源基因表达效率的提高 和受体植物范围的不断扩大，为在传统中药材中加入有用的新遗传特性（如增加新的代谢 产物等），同时又不改变其疗效特性开辟了一条新途径。 第一章 中草药生物技术概论 ·9·
·10 中草药生物技术 (3)药用植物抗性基因工程的研究利用分子生物学研究方法和手段，可以定向改变 药用植物的遗传性状，培育出具有抗病、抗虫、抗逆、抗除草剂等药用植物新品种。以抗虫基 因来看，至今己克隆到的抗虫基因有很多种，根据其来源可分为3类：第1类是从细菌中分 离出来的，主要包括苏云金杆菌晶体蛋白(Bacillus thuringiensis insecticidal crystal protein,Bt- ICP)基因等：第2类是从植物中分离的，主要包括蛋白酶抑制剂(proteinase inhibitor,PI)基 因、淀粉酶抑制剂(a-amylase inhibitor,a-AI)基因、外源凝集素(lectin)基因等：第3类是从 动物中分离的，主要包括蜘蛛毒素基因、蝎毒素基因、昆虫几丁质酶基因等。我们可将这种 基因转入到药用植物中以改良药用植物的抗性。而在实际研究中这些技术的关键在于用什 么方法将外源基因导入植物基因组并得到高效表达，目前以基因枪和以农杆菌为载体将外 源基因导入植物基因组的方法较为成熟。 五、分子标记技术的研究内容 生药鉴定研究的关键是要找到具有物种特异性的遗传标记(genetic marker),这种遗传 标记主要有形态、组织细胞、化学成分、蛋白质、核型、血清学、同工酶等特征。然而有些特征 为生物体的遗传性和环境因素共同作用的结果，它们受到遗传因素影响的同时，还与生物体 的发育阶段及环境条件对生物体的作用有着密切关系。如同种植物由于生长在不同日照条 件下，即生长的生态环境不同，往往在形态上甚至组织细胞水平上都有显著差异，其化学成 分也受生长地的土壤、气候等因素的影响。DNA分子作为遗传信息的直接载体，不受外界 因素和生物体发育阶段及器官组织差异的影响，每一个体的任何一个体细胞均含有相同的 遗传信息。因此，用DNA分子特征作为遗传标记，即DNA分子标记(DNA molecular mark- er)或分子标记(molecular marker)进行物种鉴别更为准确可靠。 DNA分子是由G、A、C、T4种碱基构成，为双螺旋结构的长链状分子，生物体特定的遗 传信息便包含在特定的碱基排列顺序中，不同的物种其遗传性不同，这种遗传上的差异便表 现在这4种碱基排列顺序的变化之中。这些个体在同一段DNA区域的差异位点或者同一 类蛋白质的不同氨基酸就是生物的遗传多样性(genetic diversity)。比较物种间DNA分子的 遗传多样性的差异来鉴别物种就是DNA分子遗传标记鉴别(identification by DNA genetic marker)。 在分子标记中，除前述的DNA限制性片段多态(RFLP)技术和PCR方法外，DNA指 纹图谱、位点特异小卫星、位点特异微卫星、DNA扩增片段单链构象多态(PCR-SSCP)、 DNA分子克隆、DNA序列分析，进而制备特定的探针进行DNA分子杂交技术，以及新近 出现的单核苷酸多态性(SP)技术等分子生物学新技术的不断涌现，为我们从居群到科 属乃至更大的分类单元间对中药材进行准确的鉴别提供了更多的新手段。针对生物体 内DNA分子的不同区段，其遗传的保守性和变异性不同，选择适当的方法，利用DNA分 子遗传标记技术，研究DNA分子中保守性较强的区段，便可达到准确区分出道地药材与 非道地药材的目的。总之，分子标记技术已广泛地用于生物多样性的分析、种质资源的 分类演化、遗传图谱的构建、基因的分离测序、作物品种及纯度的鉴定、杂交育种等许多 方面，并显示了独到的优势。 基因工程被认为是生物技术未来发展的主导，发酵工程则是生物技术实现工业化的方式， 是结成硕果的收获阶段。随着基因工程、细胞工程、酶工程的研究成果从实验室向商业化转
