·14 中草药生物技术 培养条件的优化等，通过对次生代谢产物生物合成途径的调控达到降低成本及提高次生代 谢产物产量的目的。另外，近年来利用植物悬浮培养细胞或不定根、毛状根对外源化学成分 进行生物转化的研究也在悄然兴起，并取得了一定的进展。现就药用植物的植株再生、愈伤 组织及细胞悬浮培养、中药化学成分的生物转化3个方面近年来的进展作一概述。 (1)植株再生传统植株再生是通过器官、胚或体细胞胚形成植株的，而近年来研究的 热点逐渐转移到珍稀濒危药用植物的快速繁殖与药用植物的品质改良上，其内容包括脱毒 苗的研究、多倍体植株的形成、药用植物与其寄生菌共生关系的研究等。中国医学科学院药 用植物研究所在离体条件下通过筛选促进金线莲生长的优良共生菌种，建立了金线莲与内 生真菌共生培养体系，该研究对保护金线莲的种质资源、建立新的栽培繁殖方法具有较大的 理论意义和应用价值。上海交通大学植物生物技术研究中心和复旦大学遗传工程国家重点 实验室也正在开展红豆杉细胞和相关内生真菌培养体系的研究，目前取得了一定的进展。 此外，原生质体的培养在植物品质改良中占有相当重要的位置，而对药用植物的原生质体培 养研究也有报道，如中国医学科学院药物研究所进行的人参及西洋参的原生质体培养，华中 农业大学进行的银杏原生质体培养，上海农业科学院进行的灵芝原生质体培养等。 2)愈伤组织及细胞悬浮培养在药用植物愈伤组织及细胞悬浮培养方面，人们把注 意力更多地集中在珍稀濒危及高价值药用植物的愈伤组织和细胞悬浮培养上，力图通过组 织和细胞培养来生产次生代谢产物，并从中开发新药。如全国有不少科研单位对红豆杉进 行愈伤组织及悬浮细胞培养以生产抗癌药物紫杉醇及其类似物的研究，中国科学院植物研 究所及化学治金工业研究所对雪莲花的研究，上海中医药大学对长春花的研究，四川大学对 藏红花的研究等。不仅如此，科学工作者更加重视次生代谢产物生物合成途径调控的研究， 在弄清次生代谢产物生物合成途径的基础上，加入所需次生代谢产物合成的前体物质，或者 加入诱导子、抑制剂激活生物合成途径中的关键酶或抑制支路产物的形成，从而对次生代谢 产物进行调控。复旦大学遗传工程国家重点实验室和上海交通大学植物生物技术研究中心 己克隆了紫杉醇代谢途径中的关键酶基因，并正在转化红豆杉，力图提高红豆杉中紫杉醇的 含量，目前己取得了较好进展。我国国内最近对红豆杉、水母雪莲、银杏、长春花等细胞的悬 浮培养研究也取得了可喜的成果，说明我国药用植物的细胞培养己进入一个快速发展的 时代。 植物的细胞培养自20世纪90年代以来，已经逐渐从实验室的三角瓶培养步入1000L 以上的大规模工业化培养。特别是近年来气升式生物反应器的发明与应用，使药用植物细 胞的大规模培养生产药用成分成为可能。如用喜树(Camptotheca acuminata)茎段愈伤组织 培养生产喜树碱：用山莨菪(Scopolia tangutica)细胞培养生产天仙子胺、L-莨菪碱和红古豆 碱：用紫草(Lithospermum erythrorhiyzon)细胞培养生产紫草素：用日本黄连(Coptis japonica) 细胞培养生产小檗碱：用毛花洋地黄(Digitalis lanata)细胞培养生产洋地黄苷丙和地高辛： 用红豆杉细胞培养生产紫杉醇：用长春花细胞培养生产长春碱和长春新碱：用人参属的人 参、西洋参、三七细胞培养生产人参皂苷和人参多糖：用白芷(Angelica dahurica)悬浮细胞培 养生产次生代谢物imperatorin(治疗皮肤病)：用千层塔(Lycopodium serratum)细胞培养生产 治疗老年性痴呆和改善单纯记忆障碍的石杉碱：用雷公藤(Triperygium wilfordii)细胞培养生 产治疗类风湿关节炎的雷公藤甲素：用戟叶薯蓣(Dioscorea doryophora)愈伤组织和悬浮细胞 生产避孕药物中的主要原料肾上腺皮质类固醇等
