【关键词】 药用植物
摘要：综述了国内外药用植物遗传育种的方法、途径及其研究进展，包括引种、系统选育、有性杂交、诱变育种、倍性育种以及生物技术应用等方面，并对应用于薯蓣属植物的遗传育种技术进行了概述。遗传育种在药用植物产量的增长、有效成分含量的提高、抗虫抗病性的增强等方面发挥着越来越大的作用。
关键词：药用植物；遗传育种；薯蓣属
随着科学技术的飞速发展，植物遗传育种理论研究不断创新，新的育种方法被广泛应用，一大批大田作物、果树林木、园艺花卉良种育成并得以推广；同时在药用植物遗传改良方面，遗传育种也发挥了重要作用。
1 基于自然材料的育种途径
1.1 引种药用植物中“南药北移”，“北药南移”以及“野生变家种”均属于引种的工作内容，孙超等［1］对贵州淫羊藿属的３个种进行引种以及田间栽培试验，获得了人工栽培材料。陈震等［2］对引种在北京地区的绞股蓝（Gynostemma pentaphyllum Makino）栽培条件与绞股蓝皂苷含量变化进行了研究。立陶宛研究者对748种药用木本植物进行了引种试验，49%的物种能够适应立陶宛当地环境，其中262种植物可以引种到立陶宛国内［3］。毛地黄(Digitalis purpurea L.)、砂仁(Amomum villosum Lour.)、金鸡纳(Cinchona ledgeriana Moens.)等药用植物过去完全依赖进口，它们的成功引种已经能够满足国内市场的需要［4］。
1.2 系统选育（纯系育种、选种）纯系育种是品种选育的有效方法，在药用植物中有比较广泛的应用。李志亮等［5］对蛔蒿（Artemisia maritime Thunb.）采用单株选择的方法，连续三年进行株选，获得51株有效成分山道年含量在2.30%～5.80%的高含量群体，其中山道年含量高于3.0%的植株占90.1%。Varga等［6］以挥发油含量为主要指标，对中欧广泛栽培的牛膝（Hyssopus officinalis L.）进行了系统选育，获得了可进一步研究的育种材料。赵寿经等［7］运用高产选育方法，育成吉参1号品种。Kwang-Tae Choi等［8］采用系统选育方法，育出了韩国产人参（Panax ginseng C.A.Mey.）KG101、KG102、KG103三个产量高、品质好的优良株系。郭巧生等［9］从四个栽培类型的药用白菊花（Chrysanthemum morifolium Ramat.）中选育出具有优良栽培性状且高产的“红心菊”和“小白菊”两个推广材料。
2 基于人工创造变异的育种途径（狭义育种）
2.1 有性杂交育种赵合句等［10］对1983年育成的菘蓝（Isatis indigotica Fort.）与荠菜属间杂交品系进行了比较试验，发现杂交品系在产量、抗病性等方面具有较大的优势。韩宁林等［11］对湖北不同群体间银杏（Ginkgo biloba L.）远距离花粉授粉，获得在叶产量、芽数、苗高和地茎粗等方面具有杂种优势的后代。刘玮等［12］于进行了丁香属（Syringa L.）植物的有性杂交试验，研究表明18个组合中有5个获得了杂种，同时发现后代结实率存在较大差异。王秋颖等［13］对多个天麻（Gastrodia elata Bl.）品种进行多年正反交试验，培育出4个杂交品种，其中3个是高产品种，同时这些品种遗传稳定，箭麻个数和产量与双亲相比都有较大的提高，可大面积推广。
2.2 诱变育种诱变技术在药用植物遗传育种方面也有应用，罗登庸等［14］用激光照射薏苡（Coix lacryma-jobi L.）种子胚部，实验发现，当代至第四代薏苡的产量均有不同程度的提高，增产幅度10%～130%。黄丽华等［15］发现采用新型诱变剂平阳霉素（Pingyangmycin）处理过的烟草（Nicotiana tabacum L.）NC89品种，其苗高、发芽率、成苗率等在一定诱变剂浓度和处理时间条件下均有显著增加。