（3）药用植物抗性基因工程的研究 利用分子生物学研究方法和手段，可以定向改变 药用植物的遗传性状，培育出具有抗病、抗虫、抗逆、抗除草剂等药用植物新品种。以抗虫基 因来看，至今已克隆到的抗虫基因有很多种，根据其来源可分为 3 类：第 1 类是从细菌中分 离出来的，主要包括苏云金杆菌晶体蛋白（Bacillus thuringiensis insecticidal crystal protein，BtICP）基因等；第 2 类是从植物中分离的，主要包括蛋白酶抑制剂（proteinase inhibitor，PI）基 因、淀粉酶抑制剂（α-amylase inhibitor，α-AI）基因、外源凝集素（lectin）基因等；第 3 类是从 动物中分离的，主要包括蜘蛛毒素基因、蝎毒素基因、昆虫几丁质酶基因等。我们可将这种 基因转入到药用植物中以改良药用植物的抗性。而在实际研究中这些技术的关键在于用什 么方法将外源基因导入植物基因组并得到高效表达，目前以基因枪和以农杆菌为载体将外 源基因导入植物基因组的方法较为成熟。 五、分子标记技术的研究内容 生药鉴定研究的关键是要找到具有物种特异性的遗传标记（genetic marker），这种遗传 标记主要有形态、组织细胞、化学成分、蛋白质、核型、血清学、同工酶等特征。然而有些特征 为生物体的遗传性和环境因素共同作用的结果，它们受到遗传因素影响的同时，还与生物体 的发育阶段及环境条件对生物体的作用有着密切关系。如同种植物由于生长在不同日照条 件下，即生长的生态环境不同，往往在形态上甚至组织细胞水平上都有显著差异，其化学成 分也受生长地的土壤、气候等因素的影响。DNA 分子作为遗传信息的直接载体，不受外界 因素和生物体发育阶段及器官组织差异的影响，每一个体的任何一个体细胞均含有相同的 遗传信息。因此，用 DNA 分子特征作为遗传标记，即 DNA 分子标记（DNA molecular marker）或分子标记（molecular marker）进行物种鉴别更为准确可靠。 DNA 分子是由 G、A、C、T 4 种碱基构成，为双螺旋结构的长链状分子，生物体特定的遗 传信息便包含在特定的碱基排列顺序中，不同的物种其遗传性不同，这种遗传上的差异便表 现在这 4 种碱基排列顺序的变化之中。这些个体在同一段 DNA 区域的差异位点或者同一 类蛋白质的不同氨基酸就是生物的遗传多样性（genetic diversity）。比较物种间 DNA 分子的 遗传多样性的差异来鉴别物种就是 DNA 分子遗传标记鉴别（identification by DNA genetic marker）。 在分子标记中，除前述的 DNA 限制性片段多态（RFLP）技术和 PCR 方法外，DNA 指 纹图谱、位点特异小卫星、位点特异微卫星、DNA 扩增片段单链构象多态（PCR-SSCP）、 DNA 分子克隆、DNA 序列分析，进而制备特定的探针进行 DNA 分子杂交技术，以及新近 出现的单核苷酸多态性（SNP）技术等分子生物学新技术的不断涌现，为我们从居群到科 属乃至更大的分类单元间对中药材进行准确的鉴别提供了更多的新手段。针对生物体 内 DNA 分子的不同区段，其遗传的保守性和变异性不同，选择适当的方法，利用 DNA 分 子遗传标记技术，研究 DNA 分子中保守性较强的区段，便可达到准确区分出道地药材与 非道地药材的目的。总之，分子标记技术已广泛地用于生物多样性的分析、种质资源的 分类演化、遗传图谱的构建、基因的分离测序、作物品种及纯度的鉴定、杂交育种等许多 方面，并显示了独到的优势。 基因工程被认为是生物技术未来发展的主导，发酵工程则是生物技术实现工业化的方式， 是结成硕果的收获阶段。随着基因工程、细胞工程、酶工程的研究成果从实验室向商业化转 ·10· 中草药生物技术