培养条件的优化等，通过对次生代谢产物生物合成途径的调控达到降低成本及提高次生代 谢产物产量的目的。另外，近年来利用植物悬浮培养细胞或不定根、毛状根对外源化学成分 进行生物转化的研究也在悄然兴起，并取得了一定的进展。现就药用植物的植株再生、愈伤 组织及细胞悬浮培养、中药化学成分的生物转化 3 个方面近年来的进展作一概述。 （1）植株再生 传统植株再生是通过器官、胚或体细胞胚形成植株的，而近年来研究的 热点逐渐转移到珍稀濒危药用植物的快速繁殖与药用植物的品质改良上，其内容包括脱毒 苗的研究、多倍体植株的形成、药用植物与其寄生菌共生关系的研究等。中国医学科学院药 用植物研究所在离体条件下通过筛选促进金线莲生长的优良共生菌种，建立了金线莲与内 生真菌共生培养体系，该研究对保护金线莲的种质资源、建立新的栽培繁殖方法具有较大的 理论意义和应用价值。上海交通大学植物生物技术研究中心和复旦大学遗传工程国家重点 实验室也正在开展红豆杉细胞和相关内生真菌培养体系的研究，目前取得了一定的进展。 此外，原生质体的培养在植物品质改良中占有相当重要的位置，而对药用植物的原生质体培 养研究也有报道，如中国医学科学院药物研究所进行的人参及西洋参的原生质体培养，华中 农业大学进行的银杏原生质体培养，上海农业科学院进行的灵芝原生质体培养等。 （2）愈伤组织及细胞悬浮培养 在药用植物愈伤组织及细胞悬浮培养方面，人们把注 意力更多地集中在珍稀濒危及高价值药用植物的愈伤组织和细胞悬浮培养上，力图通过组 织和细胞培养来生产次生代谢产物，并从中开发新药。如全国有不少科研单位对红豆杉进 行愈伤组织及悬浮细胞培养以生产抗癌药物紫杉醇及其类似物的研究，中国科学院植物研 究所及化学冶金工业研究所对雪莲花的研究，上海中医药大学对长春花的研究，四川大学对 藏红花的研究等。不仅如此，科学工作者更加重视次生代谢产物生物合成途径调控的研究， 在弄清次生代谢产物生物合成途径的基础上，加入所需次生代谢产物合成的前体物质，或者 加入诱导子、抑制剂激活生物合成途径中的关键酶或抑制支路产物的形成，从而对次生代谢 产物进行调控。复旦大学遗传工程国家重点实验室和上海交通大学植物生物技术研究中心 已克隆了紫杉醇代谢途径中的关键酶基因，并正在转化红豆杉，力图提高红豆杉中紫杉醇的 含量，目前已取得了较好进展。我国国内最近对红豆杉、水母雪莲、银杏、长春花等细胞的悬 浮培养研究也取得了可喜的成果，说明我国药用植物的细胞培养已进入一个快速发展的 时代。 植物的细胞培养自 20 世纪 90 年代以来，已经逐渐从实验室的三角瓶培养步入 1 000 L 以上的大规模工业化培养。特别是近年来气升式生物反应器的发明与应用，使药用植物细 胞的大规模培养生产药用成分成为可能。如用喜树（Camptotheca acuminata）茎段愈伤组织 培养生产喜树碱；用山莨菪（Scopolia tangutica）细胞培养生产天仙子胺、L-莨菪碱和红古豆 碱；用紫草（Lithospermum erythrorhiyzon）细胞培养生产紫草素；用日本黄连（Coptis japonica） 细胞培养生产小檗碱；用毛花洋地黄（Digitalis lanata）细胞培养生产洋地黄苷丙和地高辛； 用红豆杉细胞培养生产紫杉醇；用长春花细胞培养生产长春碱和长春新碱；用人参属的人 参、西洋参、三七细胞培养生产人参皂苷和人参多糖；用白芷（Angelica dahurica）悬浮细胞培 养生产次生代谢物 imperatorin（治疗皮肤病）；用千层塔（Lycopodium serratum）细胞培养生产 治疗老年性痴呆和改善单纯记忆障碍的石杉碱；用雷公藤（Triperygium wilfordii）细胞培养生 产治疗类风湿关节炎的雷公藤甲素；用戟叶薯蓣（Dioscorea doryophora）愈伤组织和悬浮细胞 生产避孕药物中的主要原料肾上腺皮质类固醇等。 ·14· 中草药生物技术
第一章中草药生物技术概论 ·15· 细胞培养物有效成分的含量和原植株中有效成分含量究竞有哪些差别，研究者也给予 了充分的重视，并从改善培养条件以提高有效成分含量等方面进行了许多有益的探索。研 究结果表明：以干重为基础的人参皂苷，在愈伤组织中的含量为21.1%，显著高于天然根中 的含量(4.1%)。在三七细胞的悬浮培养中，磷的起始浓度在3.75olL时，对三七细胞 生长较好。接种量对细胞量和产物量有一定程度的影响，而对细胞倍增数影响更大，如在人 参细胞悬浮培养中仅添加合适浓度的白糖可使干细胞达到35gL,人参皂苷和人参多糖可 分别达1.52gL和25.22gL,人参多糖的含量为目前报道的最高值。在用作清泻剂的药用 植物决明的愈伤组织中所含的蒽醌类，如大黄素、大黄酸、大黄甲醚的产量，比植株中要高 10倍以上。紫草中的有效成分萘醌类化合物一紫草宁及其衍生物在我国被用来治疗烧 伤、皮肤病和痔疮，并具抗肿瘤活性，对获得的高产细胞系进行悬浮培养和发酵培养后发现： 其细胞生长的最高月产达22g·干重/L,色素含量为培养物干重的17.5%。应用10L搅拌 式反应器发酵培养，月产率达9.47g·干重/L,色素含量达干重的14.26%，而通常在完整植 株中仅含1.5%左右。 (3)中药化学成分的生物转化生物转化就是利用植物悬浮培养细胞中的一些酶体系 对外源化学成分进行结构改造的一门技术，以期得到活性更好、毒性更小或价值更大的先导 化合物。由于植物体系本身固有一些特性，所以利用植物培养体系进行转化可以弥补传统 有机化学合成及微生物生物转化的不足。如南洋金花悬浮培养物对酚有糖基化作用，使酚 类药物的有效性显著增强：毛曼陀罗(Datura inoxia)的培养细胞能快速将氢醌转化为熊果 苷，使后者在作为利尿剂和泌尿器消毒剂时所用剂量减少，疗效提高。近年来国内在这方面 也有一些开创性工作，如北京大学药学院利用大黄毛状根、不定根和悬浮细胞对鬼臼毒素和 鬼臼苦素等进行了生物转化研究，获得了几个有意义的产物：利用银杏和桔梗悬浮细胞对紫 杉烷类化合物进行了生物转化研究，也获得了一些令人鼓舞的结果。 3.药用植物的发酵工程产品投入市场 从20世纪60~80年代人们研究灵芝(Ganoderma lucidum)的人工培育与应用起，药用 真菌的研究就步入了一个明显发展阶段，在此期间开发了如麦角(Claviceps purpurea(Fr.) Tul)、猴头(Hericium erinaceus)、云芝(Coriolus versicolor)、蜜环菌(Armillaria mellea)、亮菌 (Armillariella tabescens)、安络小皮伞菌(Marasmius androsaceus).等近I0种药物，并投入了市 场。这些药用真菌的生产大多数以发酵生产为主，其中对猴头的固体发酵与冬虫夏草的液 体发酵研究较多。此后的10余年仅3种真菌被正式批准药用，它们分别是虫草的发酵产品 “金水宝”与“宁心宝”等，槐耳菌(Trametes robiniophila)的固体发酵产品“槐耳菌质”及其制 剂“槐耳颗粒”，黑柄炭角菌(Xylaria nigripes)的液体发酵产品“护龄神”等。另外，我国科学 工作者也建立了三七、三分三、人参、西洋参、紫草、洋地黄、长春花、丹参、红豆杉等多种药用 高等植物的液体培养系统，通过对培养基和培养条件的优化已使有效成分达到或超过原植 株。在此基础上，对长春花、三七、三分三、人参、紫草、红豆杉等进行了大规模培养的探索， 其中红豆杉细胞大规模培养生产紫杉醇被列为“九五”攻关项目。至今已对人参悬浮细胞、 黄芪和丹参、青蒿发根培养系统进行了大规模培养并对其化学成分及药理活性进行了深入 研究，通过实验证实黄芪毛状根具有增强动物免疫功能，促进骨髓造血，抗自由基，改善记忆 和抗衰老，保护肾功能等作用，其作用的效价基本上与药用黄芪类似：其毛状根中皂苷和可 溶性多糖含量稍高于药用黄芪。对丹参毛状根的研究也证实7种丹参酮化合物不仅存在于
细胞培养物有效成分的含量和原植株中有效成分含量究竟有哪些差别，研究者也给予 了充分的重视，并从改善培养条件以提高有效成分含量等方面进行了许多有益的探索。研 究结果表明：以干重为基础的人参皂苷，在愈伤组织中的含量为 21. 1% ，显著高于天然根中 的含量（4. 1%）。在三七细胞的悬浮培养中，磷的起始浓度在 3. 75 mmol /L 时，对三七细胞 生长较好。接种量对细胞量和产物量有一定程度的影响，而对细胞倍增数影响更大，如在人 参细胞悬浮培养中仅添加合适浓度的白糖可使干细胞达到 35 g/L，人参皂苷和人参多糖可 分别达 1. 52 g/L 和 25. 22 g/L，人参多糖的含量为目前报道的最高值。在用作清泻剂的药用 植物决明的愈伤组织中所含的蒽醌类，如大黄素、大黄酸、大黄甲醚的产量，比植株中要高 10 倍以上。紫草中的有效成分萘醌类化合物———紫草宁及其衍生物在我国被用来治疗烧 伤、皮肤病和痔疮，并具抗肿瘤活性，对获得的高产细胞系进行悬浮培养和发酵培养后发现： 其细胞生长的最高月产达 22 g·干重/L，色素含量为培养物干重的 17. 5% 。应用 10 L 搅拌 式反应器发酵培养，月产率达 9. 47 g·干重/L，色素含量达干重的 14. 26% ，而通常在完整植 株中仅含 1. 5% 左右。 （3）中药化学成分的生物转化 生物转化就是利用植物悬浮培养细胞中的一些酶体系 对外源化学成分进行结构改造的一门技术，以期得到活性更好、毒性更小或价值更大的先导 化合物。由于植物体系本身固有一些特性，所以利用植物培养体系进行转化可以弥补传统 有机化学合成及微生物生物转化的不足。如南洋金花悬浮培养物对酚有糖基化作用，使酚 类药物的有效性显著增强；毛曼陀罗（Datura inoxia）的培养细胞能快速将氢醌转化为熊果 苷，使后者在作为利尿剂和泌尿器消毒剂时所用剂量减少，疗效提高。