生物技术在特种经济植物研究及生产中的应用前景

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1、中国青年农业科学学术年报一一一 一- - - - 月 第一作者简介许莉萍，女，1 9 6 3 年1 0 月出生，1 9 8 6 年毕业于华南农业大宇， 2 0 0 1 年获博士宇位，副教授，现在福建农林大学农业部甘蔗遗传育种重点实验室工作，主要从李遗传育种和生物技术。联系 地址:福州福建农林大学农业部甘蔗遗传育种重点实验室;邮 编: 3 5 0 0 0 2 ; 电 话: ( 0 5 9 03 7 4 1 2 4 2 0生物技术在特种经济植物研究及生产中的应用前景赵寿经杨振堂李昌禹( 中国农业科学院特产研究 所，吉 林1 3 2 1 0 9 ) 摘要本文综述了生物技术在特种经济植物研究及生产上应

2、用的现状，展望了植物组织培养、细 胞工程、 基因 工租以 及分予 标记技术在该领城的应用情景。为生物技术更好地服务于人类， 促进我国 特种经济植物产业的 发展提供了 科学参考。 关健词生物技术特种经济植物应用 特种经济植物是一类具有重要经济价值和广泛利用价值的植物， 包括药用植物、 野生果树、观赏花卉、 食用植物等， 是人类开发利用地球上丰富植物资源的一大成果。面向新世纪， 特种经济植物的发展也将面临着一系列新的挑战和机遇。生物技术的兴起，为我国特种经济植物的研究和发展提供了良 机和手段。生物技术是一门 应用生物科学研究成果，以工程手段增加数量或提高品质， 从而满足人类日 益增长的对生物制品需

3、求的技术。近二十几年来， 生物技术在农业、医药、环境、工业等领域已取得极大的进展，而在特种经济植物研究和生产方面的应用仍处于初始阶段。本文仅就与特种经济植物研究和生产密切相关的植物生物技术的应用前景进行简述.供同行参考。利用组织培养技术进行特种经济植物快速繁殖和脱毒种苗的生产 由于植物细胞具有全能性， 理论上植物体的任何一部分细胞， 如根、茎、叶、花、果的细胞， 经人工培养， 均能发育成一个完整的个体。因这种繁殖可在人工控制的条件下周年进行， 故其繁殖速度和繁殖系数均大大超过常规的繁殖方法。特别是植物的茎尖分生组织，由于其分裂速度快， 通常不含或少含植物病毒， 结合热处理， 用分生组织培养可以

4、大量生产汰除病毒的试管苗。据预测，未来 1 0 年国内对试管苗的 需求量将以每年7 %- 8 %的速度递增， 将成为发展农业生产的重要生物技术手段之一。由于特种经济植物一般为多年生， 且人工栽培驯化时间短， 存在着生长速度慢、 对栽培技术要求严格等不利因素。在生产上利用组织培养快速繁殖技术，更显得重要。 我国在特种经济植物快速繁殖及无毒苗研究、生产方面取得了可喜成绩。先后研究成功人参、西洋参、贝母、 元胡、 拘祀、山葡萄、软枣琳猴桃、唐葺蒲、芦荟、三倍体杨树等特种经济植物快速繁殖技术。主要切花品种唐葛蒲、香石竹、菊花无毒种苗生产技术已基本完善，初步实现了商业化生产。 在生产设备和条件方面， 各

5、地也已建成一些中、小型试管苗工厂和培养室， 培训了一批具有实践经验的技术人员。为进一步实现特种经济植物快速繁殖和无毒种苗生产，打下了良好的基础。 3 5 3 盛砂2 0 022 应用生物技术开展特种经济植物品种选育及资源保护工作 特种经济植物新品 种选育工作， 是人类更好地利用和保护这些植物资源， 提高经济效益的有效手段。目前我国已运用杂交、 诱变、 多倍体、试管受精、 原生质体融合、花药培养等生物技术， 获得药用植物、 野生果树、 观赏花卉以及食用山 野菜等高产、 优质新品种1 5 0 余种。 并在生产上应用， 取得较好的经济效益。 随着生物技术的不断发展， 植物基因工程已成功地将外源基因导