第一章中草药生物技术概论 ·11· 移，在研究开发中，发酵制造技术的确立和生产规模的扩大将会成为越来越重要的研究内容。 第三节中草药生物技术的研究进展 我国是世界上药用资源最丰富的国家之一。早在1982年国家就制定了对全国中药资 源进行系统调查研究的计划，普查历时10年。结果表明，我国中药资源达12807种。其中 药用植物11146种，涉及383科，2309属，11146种（含亚种、变种等种下等级）：药用动物 1581种，涉及415科，861属，共计1581种：药用矿物80种。在药用植物中，藻类115种，菌 类292种，地衣类52种，苔薛类43种，蕨类456种，种子植物类10188种。近年来，随着科 学技术的发展和人们生活水平的提高，人们对中药，特别是中草药的需求量越来越大，而传 统的中草药获取方法是以采集和消耗大量的野生资源为代价的，当采集和消耗量超过自然 资源的再生能力时，必然会导致物种濒危甚至灭绝，出现药用植物资源利用的不可持续现 象。另外，自然生态环境的日益恶化，也进一步导致药用植物资源的匮乏。在已出版的《中 国植物红皮书》第1卷中，共收载了388种国产珍稀濒危野生植物，其中有药用价值的100 余种，在中国历史上就己赫赫有名的人参、天麻、黄连、黄芪、杜仲、厚朴、巴戟天、贝母、肉苁 蓉等，均位列其中。因此，运用现代生物技术，在开发利用药用植物资源的同时，开展对珍稀 濒危药用植物资源的保护研究，以保证资源的可持续性利用，造福于人类。 一、我国药用植物资源的研究现状 伴随着人类认识野生药用植物的价值，人类便开始了对其进行大量的发掘和利用。而 在这一漫长的开发利用过程中，人类忽视了对资源可持续利用的研究，出现了野生资源严重 枯竭、药材生产水平降低、中药材品质下降和传统药用植物资源的流失等现象：许多种类由 丰富转为稀少，甚至到了濒危的境地。如我国的调查证明，甘草、黄芩、远志、川贝母和冬虫 夏草等许多药材的蕴藏量在明显地减少，其减少的速度是惊人的。一些珍贵药材的野生种 几乎绝迹，温郁金、人参、当归、天麻、罗汉果、三七、杜仲等的野生种已处于濒临灭绝境地。 一个个资源衰竭的事实，呼吁着人类要注意在加强保护管理的前提下，进行合理的开发利 用，积极研究资源的再生技术，使有限的资源为人类持续利用。因此，探索、寻求药用植物资 源可持续利用的出路迫在眉睫。我国的科学工作者在这方面做了不少工作，采取了许多行 之有效的方法。主要做的工作如下。 (1)野生种变家种及引种驯化研究药用植物栽培是保护、扩大、再生药用植物资源的 最直接、有效的手段。加强人工优良品种选育与提纯复壮、杂交育种、多倍体育种以及无性 繁殖育种等技术的研究和推广，通过人工栽培来满足市场需求，可以缓解药源紧张状况。如 在过去的许多年，我国从国外引进天然药物有30多种，如西洋参、番泻叶(Cassia angustifo lia)、萝芙木(Rauwolfia vevticllata)、菊叶薯芋、甘薯西蒙1号(simon No.I)等：引种驯化成功 的有50余种，如：地黄(Rehmannia glutinosa)、玄参(Scrophularia ningpoensis Hemsl)、白术 (Atractylodes macrocephala)、白芍(Paeonia lactiflora)、茯苓(Poria cocos)、北沙参(Adenophora pereskiae-ifolia)、贝母(Fritillaria cirrhosa)、延胡索(Corydalis tuber)、天麻(Gastrodia elata)、丹 参(Salvia miltiorrhiza)、徐长卿(Cynanchum paniculatum)、龙胆(Gentiana scabra)、升麻(Cim- icifug foetida)和苍术(Atractylodes chinensis)等
