略论21世纪的药用植物栽培研究
作者：高文远 肖小河 范磊 王康正 肖培根
单位：高文远(中国医学科学院中国协和医科大学药用植物研究所，北京 100094)；范磊(中国医学科学院中国协和医科大学药用植物研究所，北京 100094)；肖培根(中国医学科学院中国协和医科大学药用植物研究所，北京 100094)；肖小河(解放军第302医院药物研究中心，北京 100039)；王康正(中国中医研究院中药研究所，北京 100700)
关键词：药用植物；栽培研究；展望▲
中国中药杂志000302 摘 要：目的：探讨21世纪初药用植物栽培研究的趋势。方法：在回顾性研究的基础上，对21世纪初我国药用植物栽培的几个前沿领域进行散点透视。结果与结论：21世纪初药用植物栽培研究将从以下几个方面进行：①以获取优质药材为目标；②以获取药用植物有效成分为目的；③药用植物标记育种与药用植物品质定向调控。
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药用植物栽培是中医药事业重要组成部分。建国以来，药用植物栽培研究取得了巨大的成就，为全国中药材生产发展提供了强大的技术支持。然而近十多年来，受商品经济大潮的冲击，中药材的生产经营管理全面放开，药用植物栽培研究一直未得到应有的重视。中药材是一种特殊商品，在中药产业体系中，中药材既是原料药，又是成品药，中药材生产规范化及质量标准化是中药产业的基础和关键。可以说没有中药材GAP(Good Agricultural Practice)，就没有中成药GMP，就没有新药开发GLP(Good Laboratory Practice)和GCP(Good Clinic Practice)，就没有药市GSP(Good Supply Practice)。
当今中药现代化国际化的呼声日益高涨，已列为国家“九五”、“十五”重中之重的项目“中药现代化科技产业行动计划”最近已经启动，建立一批优质药用植物种植基地和实现中药材生产质量管理规范(GAP)是其中的重要内容之一。作为中药现代化的基础和源头的药用植物栽培现代化将面临前所未有的机遇和挑战。然而，传统药用植物栽培研究大多局限于大田试验。药用植物大田栽培一方面受“天时地利”的影响，产量质量波动大；一方面不可避免地带来农药残留污染等问题；此外尚存在着与粮农作物争地现象。当今生命科学不断取得重大突破，在现代生物技术的强大支撑和推动下，药用植物栽培研究的重心将发生重大转移。抢夺科学制高点，催生科学生长点，实现药用植物栽培现代化，将是重铸药用植物栽培事业辉煌的根本出路。本文在回顾性研究基础上，对21世纪初我国药用植物栽培的几个前沿领域进行了散点透视。
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1 以获取优质药材为目标的药用植物栽培
图1、图2分别为封闭式的强化快繁通风育苗系统简图和自动监测大规模培养系统简图。现在这一系统在国外已用于花卉及农作物的生产，我们认为该系统可用于21世纪药用植物的栽培，因为它有如下的优点：①实行封闭式栽培，通过供给二氧化碳等可以达到强化生产的目的，从而提高生产。其生产效率可以比大田栽培甚至高数10倍；②随着药材道地性的研究，可以根据特有药用植物模拟特有环境，给予特有的培养液，达到生产道地药材的目的；③封闭式栽培，可以大大减少病虫害，从而可以生产无公害中药材，有效地控制农药残留；④可以根据药用植物的需要配施不同的营养液，避免施用化肥，从而可以达到保护环境的目的；⑤节约土地，节约人力、物力，节约水资源。
图1 强化快繁通风系统简图
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图2 自动监测大规模培养系统简图
当然，这一栽培系统还可以和大田栽培系统结合起来。如采用图1的方式或大量快繁优质种苗，然后移至基地去生产。日本科研人员的实验表明，用此种方式育苗，可以大大缩短育苗时间，同时所育出的苗子质好，成活率高。因此，我们可以认为这一系统适宜于以获取优质药材为目标的药用植物栽培。
2 以获取药用植物有效成分为目标的药用植物栽培
利用转基因生物(主要是微生物)作为生物反应器生产外源基因编码的产物是基因工程技术最重要的成就，但是利用转基因植物生产药物的研究刚刚兴起，迄今尚未得到可以商品化的产品。近年来发展起来的毛发根培养和冠瘿组织培养及动植物转基因技术，把我国传统药材生物技术的研究推向更高层次，今后将受到更大的重视。随着表达效率的提高和受体植物范围的不断扩大，生物技术必定会给传统生药加入新遗传特性的研究带来新的动力；同时随着新型生物反应器的开发及高效细胞培养技术的建立与完善，天然药物生物技术成果的商品化和产业化进程将大大加快。
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90年代以来，植物的细胞培养已不再停留在三角瓶培养的实验室水平，取而代之的是以生物反应器(图3)为标志的大规模工业化培养。特别是近年来气升式生物反应器(图4，图5)的发明与应用，由于其适用于植物细胞的培养，从而使药用植物细胞的大规模培养生产次生代谢物成为了可能。如长春花细胞的培养生产生物碱、红豆杉细胞的培养生产紫杉醇，红花、紫草的细胞培养生产色素等。
图3 植物细胞生物反应器