6、人植物体中，并获得转基因植物新品种。 从 1 9 5 3 年国际上首次获得转基因烟草、马铃薯以来， 世界上已获得转基因植物达 1 0 0 余种。利用这一技术， 将某些优良 性状基因导人本不具备这些性状的植物体内， 可达到改良植物品种的目 的。 如将抗病、 抗虫等基因的导人， 获得抗病虫植株; 控制植物次生代谢产物合成酶的合成基因的导人， 获得有效成分含量高的植株等。相信在不久的将来将会有转基因特种经济植物新品种在生产上应用。 在特种经济植物资源保护方面，今后仍要加强对珍稀濒危野生植物的保护、家种、繁殖，以达到持续利用的目的。一方面要按照亲缘关系和分类学知识扩大资源， 寻找近缘种中的优良物种;另

7、一方面应加强就地保护， 采用生物技术手段， 建立无性繁殖系， 加速珍稀濒危植物的保存、 繁殖和纯化。3 生物技术在特种经济植物次生代谢产物生产上的应用3 . 1 利用植物细胞培养生产次生代谢产物通过筛选高产细胞系、改进培养条件和技术，以及设计适合植物细胞培养的发醉雄， 人们已使包括紫草、长春花、毛地黄、 黄连、 人参等在内的多种药用植物细胞培养进行大规模生产实验，有的已成为商品投人市场。为了加速植物细胞培养技术商业化生产进程， 各国 科学家们一方面不断改进培养技术， 如控制培养的气相环境， 加人刺激剂， 加人大孔树脂吸附剂等， 一方面发展新的培养方法， 如高密度培养、 连续培养和固定化培养等，

8、以期得到一种适合于植物细胞工业生产的培养方法。随着研究的不断发展， 植物细胞大规模培养成为一种成熟的工业化生产方式已 经为期不远了。同时， 代谢产物生物合成的基础研究越来越受到重视，特别是有关酶的确定和分离， 不仅为控制代谢途径提供了科学依据，而且为利用基因工程手段操纵代谢途径打下了重要基础。3 . 2 利用发根农杆菌遗传转化获褥毛状根生产次生代谢产物由发根农杆菌 ( A g r o b a c t e r i u m r h i w -g e n e s ) 感染双子叶 植物 形成的毛 状根， 在最近十 年已 发展成 继细胞培养后又 一新的培养系统。由于毛状根生长迅速， 遗传性稳定和生化特性

9、不易改变的特点， 越来越受到人们的重视。这一培养系统对传统药材来讲更为重要，因为约1 1 3的传统药材是植物的根部。目 前已在长春花、 烟草、紫草、人参、曼陀罗、 颠茄、 丹参、 黄花、 甘草和青篙等4 0 多种植物中 建立了毛状根培养系统。 毛状根大规模培养技术的主要间题之一是物质转移， 这是因为培养对象是相互连结的非均匀物质。因此， 液体力学性质明显不同于悬浮培养细胞。 大规模培养使用的发酵罐有多种类型，其中以气升式效果为佳。 在提高毛状根中次生物质数量的研究中， 发展了培养基连续流动、 双液相发酵等新的培养技术， 利用大孔树脂做为吸附剂的培养方法也有报道。3 . 3 次生代谢途径的基因工

10、程 传统药材含有的有效成分绝大部分是次生代谢产物， 它们的合成途径非常复杂， 往往有几个或十几个酶参与，因而找出形成特定产物的关键酶就成为利用基因 工程技术生产传统药材有效成分的 关键步骤之一， 而寻找关键酶的 基因， 选用合适的载体和在受体适当 部位表达的研究也是十分关键的内容。H a s h i m o t o 等将天仙子胺6 - 轻基化酶基因通过R i 质粒转移到富含天仙子胺的蓖若毛 状根中， 与对照相比， 蓖若胺含量增加了5 倍。A I . 3 5 4中国青年农业科学学术年报一-一-月 此外， 利用植物做为一个生物反应器而使外源基因表达的研究热点正在兴起，已有一些来自 细菌、动 物和

