国家科学技术学术著作出版基金资助 上海科普创作出版专项资金资助 中草药生物技术 主编唐克轩 復g大多出版社
书 国家科学技术学术著作出版基金资助 上海科普创作出版专项资金资助 中草药生物技术 主编 唐克轩
序 如同人类自身，自然界的一花一草也无不透着造化的神奇。随着中医理论研究和临床 实践在世界范围内的不断深入开展，几千年来守护着中华民族人民生命健康的传统中草药 越来越受到全人类的关注，作为医疗用药或保健品的需求量日益增加。然而，由于利益的驱 使，人们对中药材的掠夺性采挖正导致许多野生资源的快速减少甚至灭绝。长此以往，不仅 会使人类赖以生存的生态环境日趋恶化，人类的生命健康也将不复受到大自然的呵护。传 统的人工栽培固然可在一定程度上缓解这种灾难，但却常常导致栽培品种的品质退化、有效 成分含量低以及被农药污染等问题，严重制约着我国传统中药材的开发和应用。如何走出 这种两难的困境？立法保护野生药用植物资源是必要的，但其作用是有限的，主要的责任和 挑战落在生物科技工作者身上。 早在20世纪60年代，我国就开始了传统中药材离体培养和试管繁殖研究，目前己有 100多种药用植物经离体培养成功地获得了试管植株，且多数己在中药材的实际生产中得 到了应用，如苦丁茶、芦荟、怀地黄等。在药用植物细胞液体培养方面，我国已经建立了三 七、人参、西洋参等十几种药用植物的培养系统，通过对培养基和培养条件的优化，某些有效 成分的含量达到或超过了野生型。近年来随着基因工程理论和技术的不断完善，建立了甘 草、丹参、黄芪、青蒿等多种传统药材的农杆菌介导的遗传转化系统，拓宽了生物技术在传统 药材生产和改良中的应用范围。通过根癌农杆菌T质粒转移获得冠瘿瘤，国外已在留兰香 等多种药用植物上获得成功：利用发根农杆菌Rⅰ质粒转化可快速获得某些药用植物毛状 根，从中提取到具有重要应用价值的生物活性物质，目前我国也在山莨菪类药材、丹参和金 荞麦等药用植物上获得初步成功。此外，用转基因动物或植物作为表达系统生产具有重要 医用价值蛋白的“新一代制药厂”已初具规模，并备受生物医药研究和临床工作者的关注， 必将成为未来生物制药的主要途径之一。 作为WTO的年轻一员，中国已置身于竞争激烈的国际大市场中，中医药事业的发展也 面临着空前的机遇和挑战。如何在继承和发扬我国中医药优势和特色的基础上，充分利用 现代科学技术理论、方法和手段，借鉴或制定国际认可的中医药标准和规范，生产出以高新 技术为特征的安全、高效、稳定和可控的现代中药产品，使我国中药产业完成由“小作坊”向 高新大企业转变，从而成为具有强大国际竞争力的现代产业和国民经济新的增长点，己成为 我国中医药科研工作者今后相当长一段时期内的重要任务。为此，在不断推进产业化的同 时，我们必须加强基础和应用研究，充分利用植物学、遗传学、生药学、微生物学和分子生物 学等相关领域的最新研究成果，建立并完善中药的保护、栽培、鉴定、加工、成分提取、利用 “生物工厂”特异性生产有效成分以及临床应用的科学技术体系，尽早实现传统中药的国际 化和现代化。 在利用生物技术开发中草药资源的工作中，我们已经取得了一些可喜的成绩。但寻遍 书海，目前国内尚未见到一本系统论述中草药生物技术的专著。这在很大程度上限制了该
序 如同人类自身，自然界的一花一草也无不透着造化的神奇。随着中医理论研究和临床 实践在世界范围内的不断深入开展，几千年来守护着中华民族人民生命健康的传统中草药 越来越受到全人类的关注，作为医疗用药或保健品的需求量日益增加。然而，由于利益的驱 使，人们对中药材的掠夺性采挖正导致许多野生资源的快速减少甚至灭绝。长此以往，不仅 会使人类赖以生存的生态环境日趋恶化，人类的生命健康也将不复受到大自然的呵护。传 统的人工栽培固然可在一定程度上缓解这种灾难，但却常常导致栽培品种的品质退化、有效 成分含量低以及被农药污染等问题，严重制约着我国传统中药材的开发和应用。如何走出 这种两难的困境？立法保护野生药用植物资源是必要的，但其作用是有限的，主要的责任和 挑战落在生物科技工作者身上。 