1.1～1.10.带气泡通气装置的搅拌罐反应器
1.1.平板叶轮式反应器
1.2.具旋转喷淋装置的闸门桨式反应器
1.3.升池推进式反应器
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1.4.大桨式反应器
1.5.平行桨叶式反应器
1.6.螺旋搅拌式反应器
1.7.振动混合式反应器
1.8.船舶螺旋桨式反应器
1.9.锚状推进式反应器
1.10.中空桨式反应器
2.1～2.3.带无气泡通气装置的搅拌罐反应器
2.1.螺旋带状推进式反应器,具表面隔板和表面供气装置
2.2.薄膜搅拌式反应器
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2.3.具环绕薄膜通气管的平板叶轮式反应器
3.1～3.2.旋转式鼓形反应器
3.1.具表面隔板和供气装置的旋转式鼓形反应器
3.2.具气泡供气装置的旋转式鼓形反应器
4.1～4.5.柱形反应器
4.1.带轴向推进器的内置环升气式反应器
4.2.气泡柱形反应器
4.3.内置环升气式反应器，通气可进入环带部分
4.4.内置环升气式反应器，通气可进入通气管
4.5.外置环升气式反应器
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5.1～5.4.灌注式反应器
5.1.过滤式搅拌罐反应器
5.2.具积柱的搅拌式反应器
5.3.自旋过滤式反应器
5.4.过滤气泡柱形反应器
图4 升气式柱形生物反应器流程图
a.空气压缩机 b.空气干燥冷却器 c.气体流量表 d.薄膜过滤器 e.玻璃气体喷淋装置 f.进样装置 g.培养基更换装置 h.致冷装置
图5 升气式球形生物反应器流程图
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a.空气压缩机 b.空气干燥冷却器 c.气体流量表 d.薄膜过滤器 e.玻璃气体喷淋装置 f.进样装置 g.培养基更换装置 h.致冷装置
由于某些成分只有在植物的特有器官合成，因此对某些药用植物来说器官培养更有意义，可以获得更多的次生有效成分。如目前韩国和日本在人参和柴胡不定根的培养方面已达到了工业化生产的水平。特别是韩国森林研究所在山参的不定根培养方面已取得重大突破，并已和制药公司合作生产。
3 药用植物分子标记育种与药用植物品质定向调控
遗传图谱是作物资源、育种及分子克隆的理论基础和依据。随着分子生物学和基因工程技术的发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直接选择的方向转变。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早代(第三代之前)回交QTL法应运而生。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，构建重要药用动植物遗传连锁图，开展重要药用植物QTL的研究和实践；从野生类型筛选优良目的基因，实现药用植物杂交强优组合，将成为今后药用植物育种的重要方向之一。
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次生代谢产物合成途径的基础研究将越来越受到重视，特别是调控次生代谢产生的关键酶及其基因与抗病基因的定位、分离和克隆表达将尤为引人注目，并将成为分子生药学研究的中最富挑战和前景的方向之一。关键酶的确定和分离，不仅为利用生物技术手段操纵代谢途径及中药材品质定向调控提供科学依据，而且更为药用植物栽培学研究打下坚实基础。
参考文献：
[1]Son S H, Choi S M, Yun S R,et al.Large-scale Culture of Plant Cell and Tissue by Bioreactor System.J Plant Biotechnology,1999,1(1):1.
[2]Verpoorte R,van der Heijden R,ten Hoopen H J G.Metabolic Engineering for the Improvement of Plant Secondary Metabolite Production.Plant Tissue Culture and Biotechnology,1998,4(1):3.
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[3]Brent T,Christopher H,Robert S,et al.Using Ultra-high Carbon Dioxide Levels Enhances Plantlet in vitro.Hort Technology,1997,7(2):282.
[4]Heo J W,Kozai T.Forced Ventilation Micropropagation System for Enhancing Photosynthesis,Growth and Development of Sweetpotato Plantlets.Environ Control in Biol,1999,37(1):83.