11、人类的 某些 抗原、 抗体和 特异 蛋白 编码的 外源基因 在转基因的 植物中 得到 表达， 如c 括楼素、 血管紧张肤转化酶抑制剂、 抗体、 细菌和病毒的抗原、 脑菲肤、 表皮生长因子、 促红细胞生长素、 生长激素、 人血清蛋白、 干扰素和水蛙素等。目 前这些实验大都以烟草做为受体植物进行的， 再加上表达效率较低，因而还很难表现出 它们的应用价值， 随着表达效率的 提高和受体植物范围的不断扩大， 必定会给传统药材加人新的遗传特性的研究带来新的动力。4 D N A分子标记技术在特种经济植物研究上的应用前景 分子标记技术作为现代分子生物学的重要组成部分， 从广义上讲也属生物技术范畴。D N A分

12、子标记技术在特种经济植物研究上的应用主要有以下三方面内容。4 . 1 特种经济植物生物多样性保护与可持续利用研究我国是世界上特种经济植物资源最丰富的国家之一，已 查明的特种经济植物有1 1 1 1 8 余种 ( 含1 2 0 8 个种以下单位) ， 但随着生态环境的破坏， 珍稀濒危植物不断增加， 加之特种经济植物需求量的增大， 资源问题将更加突出。因而， 对特种经济植物多样性的保护受到国内外普遍关注。保护特种经济植物生物多样性， 应围绕、 挽救、 研究及合理利用三个环节。在传统特种经济植物资源研究与保护方法基础上， 运用分子标记 技术结合计算机手段， 从本质上揭示物种遗传变异及其演化规律; 建

13、立重要特种经济植物基因库; 研究在自 然或人工控制下个体更新速度及规律。从而 制定相应的管理措施， 实现特种经济植物资源研究与 保护的科学化、 现代化， 促进资源的可持续利用。4 . 2 特种经济植物亲缘关系 和分类学研究目 前， 特种经济植物亲缘关系研究中，主要应用形态、 细胞组织、 化学成分等特征。这些特征在受遗传因素影响的同时， 还受环境因素的影响， 具有一定的局限性。同 时， 随着特种经济植物资源及分类鉴定研究的不断深人， 新种不断发现， 应用经典的形态分类方法， 常有异意， 分类地位经常变动， 给正本清原及一系列的 研究带来困难。D N A分子作为遗传信息的直接载体， 不受外界因素和

14、生物体发育阶段、 器官组织差异的影响， 每一个体的任一体细胞均含有相同的遗传信息、 通过选择合适的D A N分子标记方法，可准确鉴定物种及品种间的遗传差异， 从而揭示物种的亲缘关系， 为物种鉴定及系统学研究提供依据。4 . 3 中药材的鉴定及道地性研究中药材多为干品， 许多活性成分( 酶、 蛋白质等) 失活或损失， 给传统鉴定方法带来困难。由于P C R技术能将原来痕量的】 ) A N扩增到足以进行分析与检测的数量， 而且产物专一性强， 不需特殊纯化等优点。使D N A分子标记方法特别适于目 前生药学方法难以鉴定的一些多来源中药材， 贵重药材及其伪品等。如R A P D技术已成功用于人参、 西

15、洋参、 山麦冬、 地胆草等的鉴定。 通过道地药材与 非道地药材的比 较研究， 明确同种药材优质品种及其最佳生长条件。 众多实验已阐明，同种药材不同产地， 质量可能差异很大。其本质是其物质基础一化学成分的种类或含量的差异。化学成分的差异可能是由 遗传因子产生的， 也可能是地理一生态因子形成的 ( 生境) ， 还可能由其他因素如传媒等产生， 各种因素对道地药材形成的 作用是不一致的。因而应用分子标记技术对常用的、 著名的道地药材与非道地药材进行系统比 较研究，明确同一药材的优质物种及其最佳生长条件，可为中药的栽培提供科学依据。 随着2 1 世纪的 到来， 特种经济植物在提高人类生活水平， 保障人类