空间育种技术已成为一项独立的育种技术，药用植物空间育种的研究工作越来越受到人们的关注。高文远等［16］发现经过航天处理过的红花（Carthamus Tinctorius L.）种子，其发芽率和过氧化物酶活性均高于普通对照材料。经过卫星搭载15天的黄芩（Radix Scutellariae Georgi）与普通植株对比发现：航天材料的根长、根粗、株高都明显增加，同时发现染色体类型也发生了畸变，出现了染色体裂片、染色体桥、落后染色体和先行染色体［17］。
2.3 倍性育种乌头(Aconitun Carmichaeli Debx.)、宁夏枸杞（Lycium barbarum L.）、人参与平贝母（Fritillaria ussuriensis Maxim.）等都有花药培养成功的报道，并且以上各材料最终都获得了再生植株［18～21］。
Eelco Wallaart T等［22］使用秋水仙素获得了黄花蒿（Artemisia annua L.）四倍体材料，青蒿素含量与普通野生材料相比高出38%，但是植株较小，叶形和种子出现特异变化。高山林等［23］结合植物组织培养技术的多倍体诱导手段已经培育出了丹参醌Ⅰ、丹参醌ⅡＡ、隐丹参酮等有效成分含量高的丹参（Salvia miltiorrhiza Bunge.）高产品系，并进行了连续数年的生产示范试验。以日本薄荷（Mentha arvensis L.var. piperascens）和库页薄荷（M.gachalinensis）为材料所诱导的异源四倍体具有抗粉霉菌、抗寒等特点［24］。值得注意的是细胞流式仪（flow cytometry）技术在植物染色体倍性以及杂交辅助研究中发挥了愈来愈重要的作用［25，26］。
2.4 细胞工程、组织工程应用Fujita等［27］通过紫草（Lithospermum erythrorhizon Sieb.et Zucc.）未分化细胞的悬浮培养得到红色素、抗生素和紫草素等次生代谢产物，并在生产上成功推广。张治国等［28］发现条叶龙胆（Gentiana manshurica Kitag.）离体根培养的愈伤组织中，添加1mg/L的金雀花碱，能够促进龙胆苦苷的产生。王康才等［29］研究了不同激素配比对丹参愈伤组织中次生代谢产物分泌的影响，发现2，4-D抑制水溶性总酚的形成，同时KT能够提高总丹参酮的含量。另外血根碱（sanguinarine）、迷迭香酸（rosmarinic acid）、小檗碱（berberine）、人参皂苷（ginseng saponin）等一大批具有药用价值的次生代谢产物通过此项技术先后进入了商业生产阶段［30］。
Carlson等1972年首次报道了粉兰烟草（Nicotiana glauca）与朗氏烟草（Nicotiana langsdorffi）的原生质体通过融合得到杂种植株。随后研究者在药用植物体细胞杂交方面进行了更为广泛的研究。谢航等［31］采用不对称体细胞杂交的方法，得到了波缘烟草（Nicotiana undulata L.）+枸杞的属间杂种细胞系，杂种小植株兼有双亲的形态特点但难以生根。霍丽云等［32］采用PEG（聚乙二醇）化学融合方法将狭叶柴胡（Bupleurum scorzonerifolium Willd）与石防风（Peucedanum terebinthaceum Fisch）原生质体融合，得到杂种植株。黄贤荣等［33］试图通过体细胞杂交将中药柴胡的药效成分基因转入胡萝卜。他们将狭叶柴胡（Bupleurum scorzonerifolium Willd.）的原生质体经过300 μW・cm-2 照射0，1，2分钟后分别与胡萝卜原生质体用PEG法进行体细胞杂交，获得了再生愈伤组织。对融合产物进行形态学、同工酶分析，证明获得了柴胡+胡萝卜的体细胞杂种。
