药用植物育种研究进展.docx

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药用植物育种研究进展

药用植物育种研究进展

【摘要】　　药用植物是一类具有特殊用途的经济植物，以采集野生植物为主，育种和栽培技术薄弱，供需矛盾突出。

近几年我国育成了一批优质、高产、稳产、抗性强、适应性相对较广的药用植物新品种，为资源保护和利用、推动中药现代化奠定了基础。

该文综述了近年来我国在药用植物育种中所取得的成就，主要介绍了诱变育种、组织培养技术、选择育种、杂交育种，并对其存在的问题及发展前景作了简要分析。

【关键词】药用植物；种质资源；育种

　　药用植物是一类具有特殊用途的经济植物。

在我国，药用植物经过几千年的应用和发展，已经形成了具有悠久历史的传统中医药。

到目前为止，我国已报道并应用的药用植物有11000种［1］。

但在长期的利用过程中却忽视了对野生种质资源可持续利用的研究，致使许多种类由丰富变为稀少，甚至到了濒危的程度。

如甘草、黄芩、远志、冬虫夏草等的蕴藏量明显减少。

开展药用植物资源的可持续利用是保护野生种质资源遗传多样性、保护生态环境的唯一有效手段。

　　在药用植物资源的可持续利用研究中，种质资源中良种的优选、优育十分重要，尤其是野生亲缘植物和古老的地方种是长期自然选择和人工选择的产物，由于天然杂交、基因重组、分离、基因漂变或突变，可能蕴藏着丰富的已知或未知的有用基因，具有独特的优良性状和抗御自然灾害的特性，是进行优良个体筛选的物质基础，也是品种改良的源泉。

药用植物的育种目标既要提高入药部位的生物产量，更要提高药用成分的相对含量。

常规技术和植物生物技术的有效结合加速了药用植物新品种选育的进程，使得药用植物育种工作卓有成效。

本文从诱变育种�p倍性育种�p选择育种�p杂交育种�p组织培养几个方面讨论种质资源的搜集及整理的必要性，以及目前我国药用植物育种的研究进展，即分子标记辅助选择和空间育种在药用植物育种中应用的可行性。

　　1药用植物育种研究进展

　　药用植物的育种目标既要提高入药部位的生物产量，更要提高药用成分的相对含量。

常规技术和植物生物技术的有效结合加速了药用植物新品种选育的进程，使得药用植物育种工作卓有成效。

　　1.1诱变育种诱变育种是指利用各种物理因素、化学因素和生物因素诱导植物发生突变，根据育种目标进行选择新品种的育种技术［2］。

诱变育种突变频率高，诱发变异较易稳定，适用范围广，可有效改良作物个别单一性状，缩短育种年限的特点。

　　1.1.1离子束诱变育种离子束生物工程是利用低能重离子注入生物体、组织或细胞，使其产生生物学效应的科学。

如使染色体产生各种变异、改变细胞的跨膜电位、对细胞的膜或壁进行刻蚀加工产生可修复的微孔或洞等。

这就决定了注入离子的质、能、电联合作用的生物学效应比核辐射产生的生物学效应具有更丰富的内容和更宽广的诱变图谱。

单个离子注入技术的发展大大地克服了核辐射诱变的盲目性并降低辐射诱变的负效应，使定向诱变成为可能［3］。

　　自20世纪80年代利用离子束注入对农作物品种改良获得成功后，此项技术开始应用于药用植物育种。

甄卫军等［4］将离子束注入麻黄草种子后，对种子的生长产生了良好的生物学效应。

注入剂量4×106N+/cm2发芽率最高为76%，比对照增长43.4％，注入剂量4×106N+/cm2时，和硕蓝麻黄草种子盆栽出土率最高为42.3%，比对照增加了64%。

魏胜林等［5］对甘草干种子注入能量为25keV，注入量为600×2.6×1013～3600×2.6×1013/cm2的N+，其中1800×2.6×1013/cm2的注入量能有效提高甘草6d幼苗的主根生长和30d幼苗根冠比干重和鲜重，促进侧根发生，明显刺激6d和30d幼苗的下胚轴和主根、茎高的生长。

魏胜林等［6］对甘草干种子注入总量为4.68×1016/cm2、能量为10～25keV的N+对甘草叶片腺体数、腺体分泌多糖、叶内多糖、叶片总多糖均有刺激效应。

其中15keV的N+注入叶片腺体分泌多糖比对照提高44.1%（P<0.01），20keV的N+注入甘草叶片总多糖含量比对照提高31.8%（P<0.01）。

李晓瑾等［7］将离子束注入新采及陈年的两种甘草种子发现离子注入对不同生命活力的甘草种子产生的生物效应不同，贮藏3年以上的光果甘草种子发芽率及呼吸率均提高，而新采的乌拉尔甘草却降低。