16、健康等事业中的作用越来越重要。因为在特种经济植物中 包含着许多人们尚 未认识和开发的具有新功能的结构， 其中不少有望成为新的药物和有用的新物质。 借助生物技术， 人们可望保存和繁殖那些濒临灭绝的 特种经济植物资源， 保持自 然界生物的多样性。 人类可 望利用生物技术将那些数量极少而又有价值的 新类型化合物进行扩增， 满足各种需求。人类渴望通过生物技术在遗传上改变现存的传统药材的 有效成分，附 加新的遗传成分， 成为 “ 转基因药材” 。 这样， 生物技术的广泛应用， 将彻底改变传统特种经济植物生产和加工技术， 使之更适合新时代的要求。 3 5 5 . A , 第一作者简介 赵寿经， 男， 1

17、9 6 1 年4 月生于长春。1 9 8 3 年毕业于吉林农业大学生物物理专业, 1 9 9 1年在中国 农业科学院 研究生院作物遗传育种专业获硕士学位。现任中国 农业科学院 特产研究所现代生物技术 研究室主 任， 研究员 。主要从事经济植物细胞工程及墓因 工程研究。先后主 持和参加国 家及部、 省级科研项目1 6 项， 取得科研成果8 项， 获部、 省级奖励成果4 项( 二等奖2 项， 三等奖2 项) ， 国家专利2 项。食品科学领域的生物技术陈杭君部海燕章恩明( 浙江省农科院食品研究所， 杭州 3 1 0 0 2 1 ) 摘 要 本文简 要叙述了 生物技术对食品科学的影响及其在食品科学领城

18、的应用， 并时其未来的应用前景作了展望，同时时转基因食品的安全性作了简要的探讨。关健词食品4 fi y生物技 术“ 我飞前言 目 前， 以 基因 重组和克隆技术为代表的生物技术正以日 新月异的 速度迅猛发展。 作为生命科学的前沿， 生物技术每向 前迈出一步， 都会给生命科学以 及包括食品科学在内的相关学科带来革命性的影响。而且， 无论是从影响的 深度、 还是影响的广度来看， 都是迄今为止所有的传统学科所不能达到的。因此， 世界各国的学者一致认为， 2 1 世纪将是生物技术的世纪。 食品科学是一个建立在化学、 物理学、 工 程学、 生物学领域基础上的 交叉性学科， 由 于食品科学的出口是为人类提

19、供各种适合生理需要的食品。因此， 没有任何一门 科学比 食品 科学对人类健康的影响更直接。作为食品科学基础理论体系的组成部分， 生物技术必将通过食品 科学的终端产品对人类的营养和健康产生深远而广泛的、 正面或负面的影响。而且， 生物技术近年来的快速发展加速催化了这种影响。因此， 本文将就目 前国内外的研究水平和发展趋势， 对生物技术在食品科学领域所产生的影响作一简要分析。生物技术在食品科学领域的应用现状1 . 1 生物技术在保抽*品 领城里的应用 保健食品是指既有一定营养价值又具对某一类型疾病有一定治疗作用的食品。 前不久， 中国 农科院生物技术研究所已通过重组D N A技术选育出具有抗肝炎功

20、能的番茄。这种西红柿被人食用后， 可以 产生类似乙肝疫苗的预防 效果。在国 外， 成功克隆了 “ 朵丽”羊的英国 科学家则宜布， 未来3 - - 5 年内， 他们将培养一种新型生物鸡， 这种鸡所产的鸡蛋里含有抗肿瘤因子， 癌症患者食用鸡蛋 后， 体内癌细胞的 扩散就会受到抑制。 伴随人类基因 组计划的顺利实施， 人类的许多 疾病将在D N A上找到对应区 段， 这在本质上提供了开发各种具有治疗或预防效能因子的可能， 也为保健食品的深度开发提供了较为广泛的理论基础。豆油是美国常用烹饪食用油， 但其中较高的软脂酸却是导致冠心病的诱因， 经过生物技术改造， 通过基因重组后的大豆含8 0 %以上的不饱和脂肪酸， 冠心病病人可以放心食用。 我国于1 9 9 7 年研制出 一种乳汁中含有人凝血因子的转基因羊， 饮用这种羊奶曲3 5 6