生物技术在传统药材中的应用前景
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2006年2月24日
[摘要] 由于野生药材资源日渐枯竭,人工栽培品种品质不稳定,生物技术的兴起对传统药材的生产展示了广泛的应用前景。本文主要论述了植物细胞和组织培养、毛状根培养和药用植物基因工程研究的成果和存在的问题,为进一步深入研究解决这些问题指明了方向。
[关键词] 中草药；生物技术
[中图分类号] R282.7 [文献标识码] A [文章编号] 1671-2838(2002)01-0001-03
传统药材的应用在我国已有数千年的历史,其中约80%为野生资源。由于长期过度采伐,资源日渐萎缩。人工栽培又面临品质退化、种子带病与农药残留等问题,而且药用植物在不同生态环境中生长,其活性物质的组成与含量也有差异。所谓道地药材又缺乏科学的检测方法与质量标准。目前常用传统药材约400种,其中年短缺量占20%左右。中药现代化已引起世人广泛的重视,但这是一项非常复杂、庞大与艰巨的任务,需经几代人的不懈努力才能逐步实现。传统药材的资源与品质是中药现代化中必须解决的重大课题之一。众所周知,分子生物学与近代生物技术的出现与发展,对生命科学、现代农业、医药与环境等相关科学技术领域产生了深远的影响。应用近代生物技术研究传统药材虽尚十分局限,但已显示出诱人的前景。它将为解决传统药材的资源与品质提供崭新的途径。本文仅就与传统药材生产密切相关的几项内容进行探讨。
, 百拇医药
1 植物组织和细胞培养
1.1 历史与现状 我国传统药材中88%为植物药。而植物细胞具有全能性,即单个细胞在适宜的环境下可分化发育成植株,并具有整株植物所具有的合成化合物的能力。这为通过植物组织和细胞培养来获得其药用活性成分提供了新的途径。自P.R.White和R.J.Gautheret1939年在实验室建立植物细胞和器官培养技术以来,经过科学家们的努力,目前这项技术已发展成一门精细的实验技术。在选材消毒、接种培养、诱导筛选、继代保存、分离鉴定等方面建立了一整套完整的技术方法。
我国最早从事植物组织培养研究的先驱可追溯到上世纪60年代进行人参组织培养的中国科学院上海植物生理研究所罗士韦研究员。半个多世纪以来,据不完全统计,目前已有400多种植物建立了组织和细胞培养体系,并从中分离出600多种代谢产物,其中代表性的研究成果如:中国科学院植物研究所的紫草细胞大规模培养,华中理工大学的红豆杉细胞大规模培养,上海中医药大学的黄芪毛状根大规模培养等。
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1.2 优点与问题
1.2.1 与传统生产方式相比较 应用生物技术进行传统药材生产有以下几个优点:(1)药材(或活性成分)的生产可以在人为控制条件下进行,不受季节、气候条件与土壤环境等因素的制约,可排除病虫害的侵袭与农药残留量的困扰,可严格控制药材质量。(2)可进行特定的生物转化反应,生产人们需要的活性成分。(3)通过对活性成分生物合成路线进行遗传操纵,提高目的产物的产量。(4)通过加入或删除基因而改变其遗传特性,达到大幅度提升产量或合成新的活性产物。
1.2.2 植物组织和细胞培养实施工业化生产所遇到的问题 利用植物组织和细胞培养工业化生产传统药材或活性成分的品种目前尚不多,其中紫草是佼佼者。其原因:
(1)利用植物组织和细胞培养生产药用植物的生产成本大大高于采集野生植物或种植的生产方式。因此,国内不少研究单位将注意力集中在资源稀少、而且活性成分价格昂贵的品种上不是没有道理的。因为只有在生产成本≤野生资源时,才有生产的实际意义,因此人们正在从事各种研究和探索,以求逐步解决这一矛盾。
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(2)植物组织和细胞培养与微生物发酵相比,生长速度慢、活性产物产量低。一般利用链霉菌发酵生产抗生素的发酵周期为72~96h,其最终产物高的可达8000mgL。而植物组织或细胞培养的周期在18d以上,如日本三井石油化学工业公司利用紫草细胞大规模培养生产紫草宁,最终浓度达到1400mgL。这样高的浓度在植物细胞培养中实属罕见,这是它之所以能实施工业化生产的基础。
(3)适合植物组织与细胞培养的生物反应器尚有待研究解决。这里需要指出的是:问题的关键不是受制造生物反应器工程技术的制约,而是人们对植物组织与细胞在离体培养条件下的生长与发育的规律了解甚少,在设计生物反应器时理论依据不多。如当植物细胞在反应器中浓度较高时,培养液呈非牛顿流体,如何解决充分混合与均一供氧,如何克服剪切力对培养细胞造成的伤害等一系列设计基础理论研究课题。