移，在研究开发中，发酵制造技术的确立和生产规模的扩大将会成为越来越重要的研究内容。 第三节 中草药生物技术的研究进展 我国是世界上药用资源最丰富的国家之一。早在 1982 年国家就制定了对全国中药资 源进行系统调查研究的计划，普查历时 10 年。结果表明，我国中药资源达 12 807 种。其中 药用植物 11 146 种，涉及 383 科，2 309 属，11 146 种（含亚种、变种等种下等级）；药用动物 1 581种，涉及 415 科，861 属，共计 1 581 种；药用矿物 80 种。在药用植物中，藻类 115 种，菌 类 292 种，地衣类 52 种，苔藓类 43 种，蕨类 456 种，种子植物类 10 188 种。近年来，随着科 学技术的发展和人们生活水平的提高，人们对中药，特别是中草药的需求量越来越大，而传 统的中草药获取方法是以采集和消耗大量的野生资源为代价的，当采集和消耗量超过自然 资源的再生能力时，必然会导致物种濒危甚至灭绝，出现药用植物资源利用的不可持续现 象。另外，自然生态环境的日益恶化，也进一步导致药用植物资源的匮乏。在已出版的《中 国植物红皮书》第 1 卷中，共收载了 388 种国产珍稀濒危野生植物，其中有药用价值的 100 余种，在中国历史上就已赫赫有名的人参、天麻、黄连、黄芪、杜仲、厚朴、巴戟天、贝母、肉苁 蓉等，均位列其中。因此，运用现代生物技术，在开发利用药用植物资源的同时，开展对珍稀 濒危药用植物资源的保护研究，以保证资源的可持续性利用，造福于人类。 一、我国药用植物资源的研究现状 伴随着人类认识野生药用植物的价值，人类便开始了对其进行大量的发掘和利用。而 在这一漫长的开发利用过程中，人类忽视了对资源可持续利用的研究，出现了野生资源严重 枯竭、药材生产水平降低、中药材品质下降和传统药用植物资源的流失等现象；许多种类由 丰富转为稀少，甚至到了濒危的境地。如我国的调查证明，甘草、黄芩、远志、川贝母和冬虫 夏草等许多药材的蕴藏量在明显地减少，其减少的速度是惊人的。一些珍贵药材的野生种 几乎绝迹，温郁金、人参、当归、天麻、罗汉果、三七、杜仲等的野生种已处于濒临灭绝境地。 一个个资源衰竭的事实，呼吁着人类要注意在加强保护管理的前提下，进行合理的开发利 用，积极研究资源的再生技术，使有限的资源为人类持续利用。因此，探索、寻求药用植物资 源可持续利用的出路迫在眉睫。我国的科学工作者在这方面做了不少工作，采取了许多行 之有效的方法。主要做的工作如下。 （1）野生种变家种及引种驯化研究 药用植物栽培是保护、扩大、再生药用植物资源的 最直接、有效的手段。加强人工优良品种选育与提纯复壮、杂交育种、多倍体育种以及无性 繁殖育种等技术的研究和推广，通过人工栽培来满足市场需求，可以缓解药源紧张状况。如 在过去的许多年，我国从国外引进天然药物有 30 多种，如西洋参、番泻叶（Cassia angustifolia）、萝芙木（Rauwolfia vevticllata）、菊叶薯芋、甘薯西蒙 1 号（simon No. 1）等；引种驯化成功 的有 50 余种，如：地黄（Rehmannia glutinosa）、玄参（Scrophularia ningpoensis Hemsl）、白术 （Atractylodes macrocephala）、白芍（Paeonia lactiflora）、茯苓（Poria cocos）、北沙参（Adenophora pereskiae-ifolia）、贝母（Fritillaria cirrhosa）、延胡索（Corydalis tuber）、天麻（Gastrodia elata）、丹 参（Salvia miltiorrhiza）、徐长卿（Cynanchum paniculatum）、龙胆（Gentiana scabra）、升麻（Cimicifug foetida）和苍术（Atractylodes chinensis）等。 第一章 中草药生物技术概论 ·11·