近年来国内在这方面 也有一些开创性工作，如北京大学药学院利用大黄毛状根、不定根和悬浮细胞对鬼臼毒素和 鬼臼苦素等进行了生物转化研究，获得了几个有意义的产物；利用银杏和桔梗悬浮细胞对紫 杉烷类化合物进行了生物转化研究，也获得了一些令人鼓舞的结果。 3. 药用植物的发酵工程产品投入市场 从 20 世纪 60 ～ 80 年代人们研究灵芝（Ganoderma lucidum）的人工培育与应用起，药用 真菌的研究就步入了一个明显发展阶段，在此期间开发了如麦角（Claviceps purpurea （Fr.） Tul）、猴头（Hericium erinaceus）、云芝（Coriolus versicolor）、蜜环菌（Armillaria mellea）、亮菌 （Armillariella tabescens）、安络小皮伞菌（Marasmius androsaceus）等近 10 种药物，并投入了市 场。这些药用真菌的生产大多数以发酵生产为主，其中对猴头的固体发酵与冬虫夏草的液 体发酵研究较多。此后的 10 余年仅 3 种真菌被正式批准药用，它们分别是虫草的发酵产品 “金水宝”与“宁心宝”等，槐耳菌（Trametes robiniophila）的固体发酵产品“槐耳菌质”及其制 剂“槐耳颗粒”，黑柄炭角菌（Xylaria nigripes）的液体发酵产品“护龄神”等。另外，我国科学 工作者也建立了三七、三分三、人参、西洋参、紫草、洋地黄、长春花、丹参、红豆杉等多种药用 高等植物的液体培养系统，通过对培养基和培养条件的优化已使有效成分达到或超过原植 株。在此基础上，对长春花、三七、三分三、人参、紫草、红豆杉等进行了大规模培养的探索， 其中红豆杉细胞大规模培养生产紫杉醇被列为“九五”攻关项目。至今已对人参悬浮细胞、 黄芪和丹参、青蒿发根培养系统进行了大规模培养并对其化学成分及药理活性进行了深入 研究，通过实验证实黄芪毛状根具有增强动物免疫功能，促进骨髓造血，抗自由基，改善记忆 和抗衰老，保护肾功能等作用，其作用的效价基本上与药用黄芪类似；其毛状根中皂苷和可 溶性多糖含量稍高于药用黄芪。对丹参毛状根的研究也证实 7 种丹参酮化合物不仅存在于 第一章 中草药生物技术概论 ·15·
·16· 中草药生物技术 毛状根组织中，而且约40%分泌到培养基中。另外丹参毛状根也具有形成水溶性酚酸类化 合物的能力。 在植物细胞大规模培养的研究中，人们也开始重视对培养工艺的研究，如天津大学、华 东理工大学、浙江大学所进行的两相培养法、固定化细胞培养法的研究都取得了一定的 成功。 三、药用植物酶和蛋白质工程的研究亟待加强 我国在高等植物酶和蛋白质工程的研究大多只局限在粮食作物或经济作物上，其中除 了主要粮食作物的米、麦、玉米等的蛋白质外，研究较多的还有大豆蛋白质、花生蛋白质、菜 籽蛋白质、葵花籽蛋白质等，而有关药用植物的酶和蛋白质工程的研究几乎为空白，仅有有 关栝楼毛状根培养产生天花粉蛋白的初步研究，蓖麻毒蛋白、麻风树毒蛋白(L,等.2003 年)等少数研究的报道。对直接以蛋白质为活性成分的药用植物中蛋白质或活性物质生物 合成途径中关键酶、生物转化中效应酶等的研究是很有意义和开发前景的。 四、中草药基因工程研究的热点和发展趋势 随着分子生物学的迅猛发展，药用植物的研究也步入了分子生物学时代，转基因药用植 物的研究、有效次生代谢途径关键基因的克隆及代谢工程研究、中草药分子标记的研究等， 已成为当今中草药领域的研究热点。 1.转基因药用植物 对转基因药用植株、组织或器官的研究是我国近几年中草药生物技术中比较活跃的研 究领域之一。中国医学科学院药用植物研究所分别通过发根农杆菌和根癌农杆菌诱导丹参 形成毛状根和冠瘿瘤进而再分化形成了丹参植株，通过与栽培的丹参在形态和化学成分上 的比较发现，毛状根再生的植株叶片皱缩、节间缩短、植株矮化、须根发达：而冠瘿组织再生 的植株株形高大、根系发达、产量高，丹参酮的含量高于对照，这对丹参的良种繁育、提高药 材质量具有重要意义。有报道条叶龙胆的毛状根能分化出再生苗，其根系发达，根部龙胆苦 苷的含量比对照组高，这为龙胆的育种提供了一条新途径。还有报道宁夏枸杞的幼茎能被 根癌农杆菌感染，获得的抗性愈伤组织在选择分化培养基上分化出芽点，并长出完整植株。 湖南中医学院等单位将西洋参DNA导入大豆，得到了转基因大豆，并对后代形态形状变异、 异黄酮类化合物的含量进行了分析，从中筛选出了有效成分含量较高的新材料。