早在 20 世纪 60 年代，我国就开始了传统中药材离体培养和试管繁殖研究，目前已有 100 多种药用植物经离体培养成功地获得了试管植株，且多数已在中药材的实际生产中得 到了应用，如苦丁茶、芦荟、怀地黄等。在药用植物细胞液体培养方面，我国已经建立了三 七、人参、西洋参等十几种药用植物的培养系统，通过对培养基和培养条件的优化，某些有效 成分的含量达到或超过了野生型。近年来随着基因工程理论和技术的不断完善，建立了甘 草、丹参、黄芪、青蒿等多种传统药材的农杆菌介导的遗传转化系统，拓宽了生物技术在传统 药材生产和改良中的应用范围。通过根癌农杆菌 Ti 质粒转移获得冠瘿瘤，国外已在留兰香 等多种药用植物上获得成功；利用发根农杆菌 Ri 质粒转化可快速获得某些药用植物毛状 根，从中提取到具有重要应用价值的生物活性物质，目前我国也在山莨菪类药材、丹参和金 荞麦等药用植物上获得初步成功。此外，用转基因动物或植物作为表达系统生产具有重要 医用价值蛋白的“新一代制药厂”已初具规模，并备受生物医药研究和临床工作者的关注， 必将成为未来生物制药的主要途径之一。 作为 WTO 的年轻一员，中国已置身于竞争激烈的国际大市场中，中医药事业的发展也 面临着空前的机遇和挑战。如何在继承和发扬我国中医药优势和特色的基础上，充分利用 现代科学技术理论、方法和手段，借鉴或制定国际认可的中医药标准和规范，生产出以高新 技术为特征的安全、高效、稳定和可控的现代中药产品，使我国中药产业完成由“小作坊”向 高新大企业转变，从而成为具有强大国际竞争力的现代产业和国民经济新的增长点，已成为 我国中医药科研工作者今后相当长一段时期内的重要任务。为此，在不断推进产业化的同 时，我们必须加强基础和应用研究，充分利用植物学、遗传学、生药学、微生物学和分子生物 学等相关领域的最新研究成果，建立并完善中药的保护、栽培、鉴定、加工、成分提取、利用 “生物工厂”特异性生产有效成分以及临床应用的科学技术体系，尽早实现传统中药的国际 化和现代化。 在利用生物技术开发中草药资源的工作中，我们已经取得了一些可喜的成绩。但寻遍 书海，目前国内尚未见到一本系统论述中草药生物技术的专著。这在很大程度上限制了该
…2 中草药生物技术 领域研究工作者之间的交流与借鉴。有鉴于此，复旦大学遗传工程国家重点实验室唐克轩 教授组织了一批活跃在中草药及相关研究领域第一线的科研工作者编写了《中草药生物技 术》一书。编写人员中既有学术造诣高的老专家，又有思想活跃、勇于创新的年轻人。该书 总结了他们多年的研究成果和经验，系统地阐述了细胞工程、酶工程、发酵工程、基因工程和 分子标记等在中草药理论研究和产品开发中的应用，并对中草药生物技术研究的最新进展 和产业化前景进行了较全面的描述，堪称集多学科研究成果和现代技术于一炉的佳作。我 相信该书的出版必将进一步推动我国中草药研究和产业化的发展。看到这样一批老中青学 者活跃在中草药研究领域，老怀快慰，欣然此序。 谈家桢 2005年6月
领域研究工作者之间的交流与借鉴。有鉴于此，复旦大学遗传工程国家重点实验室唐克轩 教授组织了一批活跃在中草药及相关研究领域第一线的科研工作者编写了《中草药生物技 术》一书。编写人员中既有学术造诣高的老专家，又有思想活跃、勇于创新的年轻人。该书 总结了他们多年的研究成果和经验，系统地阐述了细胞工程、酶工程、发酵工程、基因工程和 分子标记等在中草药理论研究和产品开发中的应用，并对中草药生物技术研究的最新进展 和产业化前景进行了较全面的描述，堪称集多学科研究成果和现代技术于一炉的佳作。我 相信该书的出版必将进一步推动我国中草药研究和产业化的发展。看到这样一批老中青学 者活跃在中草药研究领域，老怀快慰，欣然此序。 谈家桢 2005 年 6 月 ·2· 中草药生物技术