·12 中草药生物技术 (2)寻找替代品及近缘优良物种：在药用植物资源开发利用中，对珍稀、濒危野生物种 可按照植物化学和植物分类学知识，去寻找近缘的优良物种，以扩大药源。应用有效成分为 指标，从近缘科、属中扩大药源，目前我国己进行过研究的种类有小檗属，杜鹃属、人参属、薯 蓣属、千金藤属、细辛属、鼠尾草属、葛属、术属、乌头属、黄连属、大黄属、萝芙木属、甘草属、 三尖杉属、鬼臼属、石蒜属、延胡索属、五味子属、丹参属、金银花属、莨菪类、紫草类、蒿类、柴 胡属、淫羊藿属、苦参属、山植属、厚朴类等植物。 3)利用生物技术生产有效成分，缓解药用植物资源压力对于那些活性强、含量低、 原植物资源匮乏以及化学方法难以合成的植物次生代谢产物，可以利用组织细胞培养技术 来进行大规模生产或利用转基因植物来生产。以细胞培养生产有效成分为例，迄今为止，全 世界已对近1000种植物进行过细胞培养方面的研究，生产的天然产物包括药品、香料、色 素、食品、化妆品等500多种。许多植物的细胞培养已完成实验室阶段研究，正向中试过渡， 有的已完成工厂化生产规模的实验。例如人参、紫草、洋地黄、烟草、肉桂、迷迭香(Rosmari- nus of出icinolis).等的细胞培养就进入了中试或商业生产阶段。 (4)不断发现和进一步开发药用植物新药源人们在研究如何开发利用和保护药用植 物资源的同时，也在调查和研究的实践中不断发现一些新药源，其中具有抗肿瘤和抗衰老作 用的药用植物，引起了科学工作者的极大兴趣。如无花果(Ficus carica)、黄花蒿(Artemisia anhua)、女贞(Ligustrum lucidum)、雷公藤(Tripterygium wilfordii)、茵陈(Artemisia capillar- ies)、黄芩(Scutellaria baicalensis)、茜草(Rubia cordifolia)、紫草(Lithospermum erythrorhizon)、 苦瓜(Momordica)、刺五加(Acanthopanax senticosus)、天南星(Arisaema consanguineum)、猫爪 草(Ranunculus ternatus)、东北红豆杉(Taxaceae cuspidata)、红景天(Rhodiola saera)、龙葵 (Solanum nigrum)、大叶小檗(Berberis amurensis)、苦马豆(Swainsonia salsula)、苦参(Sophora fla vescens).和蛇床子(Cnidium monnieri)等一批药用植物被发现具有抗肿瘤作用：一批富含 SOD药物的发现为人类抗衰老药物的研究提供了广阔的前景，如：刺五加(Acanthopanax sen- ticosus)、五味子(Schisandra chinensis)、龙牙惚木(Araliaeleta)、草苁蓉(Boschniakia rossica)、 川芎(Ligusticum wallichii)、当归(Angelica sinensis)、淫羊藿(Epimedium grandiflorum)、祁州 漏芦(Rhaponticum uniflorum)、马齿苋(Portulaca oleracea)、蛇床子(Cnidium monnieri)、黄芪 (Astragalus membranaceus)、老鸛草(Geranium wilfordii)和悬钩子(Rubus corchorifolius)等植物 被发现有抗衰老作用。对上述这些植物药的开发利用也已成为当前研究的热点。 二、我国药用植物资源开发利用的研究进展 迄今，为了解决药用植物的供需矛盾，人们多采用人工栽培的方法扩大药源。但在人工 栽培的药用植物中，有不少名贵药材如人参、黄连等生产周期很长，如果以常规方法育种或 育苗，需要花费很长时间。另有一些药用植物如贝母(Fritlllaria spp)、番红花(Crocus sati- $)等，因繁殖系数小、耗种量大，导致发展速度很慢且生产成本增加。还有一些药用植物， 如地黄(Rehmannia glutinosa)、太子参(Pseudostellaria heterophylla)等，则因病毒危害导致退 化，严重影响了产量和品质。于是，积极研究药用植物资源的再生技术，使有限的资源为人 类持续利用迫在眉睫。目前，利用植物次生代谢工程生产和开发药物己引进国内外科研工 作者及企业界的广泛关注。此外，应用植物组织培养生产药用植物，具有不受地区、季节与 气候限制，便于工厂化生产等优势，同时组织培养中的细胞生长速度往往比植物正常生长速