对转基因 药用植物器官和组织的研究较多，己有青蒿、黄芪、丹参、红豆杉、决明、大黄、栝楼等10多种 药用植物转化的器官一毛状根一的诱导成功并建立了培养系统，尤其是对青蒿、黄芪、 丹参的毛状根培养研究已经相当深入，达到了大规模培养的水平。 2.次生代谢途径关键基因的克隆及代谢工程 国内有关这方面的研究还起步不久，中国科学院植物生理生态研究所从农作物的角度 出发，从棉花中克隆出棉酚代谢途径中几个关键酶基因，目的是寻找出一些抗性基因，用于 农作物的品种改良。对于药用植物见诸报道的有红豆杉属植物中抗癌化合物紫杉醇生物合 成途径中关键酶一环化酶等基因的克隆。复旦大学和上海交通大学已克隆出银杏内酯代 谢途径中的几个关键酶基因。另外中国科学院植物研究所己克隆出青蒿素生物合成途径中 两个关键酶基因，构建了不同启动子引导的cad(肉桂醇脱氢酶基因)和FPP(法呢基焦磷
毛状根组织中，而且约 40% 分泌到培养基中。另外丹参毛状根也具有形成水溶性酚酸类化 合物的能力。 在植物细胞大规模培养的研究中，人们也开始重视对培养工艺的研究，如天津大学、华 东理工大学、浙江大学所进行的两相培养法、固定化细胞培养法的研究都取得了一定的 成功。 三、药用植物酶和蛋白质工程的研究亟待加强 我国在高等植物酶和蛋白质工程的研究大多只局限在粮食作物或经济作物上，其中除 了主要粮食作物的米、麦、玉米等的蛋白质外，研究较多的还有大豆蛋白质、花生蛋白质、菜 籽蛋白质、葵花籽蛋白质等，而有关药用植物的酶和蛋白质工程的研究几乎为空白，仅有有 关栝楼毛状根培养产生天花粉蛋白的初步研究，蓖麻毒蛋白、麻风树毒蛋白（Lin，等. 2003 年）等少数研究的报道。对直接以蛋白质为活性成分的药用植物中蛋白质或活性物质生物 合成途径中关键酶、生物转化中效应酶等的研究是很有意义和开发前景的。 四、中草药基因工程研究的热点和发展趋势 随着分子生物学的迅猛发展，药用植物的研究也步入了分子生物学时代，转基因药用植 物的研究、有效次生代谢途径关键基因的克隆及代谢工程研究、中草药分子标记的研究等， 已成为当今中草药领域的研究热点。 1. 转基因药用植物 对转基因药用植株、组织或器官的研究是我国近几年中草药生物技术中比较活跃的研 究领域之一。中国医学科学院药用植物研究所分别通过发根农杆菌和根癌农杆菌诱导丹参 形成毛状根和冠瘿瘤进而再分化形成了丹参植株，通过与栽培的丹参在形态和化学成分上 的比较发现，毛状根再生的植株叶片皱缩、节间缩短、植株矮化、须根发达；而冠瘿组织再生 的植株株形高大、根系发达、产量高，丹参酮的含量高于对照，这对丹参的良种繁育、提高药 材质量具有重要意义。有报道条叶龙胆的毛状根能分化出再生苗，其根系发达，根部龙胆苦 苷的含量比对照组高，这为龙胆的育种提供了一条新途径。还有报道宁夏枸杞的幼茎能被 根癌农杆菌感染，获得的抗性愈伤组织在选择分化培养基上分化出芽点，并长出完整植株。 湖南中医学院等单位将西洋参 DNA 导入大豆，得到了转基因大豆，并对后代形态形状变异、 异黄酮类化合物的含量进行了分析，从中筛选出了有效成分含量较高的新材料。对转基因 药用植物器官和组织的研究较多，已有青蒿、黄芪、丹参、红豆杉、决明、大黄、栝楼等 10 多种 药用植物转化的器官———毛状根———的诱导成功并建立了培养系统，尤其是对青蒿、黄芪、 丹参的毛状根培养研究已经相当深入，达到了大规模培养的水平。 2. 次生代谢途径关键基因的克隆及代谢工程 国内有关这方面的研究还起步不久，中国科学院植物生理生态研究所从农作物的角度 出发，从棉花中克隆出棉酚代谢途径中几个关键酶基因，目的是寻找出一些抗性基因，用于 农作物的品种改良。对于药用植物见诸报道的有红豆杉属植物中抗癌化合物紫杉醇生物合 成途径中关键酶———环化酶等基因的克隆。复旦大学和上海交通大学已克隆出银杏内酯代 谢途径中的几个关键酶基因。另外中国科学院植物研究所已克隆出青蒿素生物合成途径中 两个关键酶基因，构建了不同启动子引导的 cad（肉桂醇脱氢酶基因）和 FPP（法呢基焦磷 ·16· 中草药生物技术