2.5 基因工程、基因克隆和分子标记技术应用Mercke P et al. ［34］得到编码黄花蒿中紫穗槐-4,11-二烯合成酶（amorpha-4,11-diene synthase）的cDNA克隆，该酶是合成黄花蒿素的关键酶，他还推测了该基因编码蛋白的结构。Yun等［35］将莨菪（Hyoscyamus niger L.）中分离得到的天仙子胺6β羧化酶基因（hyoscyamine 6β-hydroxylase gene）转入颠茄（Atropa belladonna L.）中，转基因植株产生了大量的东莨菪碱（scopolamine），改变了普通植株仅产生大量莨菪碱（hyoscyamine）的情况。王慧中等［36］以枸杞幼茎为材料，根癌农杆菌介导，成功将外源npt-Ⅰ基因导入宁夏枸杞，并在植株中表达出抗卡那霉素的性状。针对一些药用成份主要集中在根部，研究者们利用发根农杆菌的Ri质粒进行药用植物转基因研究。赵寿经等［37］利用发根农杆菌A4菌株对人参根外植体直接诱导发根，Ri质粒的rolC基因在人参发根基因组中被整合并得到表达，同时筛选出人参总皂苷含量达15.2 mg/g的高产发根系。宋道军等［38］采用离子束介导的超远缘分子杂交方法将银杏与西瓜（Citrullus lanatus Mansfe）全基因组DNA分子杂交融合，西瓜的两个后代均检测出银杏内酯A、银杏内酯B、银杏内酯C 3种成分。
3 薯蓣属植物遗传育种研究进展
薯蓣科（Dioscoreaceae）为单子叶植物，在我国仅有薯蓣属（Dioscorea L.）1属，约49种，主要分布长江流域以南各省。薯蓣属根状茎组大部分种类都含有医药工业上具有重要价值的薯蓣皂苷元（diosgenin），如盾叶薯蓣（D.zingerbrensis C.H.Wright）、穿龙薯蓣（D.nipponica Makino）、三角叶薯蓣（D.deltoidea Wall.）等［39］；周生翅组的山药（D.opposita Thunb.）、参薯（D.alata L.）、日本薯蓣（D.japonica Thunb.）等含有大量的淀粉、氨基酸、多糖和微量元素，是重要的食品及滋补类药用植物［40］。山药类药材还具有降血糖和降血脂作用［41］。参薯等还是一些国家例如亚洲、环太平洋地区、西非、加勒比海地区、中南美洲重要的粮食作物［42］。
3.1 薯蓣属植物引种与系统选育原产于墨西哥的高含量薯蓣皂苷元原料植物菊叶薯蓣（D.composite Hemsl.），在我国西双版纳引种成功［43］；山药、纤细薯蓣（D.gracillima Miq.）、参薯在浙江小范围引种成功［44］。我国武当山地区建立了高含量盾叶薯蓣的引种栽培基地［45，46］。丁志遵等［39］最早于1965年开始进行了盾叶薯蓣高含量单株的选育工作，1967年筛选出薯蓣皂苷元高达16.15%，编号“670117”的单株。尽管在薯蓣属植物引种驯化方面有如此广泛的研究报道，但是对薯蓣属植物的系统选育研究还没有深入展开，研究实践中仅以薯蓣皂苷元含量为指标进行单株选择，完善的系统育种程序目前还没有建立。
3.2 薯蓣属植物常规育种1963年Martin［47］将皂苷配基含量最高的墨西哥种菊叶薯蓣（2n=36）作为母本，与D. floribunda Mart.et Gal.(2n=36)杂交，成功结实，但是与D.friedrichsthalii R.Knuth.的杂交没有成功，Martin先后进行了60多种薯蓣的杂交试验，认为新大陆种之间的杂交容易成功，而新大陆种与旧大陆种之间的杂交不易成功，并且旧大陆种之间的杂交也不易成功。杂交F1代染色体数目、行为基本没有变化，性状介于双亲之间，但是育性下降。Martin等［48］还进行了不含甾体皂素薯蓣的杂交工作，发现其也能结实，但是杂种不能萌发。Akaroda［49］在进行白薯蓣（D.rotundata Poir）的发育生物学研究时发现，在人工授粉条件下，白薯蓣的结实率有较大的提高，约为对照的三倍。黄春洪于2001年进行了根状茎组的盾叶薯蓣×穿龙薯蓣、盾叶薯蓣×山萆（D.tokoro Makino）的杂交研究，能够产生杂交种子，而在盾叶薯蓣×山药，这分属两组的代表植物的杂交试验中没有获得杂交种子。Asano Yuji等［50］对山药的三个栽培种（D.opposita cv.Nagaimo，Ichoimo， Tsukuneimo）和九个日本薯蓣品系进行了广泛的杂交，其中D.opposita cv.Ichoimo、D.opposita cv.Tsukuneimo和日本薯蓣的杂交组合中，杂种的差异性主要与日本薯蓣的父本花粉来源有关，此外，得到的杂种辅之以一定的胚培养技术获得了成熟的胚。在薯蓣属植物的杂交研究中，研究人员也发现了某些杂种优势现象，如Martin等［51］发现杂种后代不仅产量增加，而且能够对病毒高抗。