收稿日期：1999-06-19, 百拇医药
单位：高文远(中国医学科学院中国协和医科大学药用植物研究所，北京 100094)；范磊(中国医学科学院中国协和医科大学药用植物研究所，北京 100094)；肖培根(中国医学科学院中国协和医科大学药用植物研究所，北京 100094)；肖小河(解放军第302医院药物研究中心，北京 100039)；王康正(中国中医研究院中药研究所，北京 100700)
关键词：药用植物；栽培研究；展望▲
中国中药杂志000302 摘 要：目的：探讨21世纪初药用植物栽培研究的趋势。方法：在回顾性研究的基础上，对21世纪初我国药用植物栽培的几个前沿领域进行散点透视。结果与结论：21世纪初药用植物栽培研究将从以下几个方面进行：①以获取优质药材为目标；②以获取药用植物有效成分为目的；③药用植物标记育种与药用植物品质定向调控。
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药用植物栽培是中医药事业重要组成部分。建国以来，药用植物栽培研究取得了巨大的成就，为全国中药材生产发展提供了强大的技术支持。然而近十多年来，受商品经济大潮的冲击，中药材的生产经营管理全面放开，药用植物栽培研究一直未得到应有的重视。中药材是一种特殊商品，在中药产业体系中，中药材既是原料药，又是成品药，中药材生产规范化及质量标准化是中药产业的基础和关键。可以说没有中药材GAP(Good Agricultural Practice)，就没有中成药GMP，就没有新药开发GLP(Good Laboratory Practice)和GCP(Good Clinic Practice)，就没有药市GSP(Good Supply Practice)。
当今中药现代化国际化的呼声日益高涨，已列为国家“九五”、“十五”重中之重的项目“中药现代化科技产业行动计划”最近已经启动，建立一批优质药用植物种植基地和实现中药材生产质量管理规范(GAP)是其中的重要内容之一。作为中药现代化的基础和源头的药用植物栽培现代化将面临前所未有的机遇和挑战。然而，传统药用植物栽培研究大多局限于大田试验。药用植物大田栽培一方面受“天时地利”的影响，产量质量波动大；一方面不可避免地带来农药残留污染等问题；此外尚存在着与粮农作物争地现象。当今生命科学不断取得重大突破，在现代生物技术的强大支撑和推动下，药用植物栽培研究的重心将发生重大转移。抢夺科学制高点，催生科学生长点，实现药用植物栽培现代化，将是重铸药用植物栽培事业辉煌的根本出路。本文在回顾性研究基础上，对21世纪初我国药用植物栽培的几个前沿领域进行了散点透视。
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1 以获取优质药材为目标的药用植物栽培
图1、图2分别为封闭式的强化快繁通风育苗系统简图和自动监测大规模培养系统简图。现在这一系统在国外已用于花卉及农作物的生产，我们认为该系统可用于21世纪药用植物的栽培，因为它有如下的优点：①实行封闭式栽培，通过供给二氧化碳等可以达到强化生产的目的，从而提高生产。其生产效率可以比大田栽培甚至高数10倍；②随着药材道地性的研究，可以根据特有药用植物模拟特有环境，给予特有的培养液，达到生产道地药材的目的；③封闭式栽培，可以大大减少病虫害，从而可以生产无公害中药材，有效地控制农药残留；④可以根据药用植物的需要配施不同的营养液，避免施用化肥，从而可以达到保护环境的目的；⑤节约土地，节约人力、物力，节约水资源。
图1 强化快繁通风系统简图
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图2 自动监测大规模培养系统简图
当然，这一栽培系统还可以和大田栽培系统结合起来。如采用图1的方式或大量快繁优质种苗，然后移至基地去生产。日本科研人员的实验表明，用此种方式育苗，可以大大缩短育苗时间，同时所育出的苗子质好，成活率高。因此，我们可以认为这一系统适宜于以获取优质药材为目标的药用植物栽培。
2 以获取药用植物有效成分为目标的药用植物栽培
利用转基因生物(主要是微生物)作为生物反应器生产外源基因编码的产物是基因工程技术最重要的成就，但是利用转基因植物生产药物的研究刚刚兴起，迄今尚未得到可以商品化的产品。近年来发展起来的毛发根培养和冠瘿组织培养及动植物转基因技术，把我国传统药材生物技术的研究推向更高层次，今后将受到更大的重视。随着表达效率的提高和受体植物范围的不断扩大，生物技术必定会给传统生药加入新遗传特性的研究带来新的动力；同时随着新型生物反应器的开发及高效细胞培养技术的建立与完善，天然药物生物技术成果的商品化和产业化进程将大大加快。
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90年代以来，植物的细胞培养已不再停留在三角瓶培养的实验室水平，取而代之的是以生物反应器(图3)为标志的大规模工业化培养。特别是近年来气升式生物反应器(图4，图5)的发明与应用，由于其适用于植物细胞的培养，从而使药用植物细胞的大规模培养生产次生代谢物成为了可能。如长春花细胞的培养生产生物碱、红豆杉细胞的培养生产紫杉醇，红花、紫草的细胞培养生产色素等。
图3 植物细胞生物反应器