第一章中草药生物技术概论 ·17· 酸)合成酶基因植物表达载体，通过液氮冻融法等技术建立了二元载体系统，并通过T和 Ri质粒介导的遗传转化，获得了转基因毛状根。分析证实，外源cad和f即基因已整合到青 蒿毛状根和愈伤组织的基因组中，转基因材料中青蒿素的含量显著提高。次生代谢途径关 键酶基因的克隆、能调控次生代谢途径的转录因子的克隆和研究、利用基因工程技术改造次 生代谢途径、提高有用次生代谢产物的含量等已成为中草药生物技术研究的热点之一。 3.药用植物分子标记育种 随着分子生物学和基因工程技术的发展特别是遗传图谱研究资料的积累，作物育种技 术正从传统的表型选择向基因选择的方向转变。一种全新的育种方法一基于分子连锁图 应用与育种技术相结合的分子标记辅助选择技术(marker assisted selection,MAS)应运而生。 在加强药用植物传统育种的基础上，利用RFLP、RAPD等分子遗传标记技术，构建重要药用 植物遗传连锁图，开展重要药用植物QTL(quantitative trait loci,QTL)的研究和实践，从野 生类型筛选优良目的基因，对药用植物进行遗传改良将成为今后药用植物育种的重要方向 之一。 第四节中草药生物技术的产业化与发展前景 生物技术及产业是21世纪的朝阳产业，己成为推动世界经济发展的主导力量之一，在 过去的短短20余年中，生物技术给人民生活的改善和社会的发展带来了巨大的影响，并悄 然地影响并改变着传统的工业、农业和经济的性质、结构、模式和价值取向。美国生物技术 工业组织把生物技术产业定义为：利用细胞和生物分子进行药品、农产品生产开发和环境治 理的产业。该产业技术由医药生物技术、农业生物技术和环境生物技术共同组成。过去的 生物技术注重利用生物体的生物功能和生物体本身，当今的生物技术则朝着改变、修饰、重 构生物功能的方向发展，也就是利用基因工程和细胞工程技术改造生物体本身来生产地球 上奇缺的产品。在医药领域内，生物技术的产业主要集中在生物技术药品、生物技术营养保 健品、生物技术诊断方法和试剂、应用于生物技术的设备和生物技术的信息化5个方面。从 由研究到投入市场的难易、市场收益收获丰俭、风险等角度来考察，生物技术药品均排在首 位。因此，我们在此介绍的中草药生物技术的产业化，实际上是针对医药领域内的生物技术 药品而言的。 一、中草药生物技术的产业化研究概述 1.药用植物生物技术的产业化初具雏形 生物技术在产业化过程中首先涉足的就是医药领域。目前在医药领域的一些生物工程 产品主要是对人体有独特生理活性的蛋白类物质，这些物质最初发现自人体或动物，但含量 甚微。通过DNA重组和基因表达调控可使之在微生物中高效表达，以满足需要。在所有可 利用的生物资源中，对人体有独特生理活性的物质，除来自动物和人体的蛋白、多肽类生化 分子、来自微生物的抗生素等产物外，还有来自植物的丰富多样的次生代谢产物。许多有独 特生理活性的植物天然次生产物，在植物中的含量也很低，而且利用微生物或化学方法不能 或难以合成，并且受到资源和环境条件的限制，靠采集野生资源提取很难满足需要，因此用 生物工程技术来工业化生产这些物质势在必行。植物次生代谢物细胞工程就是在这种情形
酸）合成酶基因植物表达载体，通过液氮冻融法等技术建立了二元载体系统，并通过 Ti 和 Ri 质粒介导的遗传转化，获得了转基因毛状根。分析证实，外源 cad 和 fpp 基因已整合到青 蒿毛状根和愈伤组织的基因组中，转基因材料中青蒿素的含量显著提高。次生代谢途径关 键酶基因的克隆、能调控次生代谢途径的转录因子的克隆和研究、利用基因工程技术改造次 生代谢途径、提高有用次生代谢产物的含量等已成为中草药生物技术研究的热点之一。 3. 药用植物分子标记育种 随着分子生物学和基因工程技术的发展特别是遗传图谱研究资料的积累，作物育种技 术正从传统的表型选择向基因选择的方向转变。一种全新的育种方法———基于分子连锁图 应用与育种技术相结合的分子标记辅助选择技术（marker assisted selection，MAS）应运而生。 在加强药用植物传统育种的基础上，利用 RFLP、RAPD 等分子遗传标记技术，构建重要药用 植物遗传连锁图，开展重要药用植物 QTL（quantitative trait loci，QTL）的研究和实践，从野 生类型筛选优良目的基因，对药用植物进行遗传改良将成为今后药用植物育种的重要方向 之一。 第四节 中草药生物技术的产业化与发展前景 生物技术及产业是 21 世纪的朝阳产业，已成为推动世界经济发展的主导力量之一，在 过去的短短 20 余年中，生物技术给人民生活的改善和社会的发展带来了巨大的影响，并悄 然地影响并改变着传统的工业、农业和经济的性质、结构、模式和价值取向。美国生物技术 工业组织把生物技术产业定义为：利用细胞和生物分子进行药品、农产品生产开发和环境治 理的产业。该产业技术由医药生物技术、农业生物技术和环境生物技术共同组成。过去的 生物技术注重利用生物体的生物功能和生物体本身，当今的生物技术则朝着改变、修饰、重 构生物功能的方向发展，也就是利用基因工程和细胞工程技术改造生物体本身来生产地球 上奇缺的产品。