（2）寻找替代品及近缘优良物种 在药用植物资源开发利用中，对珍稀、濒危野生物种 可按照植物化学和植物分类学知识，去寻找近缘的优良物种，以扩大药源。应用有效成分为 指标，从近缘科、属中扩大药源，目前我国已进行过研究的种类有小檗属，杜鹃属、人参属、薯 蓣属、千金藤属、细辛属、鼠尾草属、葛属、术属、乌头属、黄连属、大黄属、萝芙木属、甘草属、 三尖杉属、鬼臼属、石蒜属、延胡索属、五味子属、丹参属、金银花属、莨菪类、紫草类、蒿类、柴 胡属、淫羊藿属、苦参属、山植属、厚朴类等植物。 （3）利用生物技术生产有效成分，缓解药用植物资源压力 对于那些活性强、含量低、 原植物资源匮乏以及化学方法难以合成的植物次生代谢产物，可以利用组织细胞培养技术 来进行大规模生产或利用转基因植物来生产。以细胞培养生产有效成分为例，迄今为止，全 世界已对近 1 000 种植物进行过细胞培养方面的研究，生产的天然产物包括药品、香料、色 素、食品、化妆品等 500 多种。许多植物的细胞培养已完成实验室阶段研究，正向中试过渡， 有的已完成工厂化生产规模的实验。例如人参、紫草、洋地黄、烟草、肉桂、迷迭香（Rosmarinus officinolis）等的细胞培养就进入了中试或商业生产阶段。 （4）不断发现和进一步开发药用植物新药源 人们在研究如何开发利用和保护药用植 物资源的同时，也在调查和研究的实践中不断发现一些新药源，其中具有抗肿瘤和抗衰老作 用的药用植物，引起了科学工作者的极大兴趣。如无花果（Ficus carica）、黄花蒿（Artemisia anhua）、女贞（Ligustrum lucidum）、雷公藤（Tripterygium wilfordii）、茵陈（Artemisia capillaries）、黄芩（Scutellaria baicalensis）、茜草（Rubia cordifolia）、紫草（Lithospermum erythrorhizon）、 苦瓜（Momordica）、刺五加（Acanthopanax senticosus）、天南星（Arisaema consanguineum）、猫爪 草（Ranunculus ternatus）、东北红豆杉（Taxaceae cuspidata）、红景天（Rhodiola saera）、龙葵 （Solanum nigrum）、大叶小檗（Berberis amurensis）、苦马豆（Swainsonia salsula）、苦参（Sophora flavescens）和蛇床子（Cnidium monnieri）等一批药用植物被发现具有抗肿瘤作用；一批富含 SOD 药物的发现为人类抗衰老药物的研究提供了广阔的前景，如：刺五加（Acanthopanax senticosus）、五味子（Schisandra chinensis）、龙牙!木（Araliaeleta）、草苁蓉（Boschniakia rossica）、 川芎（Ligusticum wallichii）、当归（Angelica sinensis）、淫羊藿（Epimedium grandiflorum）、祁州 漏芦（Rhaponticum uniflorum）、马齿苋（Portulaca oleracea）、蛇床子（Cnidium monnieri）、黄芪 （Astragalus membranaceus）、老鹳草（Geranium wilfordii）和悬钩子（Rubus corchorifolius）等植物 被发现有抗衰老作用。对上述这些植物药的开发利用也已成为当前研究的热点。 二、我国药用植物资源开发利用的研究进展 迄今，为了解决药用植物的供需矛盾，人们多采用人工栽培的方法扩大药源。但在人工 栽培的药用植物中，有不少名贵药材如人参、黄连等生产周期很长，如果以常规方法育种或 育苗，需要花费很长时间。