3.3 生物技术在薯蓣属植物育种中的应用王志安等［52］利用秋水仙素加倍正常的盾叶薯蓣得到了同源四倍体的植株，获得了非常珍贵的育种材料。国内外对于薯蓣属植物的细胞和组织培养的研究报道，主要集中在白薯蓣、叉蕊薯蓣（D. collettii Hook.f.）、参薯、盾叶薯蓣和日本薯蓣等种，外植体（explants）的种类也很多，包括叶、芽、幼茎、根茎、珠芽（bulbils）等。利用细胞和组织工程的技术途径扩繁优良性状例如高薯蓣皂苷元含量的无性系品种，达到薯蓣属植物遗传改良、种质创新的目的［53］。任建伟等［54］对盾叶薯蓣悬浮培养细胞固定化的初步研究表明，用3%海藻酸钠固定盾叶薯蓣悬浮细胞，在MS+2，4-D 1.0mol/L+6-BA 0.1mol/L培养液中常温振荡培养较长时间后，培养液提取物经过TLC检测分泌出薯蓣皂苷，但不能连续分泌。
薯蓣属植物原生质体培养和融合方面也有一定的研究。Onyia et al．于1984年首次获得了薯蓣属植物白薯蓣的原生质体［55］。Sauer等［56］分离和培养了山药的原生质体。Tor等［57］用参薯、黄独（D.bulbifera L.）和D. cayenensis-rotundata三个种的幼叶试验获得了原生质体，试验表明，以长度小于1cm的幼叶为材料更适合薯蓣原生质体细胞分化的制备，参薯和D. cayenensis-rotundata的细胞群体中出现了50-30的细胞阶段，但是在黄独中未出现该阶段，试验中成功地将pBI 221.2、 pBI 221.54、pBSGUS1 和 pJT137三种质粒转化至参薯的一个栽培种（D.alata cv.Oriental Lisbon）细胞系中，并且uidA基因能够瞬时表达。这是这种单子叶植物原生质体基因直接转化的首次报道。柳俊等［58］研究了不同电场强度和原生质体密度对不同科，亲缘关系较远的马铃薯（Solanum tuberosum Ｌ.）和参薯原生质体融合的影响，部分的融合细胞发生了分裂，这是首次有薯蓣属植物参与的非薯蓣属的原生质体融合试验。
Conlan等［59］对D.cayennensis Lam.根茎编码贮藏蛋白dioscorin（薯蓣碱）基因的cDNA进行了研究，得到了A、B两个克隆，它们的序列大小和核苷酸序列有84.1%的相似度，同时发现dioscorin的基因表达是与根茎发育紧密相关的，而不是由生长条件诱导的。Dioscorin的基因编码揭示薯蓣科虽然是单子叶植物，但是亲缘关系上与双子叶植物更接近。Ryohei Terauchi等［60］采用假测交的研究策略，构建了长度分别为669和613cM的DT7和DT5两个山萆亲本AFLPs连锁图谱，覆盖了超过75%山萆基因组，同时在父本（DT7）中得到了一条与雄性基因紧密连锁的片段。近十年来，分子生物学在薯蓣属植物的杂种检测、亲缘关系［61，62］、种质鉴定［63］等方面的报道愈来愈多，其中国外的研究工作较多，目前主要集中在病害方面［64］。
参考文献：
［1］孙超，邹剑灵，钟雁，等．淫羊藿属３种植物引种栽培研究［J］.中国中药杂志，2004，29(3)：274275.
［2］陈震，赵杨景，马晓军，等.绞股蓝在北京地区的引种栽培研究［J］.中国中药杂志，1991，16(4)：208211.
［3］Baroniene V and Liagiene D．Distribution and growing possibilities of the medicinal woody plants in Lithuania［J］.Medicina (Kaunas)，2004，40(8) ：710713.
［4］朱慧芬，张长芹，龚洵．植物引种驯化研究概述［J］.广西植物，2003，23(1):52-60.
［5］李志亮，朱蔚华，尚天民，等．蛔蒿单株选择效果研究初报［J］.中草药通讯，1979，(6)：4040
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