在医药领域内，生物技术的产业主要集中在生物技术药品、生物技术营养保 健品、生物技术诊断方法和试剂、应用于生物技术的设备和生物技术的信息化 5 个方面。从 由研究到投入市场的难易、市场收益收获丰俭、风险等角度来考察，生物技术药品均排在首 位。因此，我们在此介绍的中草药生物技术的产业化，实际上是针对医药领域内的生物技术 药品而言的。 一、中草药生物技术的产业化研究概述 1. 药用植物生物技术的产业化初具雏形 生物技术在产业化过程中首先涉足的就是医药领域。目前在医药领域的一些生物工程 产品主要是对人体有独特生理活性的蛋白类物质，这些物质最初发现自人体或动物，但含量 甚微。通过 DNA 重组和基因表达调控可使之在微生物中高效表达，以满足需要。在所有可 利用的生物资源中，对人体有独特生理活性的物质，除来自动物和人体的蛋白、多肽类生化 分子、来自微生物的抗生素等产物外，还有来自植物的丰富多样的次生代谢产物。许多有独 特生理活性的植物天然次生产物，在植物中的含量也很低，而且利用微生物或化学方法不能 或难以合成，并且受到资源和环境条件的限制，靠采集野生资源提取很难满足需要，因此用 生物工程技术来工业化生产这些物质势在必行。植物次生代谢物细胞工程就是在这种情形 第一章 中草药生物技术概论 ·17·
·18 中草药生物技术 下产生和发展起来的。1956年Routie等首次提出利用植物细胞培养技术生产天然产物的 专利。通过几十年的发展，植物细胞培养技术已成为一门精细的实验科学，并正在发展成为 一门新兴的科学、技术及产业体系。尤其是20世纪80年代以来，以植物天然产物生产为目 的植物细胞培养研究取得了巨大进展。1983年日本紫草(Lithospermum erythrorhizon)细胞 大规模培养的成功和紫草素工业化生产的实现，标志着植物次生代谢物细胞工程产业化的 开始，同时也进一步增强了人们对此领域研究的信心和热情。在同一时期，利用大型反应器 培养紫松果菊(Echinacea purpurea)细胞，生产具有免疫活性的多糖及培养洋地黄(Digitalis lanata Ehrh)细胞等均取得了成功。除紫草外，利用人参(Panax ginsong)根培养物生产的食 品添加剂等也已进入商业市场。利用长春花(Catharathus roseus)培养细胞生产利舍平（蛇 根碱)和阿玛碱和利用洋地黄(Digitalis purpurea)培养细胞生产地高辛等亦都进入了工业化 生产。 据不完全统计，开展过组织和细胞培养研究的药用植物己有200多种，其中以次生代谢 产物生产为目的细胞工程研究有40多种。从植物细胞培养物中提取的成分已有500多种， 其中有30多种成分的含量达到或超过原植物。另外，已从30种植物的细胞培养物中得到 了近百种新的化合物，包括27种生物碱，19种萜类，30种蒽酮类，11种苯丙烷类等。 2.医药生物技术产业化进展迅速 我国的现代生物技术研究起步于20世纪80年代，经过20余年的研究开发，生物技术 产业有了长足的发展，据统计，1986年除传统的生物技术产品（如抗生素、酒类等）外，现代 生物技术产品（如单克隆抗体诊断试剂、快繁脱毒种苗、黄单孢多糖、微生物农药）的总产值 2亿多元人民币，20余年来，我国已有一批基因工程产品上市，细胞工程育种产生了较大的 经济效益，生物农药、生物肥料迅速发展，传统产业正在得到改善，疾病诊断技术已发生巨大 变化。 在国家有关科技计划特别是“863”计划的大力支持下，我国医药生物技术的研究和开 发得到了迅速发展，逐步缩短了与先进国家的差距，开始步入国际先进行列，具备了一定的 国际竞争能力。一批基因工程药物和疫苗正在从实验室研究向产业化转化，基因工程制药 产业已初具规模：应用于诊断或导向药物的单抗和单抗衍生物的研究进展顺利，为下阶段抗 体产品的产业化奠定了基础：1999年我国作为唯一的发展中国家加入国际公共领域人类基 因组测序协作组，2000年6月如期完成了所承担的百分之一的测序任务，为我国医药生物 技术在源头上创新和参与国际竞争奠定了良好基础。自实施“863”计划，我国医药生物技 术及其产业几乎是从零起步，发展到今天已初具规模。当前我国生产的生物技术药物还主 要以仿制产品为主，己有生物制药企业200多家，其中有生产能力的60多家，产品主要是基 因工程药物和疫苗。截止2000年底，我国累计开发成功21种基因工程药物和疫苗，取得了 新药证书，其中3种是拥有自主知识产权的I类新药，即重组人a-1b干扰素(IFNa-1b)、重 组牛碱性成纤维细胞生长因子(y-bFGF)和重组链激酶(y-sk)。世界上销售额排名前10位 的基因工程药物和疫苗，我国己能生产8种。目前国内市场上国产基因工程药物和疫苗中 干扰素有8种，主要用于治疗乙肝、丙肝、病毒性角膜炎、妇科病、类风湿关节炎及疱疹等，白 细胞介素-2（癌症辅助治疗）、G-CSF(刺激产生白细胞)、GM-CSF(刺激产生白细胞和骨髓移 植)、EPO(产生红细胞)、huGH(治疗矮小病)、人胰岛素、基因乙肝疫苗、口服霍乱疫苗和痢 疾疫苗等也已开发成功，并获准上市或取得新药证书。另外有40余种药物正在进行临床试