另有一些药用植物如贝母（Fritlllaria spp）、番红花（Crocus sativus）等，因繁殖系数小、耗种量大，导致发展速度很慢且生产成本增加。还有一些药用植物， 如地黄（Rehmannia glutinosa）、太子参（Pseudostellaria heterophylla）等，则因病毒危害导致退 化，严重影响了产量和品质。于是，积极研究药用植物资源的再生技术，使有限的资源为人 类持续利用迫在眉睫。目前，利用植物次生代谢工程生产和开发药物已引进国内外科研工 作者及企业界的广泛关注。此外，应用植物组织培养生产药用植物，具有不受地区、季节与 气候限制，便于工厂化生产等优势，同时组织培养中的细胞生长速度往往比植物正常生长速 ·12· 中草药生物技术
第一章中草药生物技术概论 ·13· 度快，因此利用组织培养手段快速繁殖药用植物种苗，或者利用组织培养或细胞培养手段直 接生产药物便日益发展。 1.通过植物次生代谢工程开发药物 植物代谢中对植物生长和存活必需的复合物如糖类、脂肪、核酸和蛋白质等，称为初级 产物。对植物体中一些物质如类萜、酚类和生物碱等，是由糖类、脂肪和氨基酸等衍生而来， 称为次级产物。次级产物一般贮存在液泡或细胞壁中，是代谢的最终产物，除了极少数外， 大部分不再参与代谢活动。合成和利用次生代谢物质的途径构成次生代谢工程，在目前的 药用植物研究中已成为生产药物和开发新药的一条重要途径。 随着人类“重返大自然”的呼声日益高涨以及人们生活水平的提高，人们对生命质量和 健康长寿的渴望日趋强烈，而单纯依靠化学药物难以满足人们的这些追求。因此，科学工作 者便走上从植物的次生代谢产物中去寻找、开发新药之路，重新认识民间的传统草药，并力 图从野生植物中寻找高效、低毒和价廉的药物，希望用以攻克严重危害人类健康和生命的疾 病，如心血管病、癌症、艾滋病等。然而，药用植物资源的开发利用和资源的有限性，又是人 们面临的一个矛盾。长期以来，由于盲目采集致使生态环境遭到破坏，许多野生植物濒临灭 绝，人类面临着资源危机。一些特殊生态环境下的药用植物引种困难，即便是能够引种栽培 的植物，还需要占用大量的农田。在耕地面积日益减少的情况下，不可能大量种植非粮食作 物，加之人工栽培受环境因素的制约，次生产物的含量和质量有时不稳定。此外，在通常情 况下，天然植株中目的次生产物含量过低，同样会导致加工成本过高的问题。剩下的可能途 径，包括在对资源植物有效成分分析的基础上，采用化学合成的方法，但因合成工艺流程复 杂、成本高、合成过程中伴随着副产品及造成环境污染等问题又不可取，等等。生物技术的 发展和应用为获取植物次生代谢产物开辟了一条有效途径：基于植物细胞的全能性原理，借 鉴微生物发酵工业的成就和经验，可以通过高等植物细胞、器官等的规模培养，生产有用的 次生代谢产物：也可以利用分子生物学的手段对药用植物进行遗传操作，获得转基因植物或 转基因组织和器官，或者寻找到次生代谢产物生物合成途径中的关键酶基因，进而对这些次 生代谢产物的生物合成进行调控或将其转入微生物中生产所需要的次生代谢产物等：虽然 这些领域的研究并非一帆风顺，但己取得了一些令人鼓舞的进展。 我国科技工作者利用植物组织或细胞的大量培养直接生产药物的研究也取得了很大进 展：目前从各种培养物中产生的药用成分已有200余种。其中药用成分含量超过或等于原 植物的有30余种，包括人参皂苷、人参皂苷元、三七皂苷、甘草甜苷、甜叶菊苷、柴胡皂苷、薯 蓣皂苷、川芎嗪、根碱、萝芙木总碱、总异黄酮化合物、呋喃色酮、哈尔明、蒽醌、柴草宁、迷迭 香酸、胰岛素、左旋四氢巴马亭、辅酶Q。、L-谷胺酰胺、L-色氨酸、蛋白酶抑制剂（蛋白质） 等。这些药物中有的包括了许多种，例如甾醇就包括油菜甾醇、谷甾醇、豆甾醇：有的从几种 植物组织培养物中可得到同一种高含量的化合物，例如蒽醌就是从狭叶番泻(Cassia angus- tifolia)、尖叶番泻(C.senna)、掌叶大黄(Rheum palmatum)和猪殃殃(Gallum spp.)等多种 (类)药用植物中得到的。 2.药用植物组织细胞培养取得进展 我国药用植物组织细胞培养开始于20世纪60年代中期，发展于70~80年代。在此期 间的主要研究内容是药用植物的植株再生、愈伤组织培养等，此后对药用植物如人参、紫草、 红豆杉等的组织和细胞悬浮培养进行了深入研究，希望通过对高产组织或细胞系的筛选与