前 言 随着科学技术的迅速发展，跨入21世纪的人类虽然仍在不同程度上面临着战争、瘟疫 和环境恶化等的威胁，但已基本摆脱了温饱问题的困扰，人们开始追求高质量的健康长寿。 然而对于人类这一梦想，现代西方医学却显得有些无助并日益暴露出其弊端。显然，将人体 还原为组织、细胞的简单集合，单纯依靠化学药物和手术进行“头痛医头、脚痛医脚”式的治 疗，远不能满足人们对健康长寿的要求：不仅如此，化学药品的毒副作用、濫用抗生素引起的 病原微生物耐药性的提高等，也有将人类征服疾患的过程导入“道高一尺、魔高一丈”的恶 性循环之势。于是，伴随着“回归自然”的全球化思潮，人们也开始向以“天人合一”为理论 基础、预防和调理（治疗）为宗旨、服（敷）天然药物为主要手段的传统中医寻求健康长寿之 道：同时，一个巨大且仍将不断快速增长的全球天然药物市场也由此产生。 自20世纪90年代以来，这一市场以年均20%以上的速率增长：除临床中药外，其产品 范围己扩展到保健食品和饮料、药膳、药浴、药枕、美容化妆品以及天然香料、色素、甜味剂、 苦味剂乃至天然杀虫剂等。1999年国内药品销售总额为1244亿元，其中中成药就占330 亿元26.5%)，此外还有中药饮片70亿元和中药保健品300亿元。目前在我国市场销售的 中成药，约有20%是从植物中提取或半合成的：在美国处方药中也有约1/4来源于高等 植物。 我国天然药物资源十分丰富，据统计有12807种。其中除药用动物和矿物质外，绝大 多数是药用植物，数量达11146种，分布在383个科、2309个属中：己实行人工栽培的药用 植物近300种，种植面积约40万公顷，产量达350万吨，占传统药材的87%。在美国食品及 药品管理局(FDA)对中药使用的认同之后，为了抢占市场，许多国家特别是亚太地区国家 又开始了新一轮中草药研究和开发的热潮，这为有着几千年历史的我国中草药走向国际市 场带来了前所未有的机遇和挑战。尽管拥有丰富的资源以及作为中医起源地的传统特色和 优势，并且我国对中药的研究也一直没有间断过，但在研究的深度和产品开发方面，我国却 还远不及毗邻的日、韩等东亚国家。此外，近年来，大量来自欧、美、日、韩及其他东南亚国家 的“洋中药”，如洋参丸（片）、高丽参片（冲剂）、红花油等纷纷抢占我国药物市场，其销售额 己超过国内中成药的30%。面对如此激烈的市场竞争和别国的技术优势，单凭消耗野生资 源无异于饮鸩止渴，传统的人工栽培也远不能满足质和量两方面的要求。为此，国家科技部 倡导、发起了“中药现代化科技行动”，旨在进一步推动和加强现代科学技术尤其是生物科 学技术在中药材研究、开发和产业化上的应用，以高科技产品大幅提升我国在国际中药材市 场上的竞争力一事实上这是我们唯一的出路！ 传统中药材中绝大多数是植物。Schleiden和Schwan分别在1838年和1839年的细胞 理论中提出了细胞“全能性”，即每个细胞都含有该物种的全部遗传物质并具有发育成完整 个体的潜力：对植物而言，每个植物细胞都含有该种植物的全部遗传物质并具有发育成完整 植株的潜力。细胞“全能性”的提出，为植物细胞工程和基因工程的兴起奠定了基础。半个
前 言 随着科学技术的迅速发展，跨入 21 世纪的人类虽然仍在不同程度上面临着战争、瘟疫 和环境恶化等的威胁，但已基本摆脱了温饱问题的困扰，人们开始追求高质量的健康长寿。 然而对于人类这一梦想，现代西方医学却显得有些无助并日益暴露出其弊端。显然，将人体 还原为组织、细胞的简单集合，单纯依靠化学药物和手术进行“头痛医头、脚痛医脚”式的治 疗，远不能满足人们对健康长寿的要求；不仅如此，化学药品的毒副作用、滥用抗生素引起的 病原微生物耐药性的提高等，也有将人类征服疾患的过程导入“道高一尺、魔高一丈”的恶 性循环之势。于是，伴随着“回归自然”的全球化思潮，人们也开始向以“天人合一”为理论 基础、预防和调理（治疗）为宗旨、服（敷）天然药物为主要手段的传统中医寻求健康长寿之 道；同时，一个巨大且仍将不断快速增长的全球天然药物市场也由此产生。 自 20 世纪 90 年代以来，这一市场以年均 20% 以上的速率增长；除临床中药外，其产品 范围已扩展到保健食品和饮料、药膳、药浴、药枕、美容化妆品以及天然香料、色素、甜味剂、 苦味剂乃至天然杀虫剂等。1999 年国内药品销售总额为 1 244 亿元，其中中成药就占 330 亿元（26. 