　　此外彭镇华等以低能N+离子的不同剂量注入银杏胚部，引起酯酶同工酶和过氧化物同工酶在数量、种类和活性上的变化；注入剂量会导致酶谱的变化但不显著。

新疆大学离子束生物工程实验室对低能离子注入麻黄种子生物效应进行了初步研究表明离子注入对麻黄种子的生长起良好的生物效应。

内蒙古大学内蒙自治区离子束生物工程重点实验室通过对黄芪、沙棘和麻黄初步实验结果表明，离子束注入药用植物种子可引起明显的生物效应，具有可喜的应用前景［8］。

　　1.1.2辐射育种辐射育种是利用物理诱变因素引起染色体、基因和细胞质的变异，用以改良某些或某个特别性状，在药用植物中应用较多的主要是以γ射线和微波为辐射源。

　　射线辐射育种在药用植物中的研究应用较早，1921年Blakesles首先用X射线照射曼陀罗的种子，获得了各种形态的突变型，20世纪70年代以后Michalaski用20kR剂量的γ射线照射毛花洋地黄进行选择，获得了有效成分含量高的品系［9］。

Darimow用X射线处理罗木的种子，所得的突变体生物碱含量特别高。

Deril等用X射线照射香罗勒的种子，选育出了高产的一叶�c突变品系。

Getsadze用10-11kR的γ射线照射香罗勒的种子得到了突变体，不但具有高的精油产量，而且具有抗镰孢菌的能力。

我国的辐射育种开始于1987年，所育成的品种抗病、耐贮藏，且早熟。

四川省中药研究所用二氧化碳激光照射薏苡种子，育成四激薏78-1号新品种，具有植株矮，分蘖多，千粒重大等优点［10］。

药用植物人参、元胡等的辐射育种已经开始［11］。

　　大多数微波辐射处理是针对提高种子发芽率而开展的，利用家用微波炉即可实现，简单方便。

其作用机理为将高频辐射波转化为种子内的分子动能，激活种子内部处于休眠状态的成分从而在一定程度上解除休眠；另外微波穿透力大，使种子内部温度升高，加快细胞分裂和生长，因而有促进生长和缩短发芽历期的作用。

但是不同类型的植物种子，是否存在着一个共同范围内的最佳微波辐射量，即种子质量与辐射量的关系还需进一步实验研究［12］。

　　申志英等［13］对龙胆种子发芽率进行微波辐射方面研究。

低温沙藏的种子，用家用微波炉（150W）分别辐射15，20，25，30s，结果表明微波辐射15s发芽率提高10%～16%，可提前2～3d萌发。

申志英等［14］将春播前的射干种子搓去种皮，用家用微波炉（150W）辐射30s发芽率提高50%左右，且出芽速度快较整齐。

　　1.1.3化学诱变化学诱变是利用一些烷化剂、碱基类似物或叠氮化物等化学诱变剂，采用浸渍法、滴注法、注射法、涂抹法或熏蒸法处理植物种子、花粉、子房、合子、茎尖等部位，使后代产生遗传性的改变。

甲基磺酸乙酯（EMS）被证明是最为有效而且负面影响小的诱变剂。

与其他烷化诱变剂类似，是通过与核苷酸中的磷酸、嘌呤和嘧啶等分子直接反应来诱发突变。

EMS诱变后产生的突变频率高，且多为显性突变体，易于突变体的筛选［15］。

　　EMS诱发的突变主要通过两个步骤来完成，首先鸟嘌呤的O6位置被烷基化，成为一个带正电荷的季铵基团，从而发生两种遗传效应：

一是烷化的鸟嘌呤与胸腺嘧啶配对，代替胞嘧啶，发生转换型的突变；二是由于鸟嘌呤的N27烷基活化，糖苷键断裂造成脱嘌而后在DNA复制过程中，烷基化鸟嘌呤与胸腺嘧啶配对，导致碱基替换，即G：