下产生和发展起来的。1956 年 Routie 等首次提出利用植物细胞培养技术生产天然产物的 专利。通过几十年的发展，植物细胞培养技术已成为一门精细的实验科学，并正在发展成为 一门新兴的科学、技术及产业体系。尤其是 20 世纪 80 年代以来，以植物天然产物生产为目 的植物细胞培养研究取得了巨大进展。1983 年日本紫草（Lithospermum erythrorhizon）细胞 大规模培养的成功和紫草素工业化生产的实现，标志着植物次生代谢物细胞工程产业化的 开始，同时也进一步增强了人们对此领域研究的信心和热情。在同一时期，利用大型反应器 培养紫松果菊（Echinacea purpurea）细胞，生产具有免疫活性的多糖及培养洋地黄（Digitalis lanata Ehrh）细胞等均取得了成功。除紫草外，利用人参（Panax ginsong）根培养物生产的食 品添加剂等也已进入商业市场。利用长春花（Catharathus roseus）培养细胞生产利舍平（蛇 根碱）和阿玛碱和利用洋地黄（Digitalis purpurea）培养细胞生产地高辛等亦都进入了工业化 生产。 据不完全统计，开展过组织和细胞培养研究的药用植物已有 200 多种，其中以次生代谢 产物生产为目的细胞工程研究有 40 多种。从植物细胞培养物中提取的成分已有 500 多种， 其中有 30 多种成分的含量达到或超过原植物。另外，已从 30 种植物的细胞培养物中得到 了近百种新的化合物，包括 27 种生物碱，19 种萜类，30 种蒽酮类，11 种苯丙烷类等。 2. 医药生物技术产业化进展迅速 我国的现代生物技术研究起步于 20 世纪 80 年代，经过 20 余年的研究开发，生物技术 产业有了长足的发展，据统计，1986 年除传统的生物技术产品（如抗生素、酒类等）外，现代 生物技术产品（如单克隆抗体诊断试剂、快繁脱毒种苗、黄单孢多糖、微生物农药）的总产值 2 亿多元人民币，20 余年来，我国已有一批基因工程产品上市，细胞工程育种产生了较大的 经济效益，生物农药、生物肥料迅速发展，传统产业正在得到改善，疾病诊断技术已发生巨大 变化。 在国家有关科技计划特别是“863”计划的大力支持下，我国医药生物技术的研究和开 发得到了迅速发展，逐步缩短了与先进国家的差距，开始步入国际先进行列，具备了一定的 国际竞争能力。一批基因工程药物和疫苗正在从实验室研究向产业化转化，基因工程制药 产业已初具规模；应用于诊断或导向药物的单抗和单抗衍生物的研究进展顺利，为下阶段抗 体产品的产业化奠定了基础；1999 年我国作为唯一的发展中国家加入国际公共领域人类基 因组测序协作组，2000 年 6 月如期完成了所承担的百分之一的测序任务，为我国医药生物 技术在源头上创新和参与国际竞争奠定了良好基础。自实施“863”计划，我国医药生物技 术及其产业几乎是从零起步，发展到今天已初具规模。当前我国生产的生物技术药物还主 要以仿制产品为主，已有生物制药企业 200 多家，其中有生产能力的 60 多家，产品主要是基 因工程药物和疫苗。截止 2000 年底，我国累计开发成功 21 种基因工程药物和疫苗，取得了 新药证书，其中 3 种是拥有自主知识产权的 I 类新药，即重组人 α-1b 干扰素（IFNα-1b）、重 组牛碱性成纤维细胞生长因子（γ-bFGF）和重组链激酶（γ-sk）。世界上销售额排名前 10 位 的基因工程药物和疫苗，我国已能生产 8 种。目前国内市场上国产基因工程药物和疫苗中 干扰素有 8 种，主要用于治疗乙肝、丙肝、病毒性角膜炎、妇科病、类风湿关节炎及疱疹等，白 细胞介素-2（癌症辅助治疗）、G-CSF（刺激产生白细胞）、GM-CSF（刺激产生白细胞和骨髓移 植）、EPO（产生红细胞）、rhuGH（治疗矮小病）、人胰岛素、基因乙肝疫苗、口服霍乱疫苗和痢 疾疫苗等也已开发成功，并获准上市或取得新药证书。另外有 40 余种药物正在进行临床试 ·18· 中草药生物技术