度快，因此利用组织培养手段快速繁殖药用植物种苗，或者利用组织培养或细胞培养手段直 接生产药物便日益发展。 1. 通过植物次生代谢工程开发药物 植物代谢中对植物生长和存活必需的复合物如糖类、脂肪、核酸和蛋白质等，称为初级 产物。对植物体中一些物质如类萜、酚类和生物碱等，是由糖类、脂肪和氨基酸等衍生而来， 称为次级产物。次级产物一般贮存在液泡或细胞壁中，是代谢的最终产物，除了极少数外， 大部分不再参与代谢活动。合成和利用次生代谢物质的途径构成次生代谢工程，在目前的 药用植物研究中已成为生产药物和开发新药的一条重要途径。 随着人类“重返大自然”的呼声日益高涨以及人们生活水平的提高，人们对生命质量和 健康长寿的渴望日趋强烈，而单纯依靠化学药物难以满足人们的这些追求。因此，科学工作 者便走上从植物的次生代谢产物中去寻找、开发新药之路，重新认识民间的传统草药，并力 图从野生植物中寻找高效、低毒和价廉的药物，希望用以攻克严重危害人类健康和生命的疾 病，如心血管病、癌症、艾滋病等。然而，药用植物资源的开发利用和资源的有限性，又是人 们面临的一个矛盾。长期以来，由于盲目采集致使生态环境遭到破坏，许多野生植物濒临灭 绝，人类面临着资源危机。一些特殊生态环境下的药用植物引种困难，即便是能够引种栽培 的植物，还需要占用大量的农田。在耕地面积日益减少的情况下，不可能大量种植非粮食作 物，加之人工栽培受环境因素的制约，次生产物的含量和质量有时不稳定。此外，在通常情 况下，天然植株中目的次生产物含量过低，同样会导致加工成本过高的问题。剩下的可能途 径，包括在对资源植物有效成分分析的基础上，采用化学合成的方法，但因合成工艺流程复 杂、成本高、合成过程中伴随着副产品及造成环境污染等问题又不可取，等等。生物技术的 发展和应用为获取植物次生代谢产物开辟了一条有效途径：基于植物细胞的全能性原理，借 鉴微生物发酵工业的成就和经验，可以通过高等植物细胞、器官等的规模培养，生产有用的 次生代谢产物；也可以利用分子生物学的手段对药用植物进行遗传操作，获得转基因植物或 转基因组织和器官，或者寻找到次生代谢产物生物合成途径中的关键酶基因，进而对这些次 生代谢产物的生物合成进行调控或将其转入微生物中生产所需要的次生代谢产物等；虽然 这些领域的研究并非一帆风顺，但已取得了一些令人鼓舞的进展。 我国科技工作者利用植物组织或细胞的大量培养直接生产药物的研究也取得了很大进 展：目前从各种培养物中产生的药用成分已有 200 余种。其中药用成分含量超过或等于原 植物的有 30 余种，包括人参皂苷、人参皂苷元、三七皂苷、甘草甜苷、甜叶菊苷、柴胡皂苷、薯 蓣皂苷、川芎嗪、根碱、萝芙木总碱、总异黄酮化合物、呋喃色酮、哈尔明、蒽醌、柴草宁、迷迭 香酸、胰岛素、左旋四氢巴马亭、辅酶 Q10、L-谷胺酰胺、L-色氨酸、蛋白酶抑制剂（蛋白质） 等。这些药物中有的包括了许多种，例如甾醇就包括油菜甾醇、谷甾醇、豆甾醇；有的从几种 植物组织培养物中可得到同一种高含量的化合物，例如蒽醌就是从狭叶番泻（Cassia angustifolia）、尖叶番泻（C. senna）、掌叶大黄（Rheum palmatum）和猪殃殃（Gallum spp.）等多种 （类）药用植物中得到的。 2. 药用植物组织细胞培养取得进展 我国药用植物组织细胞培养开始于 20 世纪 60 年代中期，发展于 70 ～ 80 年代。在此期 间的主要研究内容是药用植物的植株再生、愈伤组织培养等，此后对药用植物如人参、紫草、 红豆杉等的组织和细胞悬浮培养进行了深入研究，希望通过对高产组织或细胞系的筛选与 第一章 中草药生物技术概论 ·13·