C变为A：

T。

EMS化学诱变产生点突变的频率较高，而染色体畸变相对较少，可以对作物的某一种特殊性状进行改良［16］。

　　化学诱变在农作物中如玉米、水稻、大豆等种质资源创新及育种中使用比较广泛，报道较多，但在药用植物中的应用还比较少，通常将该技术与组织培养结合起来使用。

如张秀省等［17］报道利用EMS处理长春花愈伤组织发现愈伤组织发生了变异，不仅生长快，且吲哚总碱含量高。

　　1.2倍性育种根据育种目标的要求，采用染色体数加倍或染色体数减半的方法选育植物新品种的途径称为倍性育种，包括两种形式：

①利用染色体数加倍的多倍体育种；②利用染色体数减半的单倍体育种。

　　1.2.1单倍体育种单倍体只含有其双亲的一套染色体组的类型。

获得单倍体的方法有单性生殖法、体细胞染色体消失法和组织和细胞的离体培养技术等。

　　单倍体植株往往不能结实，在培养基中用秋水仙素处理使染色体加倍可以获得纯合二倍体植株，这种培养技术在育种上的应用被称为单倍体育种。

单倍体育种具有高速、高效率、基因型一次纯合等优点，因此通过花药或花粉培养获得单倍体的育种技术，已经成为一种崭新的育种手段。

Pelletier（1972）首次利用石刁柏花药进行离体培养成功获得了含有一定比例单倍体细胞的混倍体愈伤组织。

Dore（1974～1979）在Pelletier工作的基础上，利用花药离体培养技术，首次获得超雄（XY）和纯合的二倍体雌株（YY），然后用组织培养的方法，大量繁殖超雄株和两个纯系的雌株种植于田间进行杂交，选育出早熟高产的杂交组合。

利用此组合产生的杂交种子用于进行商业生产从而获得全部是早熟高产的雄性植株（XY）；Falarigna（1986）得到的全雄系杂种比标准品种增产60%～100%。

北京农业大学、西北农业大学和天津农学院等单位均对石刁柏花药培养的接种时期、诱导方法、培养基配比、控制体细胞干扰、染色体自发加倍变化及根分化等方法进行研究，也获得花药培养的单倍体植株［18］。

褚云霞等［19，20］作百合花药培养花粉植株单倍体率可达25%。

S.S.Bhatmagar以麻黄雌配子体为外植体诱导产生愈伤组织，经分化培养得到完整的单倍体植株。

　　1.2.2多倍体育种植物多倍性是植物的细胞内存在3个或3个以上染色体组。

多倍体植株的农艺性状通常有明显变化，突出表现在根、茎、叶器官上具有巨型性，往往也具有较大的花和果实，这能大幅度提高以相应部位入药的药材的产量［21］。

　　多倍体植株叶部形态有明显的变化，多倍体植株叶片的气孔大于二倍体，其保卫细胞中的叶绿体数随倍性水平的提高而增加，每视野中气孔数多倍体明显少于二倍体，这可以作为初步鉴定多倍体植株的一个依据［22］。

　　秋水仙素是一种微管解聚剂，常用于诱发植物染色体加倍。

秋水仙素与正在进行有丝分裂的细胞接触时，首先与微管蛋白异二聚体结合，从而阻断微管蛋白组装成微管并引起原有微管解聚，使细胞中与微管相关的功能受到阻碍和丧失，不能形成纺锤丝，阻碍了中期以后的细胞分裂进程。

当秋水仙素被洗掉，细胞恢复正常分裂功能后，染色体数目增加了1倍，产生染色体数加倍的核。

但各种植物和不同组织中的微管蛋白与秋水仙素结合能力不同，因此处理时要注意秋水仙素不同浓度、不同时间、不同处理及恢复期的温度等等对植物细胞产生的不同程度的影响［23］。

表1列出了近年来药用植物多倍体育种的进展情况。

表1近年来药用植物多倍体诱导的研究进展（略）

　　三倍体植株的同源染色体为三组，在进行减数分裂的后期，染色体无法完成均衡分配，整个染色体的分配过程或者说减数分裂的过程杂乱无章，无法形成正常的配子，结果，导致形成染色体数目极不均衡的配子，造成生殖细胞的高度败育，产生无籽现象。

这一特点也被用于药用植物的育种上来。

如安巍等［53］采用倍性育种的方法，成功地培育出了三倍体无籽枸杞。

　　1.3植物组织培养辅助育种技术植物组织培养是生物技术中应用较成熟，与常规的诱变育种方法相比，具有明显的优越性。

首先在组织培养条件下可以反复大批量的在培养瓶中处理植物愈伤组织、丛生芽，提高多倍体诱导成功率，其次由于组织培养技术不受节气等自然调节的影响可以大大缩短诱导时间并在短期内快速鉴定出大批量株系，繁殖大量试管苗。

　　许鸿源等［54］