(4)对植物次生代谢产物生物合成途径及所参与反应的各种酶的了解不多,有的传统药材甚至连有效成分的化学结构尚未明确,因此,对次生代谢的调控存在着很大的盲目性。问题还可以举出很多,这些都是制约植物组织与细胞培养进行大规模工业化生产的拦路虎。, 百拇医药
[关键词] 中草药；生物技术
[中图分类号] R282.7 [文献标识码] A [文章编号] 1671-2838(2002)01-0001-03
传统药材的应用在我国已有数千年的历史,其中约80%为野生资源。由于长期过度采伐,资源日渐萎缩。人工栽培又面临品质退化、种子带病与农药残留等问题,而且药用植物在不同生态环境中生长,其活性物质的组成与含量也有差异。所谓道地药材又缺乏科学的检测方法与质量标准。目前常用传统药材约400种,其中年短缺量占20%左右。中药现代化已引起世人广泛的重视,但这是一项非常复杂、庞大与艰巨的任务,需经几代人的不懈努力才能逐步实现。传统药材的资源与品质是中药现代化中必须解决的重大课题之一。众所周知,分子生物学与近代生物技术的出现与发展,对生命科学、现代农业、医药与环境等相关科学技术领域产生了深远的影响。应用近代生物技术研究传统药材虽尚十分局限,但已显示出诱人的前景。它将为解决传统药材的资源与品质提供崭新的途径。本文仅就与传统药材生产密切相关的几项内容进行探讨。
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1 植物组织和细胞培养
1.1 历史与现状 我国传统药材中88%为植物药。而植物细胞具有全能性,即单个细胞在适宜的环境下可分化发育成植株,并具有整株植物所具有的合成化合物的能力。这为通过植物组织和细胞培养来获得其药用活性成分提供了新的途径。自P.R.White和R.J.Gautheret1939年在实验室建立植物细胞和器官培养技术以来,经过科学家们的努力,目前这项技术已发展成一门精细的实验技术。在选材消毒、接种培养、诱导筛选、继代保存、分离鉴定等方面建立了一整套完整的技术方法。
我国最早从事植物组织培养研究的先驱可追溯到上世纪60年代进行人参组织培养的中国科学院上海植物生理研究所罗士韦研究员。半个多世纪以来,据不完全统计,目前已有400多种植物建立了组织和细胞培养体系,并从中分离出600多种代谢产物,其中代表性的研究成果如:中国科学院植物研究所的紫草细胞大规模培养,华中理工大学的红豆杉细胞大规模培养,上海中医药大学的黄芪毛状根大规模培养等。
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1.2 优点与问题
1.2.1 与传统生产方式相比较 应用生物技术进行传统药材生产有以下几个优点:(1)药材(或活性成分)的生产可以在人为控制条件下进行,不受季节、气候条件与土壤环境等因素的制约,可排除病虫害的侵袭与农药残留量的困扰,可严格控制药材质量。(2)可进行特定的生物转化反应,生产人们需要的活性成分。(3)通过对活性成分生物合成路线进行遗传操纵,提高目的产物的产量。(4)通过加入或删除基因而改变其遗传特性,达到大幅度提升产量或合成新的活性产物。
1.2.2 植物组织和细胞培养实施工业化生产所遇到的问题 利用植物组织和细胞培养工业化生产传统药材或活性成分的品种目前尚不多,其中紫草是佼佼者。其原因:
(1)利用植物组织和细胞培养生产药用植物的生产成本大大高于采集野生植物或种植的生产方式。因此,国内不少研究单位将注意力集中在资源稀少、而且活性成分价格昂贵的品种上不是没有道理的。因为只有在生产成本≤野生资源时,才有生产的实际意义,因此人们正在从事各种研究和探索,以求逐步解决这一矛盾。
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(2)植物组织和细胞培养与微生物发酵相比,生长速度慢、活性产物产量低。一般利用链霉菌发酵生产抗生素的发酵周期为72~96h,其最终产物高的可达8000mgL。而植物组织或细胞培养的周期在18d以上,如日本三井石油化学工业公司利用紫草细胞大规模培养生产紫草宁,最终浓度达到1400mgL。这样高的浓度在植物细胞培养中实属罕见,这是它之所以能实施工业化生产的基础。
(3)适合植物组织与细胞培养的生物反应器尚有待研究解决。这里需要指出的是:问题的关键不是受制造生物反应器工程技术的制约,而是人们对植物组织与细胞在离体培养条件下的生长与发育的规律了解甚少,在设计生物反应器时理论依据不多。如当植物细胞在反应器中浓度较高时,培养液呈非牛顿流体,如何解决充分混合与均一供氧,如何克服剪切力对培养细胞造成的伤害等一系列设计基础理论研究课题。
(4)对植物次生代谢产物生物合成途径及所参与反应的各种酶的了解不多,有的传统药材甚至连有效成分的化学结构尚未明确,因此,对次生代谢的调控存在着很大的盲目性。问题还可以举出很多,这些都是制约植物组织与细胞培养进行大规模工业化生产的拦路虎。, 百拇医药