1.1～1.10.带气泡通气装置的搅拌罐反应器
1.1.平板叶轮式反应器
1.2.具旋转喷淋装置的闸门桨式反应器
1.3.升池推进式反应器
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1.4.大桨式反应器
1.5.平行桨叶式反应器
1.6.螺旋搅拌式反应器
1.7.振动混合式反应器
1.8.船舶螺旋桨式反应器
1.9.锚状推进式反应器
1.10.中空桨式反应器
2.1～2.3.带无气泡通气装置的搅拌罐反应器
2.1.螺旋带状推进式反应器,具表面隔板和表面供气装置
2.2.薄膜搅拌式反应器
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2.3.具环绕薄膜通气管的平板叶轮式反应器
3.1～3.2.旋转式鼓形反应器
3.1.具表面隔板和供气装置的旋转式鼓形反应器
3.2.具气泡供气装置的旋转式鼓形反应器
4.1～4.5.柱形反应器
4.1.带轴向推进器的内置环升气式反应器
4.2.气泡柱形反应器
4.3.内置环升气式反应器，通气可进入环带部分
4.4.内置环升气式反应器，通气可进入通气管
4.5.外置环升气式反应器
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5.1.过滤式搅拌罐反应器
5.2.具积柱的搅拌式反应器
5.3.自旋过滤式反应器
5.4.过滤气泡柱形反应器
图4 升气式柱形生物反应器流程图
a.空气压缩机 b.空气干燥冷却器 c.气体流量表 d.薄膜过滤器 e.玻璃气体喷淋装置 f.进样装置 g.培养基更换装置 h.致冷装置
图5 升气式球形生物反应器流程图
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a.空气压缩机 b.空气干燥冷却器 c.气体流量表 d.薄膜过滤器 e.玻璃气体喷淋装置 f.进样装置 g.培养基更换装置 h.致冷装置
由于某些成分只有在植物的特有器官合成，因此对某些药用植物来说器官培养更有意义，可以获得更多的次生有效成分。如目前韩国和日本在人参和柴胡不定根的培养方面已达到了工业化生产的水平。特别是韩国森林研究所在山参的不定根培养方面已取得重大突破，并已和制药公司合作生产。
3 药用植物分子标记育种与药用植物品质定向调控
遗传图谱是作物资源、育种及分子克隆的理论基础和依据。随着分子生物学和基因工程技术的发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直接选择的方向转变。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早代(第三代之前)回交QTL法应运而生。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，构建重要药用动植物遗传连锁图，开展重要药用植物QTL的研究和实践；从野生类型筛选优良目的基因，实现药用植物杂交强优组合，将成为今后药用植物育种的重要方向之一。
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次生代谢产物合成途径的基础研究将越来越受到重视，特别是调控次生代谢产生的关键酶及其基因与抗病基因的定位、分离和克隆表达将尤为引人注目，并将成为分子生药学研究的中最富挑战和前景的方向之一。关键酶的确定和分离，不仅为利用生物技术手段操纵代谢途径及中药材品质定向调控提供科学依据，而且更为药用植物栽培学研究打下坚实基础。
参考文献：
[1]Son S H, Choi S M, Yun S R,et al.Large-scale Culture of Plant Cell and Tissue by Bioreactor System.J Plant Biotechnology,1999,1(1):1.
[2]Verpoorte R,van der Heijden R,ten Hoopen H J G.Metabolic Engineering for the Improvement of Plant Secondary Metabolite Production.Plant Tissue Culture and Biotechnology,1998,4(1):3.
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[3]Brent T,Christopher H,Robert S,et al.Using Ultra-high Carbon Dioxide Levels Enhances Plantlet in vitro.Hort Technology,1997,7(2):282.
[4]Heo J W,Kozai T.Forced Ventilation Micropropagation System for Enhancing Photosynthesis,Growth and Development of Sweetpotato Plantlets.Environ Control in Biol,1999,37(1):83.
收稿日期：1999-06-19, 百拇医药