5%），此外还有中药饮片70 亿元和中药保健品300 亿元。目前在我国市场销售的 中成药，约有 20% 是从植物中提取或半合成的；在美国处方药中也有约 1 /4 来源于高等 植物。 我国天然药物资源十分丰富，据统计有 12 807 种。其中除药用动物和矿物质外，绝大 多数是药用植物，数量达 11 146 种，分布在 383 个科、2 309 个属中；已实行人工栽培的药用 植物近 300 种，种植面积约 40 万公顷，产量达 350 万吨，占传统药材的 87% 。在美国食品及 药品管理局（FDA）对中药使用的认同之后，为了抢占市场，许多国家特别是亚太地区国家 又开始了新一轮中草药研究和开发的热潮，这为有着几千年历史的我国中草药走向国际市 场带来了前所未有的机遇和挑战。尽管拥有丰富的资源以及作为中医起源地的传统特色和 优势，并且我国对中药的研究也一直没有间断过，但在研究的深度和产品开发方面，我国却 还远不及毗邻的日、韩等东亚国家。此外，近年来，大量来自欧、美、日、韩及其他东南亚国家 的“洋中药”，如洋参丸（片）、高丽参片（冲剂）、红花油等纷纷抢占我国药物市场，其销售额 已超过国内中成药的 30% 。面对如此激烈的市场竞争和别国的技术优势，单凭消耗野生资 源无异于饮鸩止渴，传统的人工栽培也远不能满足质和量两方面的要求。为此，国家科技部 倡导、发起了“中药现代化科技行动”，旨在进一步推动和加强现代科学技术尤其是生物科 学技术在中药材研究、开发和产业化上的应用，以高科技产品大幅提升我国在国际中药材市 场上的竞争力———事实上这是我们唯一的出路！ 传统中药材中绝大多数是植物。Schleiden 和 Schwan 分别在 1838 年和 1839 年的细胞 理论中提出了细胞“全能性”，即每个细胞都含有该物种的全部遗传物质并具有发育成完整 个体的潜力；对植物而言，每个植物细胞都含有该种植物的全部遗传物质并具有发育成完整 植株的潜力。细胞“全能性”的提出，为植物细胞工程和基因工程的兴起奠定了基础。半个
·2 中草药生物技术 多世纪以来，随着基础理论研究的深入、技术手段和方法的不断改进以及与其他相关学科的 交叉、综合，植物生物技术己从群体、植株不断深入到器官、组织、细胞、染色体直至基因的各 个层次，其应用范围也日益扩大。在药用植物上，现代生物技术己广泛应用于栽培、道地性 鉴别、新品种培育、种质资源发掘和保存、种苗及特异活性物质的工业化生产、加工和流通过 程中的检验等诸多环节。具体来说，如通过试管育苗、快速繁殖、脱毒、诱变和杂交等培育优 良品种：应用细胞工程进行大规模的组织培养和细胞悬浮培养，从中分离具有特殊功效的组 分：应用发酵工程从真菌类中药中提取多糖类成分：采用DNA指纹技术进行道地药材的鉴 别和中成药质量检验等：特别是随着基因工程技术的迅猛发展，伴随着高效转化技术体系的 建立和完善，通过基因工程手段创造全新的转基因药材或提高现有药材的品质、增加药用植 物的抗性和植物体内有效成分含量已成为可能并显露出十分广阔的发展前景。但尽管如 此，与其他领域如农业、工业相比，现代生物技术在中药材研究、开发和产业化上的应用还远 未充分展开：虽然在细胞工程和发酵工程方面取得了一定的进展，但在基因工程的应用上才 刚刚起步。这也正是我国生物科技工作者面临的机遇和挑战所在。 为了推动“中药现代化行动”进程，作为生物科技工作者理应尽一点绵薄之力，同时考 虑到目前国内类似的系统论述中草药生物技术专著的阙如阻碍了相关领域专家、学子及其 他爱好者之间的交流与合作，我们组织复旦大学、上海交通大学、上海中医药大学、第二军医 大学、陕西理工学院、西南师范大学等一些长期从事药用植物研究与开发的专家、学者编写 了这本《中草药生物技术》。全书以生物技术在中草药中的应用、最新研究进展和产业化前 景为重点，共分为11章。第一章介绍并讨论中草药生物技术的范畴、研究内容和进展、产业 化概况和发展前景：第二、三、四、五章对中草药组织及原生质体培养技术及其具体应用做了 较为详细的论述：第六章主要介绍药用植物的单倍体、多倍体和细胞突变体育种技术：第七 章介绍酶工程技术的进展和应用：第八、九、十章重点阐述基因工程和分子标记技术在药用 植物研究中的应用和前景：第十一章讨论了生物技术和中药现代化的关系以及生物技术在 中草药GAP基地建设和质量标准体系建立中的应用前景和思路。 “取法乎上，得乎其中”。我们的编写原则是“阐明原理、重视技术、展开应用”，力求做 到融科学性、前瞻性、知识性、实用性和可读性于一体，尤其注重技术表述的精确、翔实、可 靠，以期使本书成为相关领域科研工作者、教师、学生及其他中草药爱好者的高质量参考著 作。但本书内容涉及多个学科，理论、技术及其应用相互交织，再加上编者水平所限及时间 仓促，虽经呕心沥血亦难免疏漏、舛谬，诚望读者批评指正。 本书的编写、出版得到了国家科学技术学术著作出版基金和上海科普创作出版专项资 金的资助以及复旦大学出版社领导和编辑人员的大力支持：年近百岁高龄的中国科学院院 士、美国科学院外籍院士谈家桢先生给予编者热情的鼓励并欣然为本书作序：复旦大学遗传 学研究所乔守怡教授、中国科学院上海植物生理生态研究所卫志明研究员、上海市卫生事业 管理研究所顺庆生研究员等一批同行专家也对本书寄予厚望，在申报国家基金的过程中予 以推荐并就编写过程提出了许多宝贵的意见：此外，复旦大学、上海交通大学和复旦-交大 诺丁汉植物生物技术研发中心的教师、博士后和研究生，包括孙小芬、王立新、赵凌侠、张利 达、曹又方、王绛、费炯、钱红妹、余舜武、李柱刚、赵静雅、赵东利、庞永珍、廖志华、陈敏、龚一 富、秦洁、开国银、郭宾会、刘东辉、王劲、陈中海、蒋科技、吴为胜、邓仲香、王鹏、皮妍、刘晓 军、王兴龙、林玲、刘学奋、潘新竹、李威、王子楠、魏雅敏、冯小琦等，也对本书提出了许多宝
多世纪以来，随着基础理论研究的深入、技术手段和方法的不断改进以及与其他相关学科的 交叉、综合，植物生物技术已从群体、植株不断深入到器官、组织、细胞、染色体直至基因的各 个层次，其应用范围也日益扩大。在药用植物上，现代生物技术已广泛应用于栽培、道地性 鉴别、新品种培育、种质资源发掘和保存、种苗及特异活性物质的工业化生产、加工和流通过 程中的检验等诸多环节。具体来说，如通过试管育苗、快速繁殖、脱毒、诱变和杂交等培育优 良品种；应用细胞工程进行大规模的组织培养和细胞悬浮培养，从中分离具有特殊功效的组 分；应用发酵工程从真菌类中药中提取多糖类成分；采用 DNA 指纹技术进行道地药材的鉴 别和中成药质量检验等；特别是随着基因工程技术的迅猛发展，伴随着高效转化技术体系的 建立和完善，通过基因工程手段创造全新的转基因药材或提高现有药材的品质、增加药用植 物的抗性和植物体内有效成分含量已成为可能并显露出十分广阔的发展前景。但尽管如 此，与其他领域如农业、工业相比，现代生物技术在中药材研究、开发和产业化上的应用还远 未充分展开；虽然在细胞工程和发酵工程方面取得了一定的进展，但在基因工程的应用上才 刚刚起步。这也正是我国生物科技工作者面临的机遇和挑战所在。 为了推动“中药现代化行动”进程，作为生物科技工作者理应尽一点绵薄之力，同时考 虑到目前国内类似的系统论述中草药生物技术专著的阙如阻碍了相关领域专家、学子及其 他爱好者之间的交流与合作，我们组织复旦大学、上海交通大学、上海中医药大学、第二军医 大学、陕西理工学院、西南师范大学等一些长期从事药用植物研究与开发的专家、学者编写 了这本《中草药生物技术》。全书以生物技术在中草药中的应用、最新研究进展和产业化前 景为重点，共分为 11 章。第一章介绍并讨论中草药生物技术的范畴、研究内容和进展、产业 化概况和发展前景；第二、三、四、五章对中草药组织及原生质体培养技术及其具体应用做了 较为详细的论述；第六章主要介绍药用植物的单倍体、多倍体和细胞突变体育种技术；第七 章介绍酶工程技术的进展和应用；第八、九、十章重点阐述基因工程和分子标记技术在药用 植物研究中的应用和前景；第十一章讨论了生物技术和中药现代化的关系以及生物技术在 中草药 GAP 基地建设和质量标准体系建立中的应用前景和思路。 “取法乎上，得乎其中”。我们的编写原则是“阐明原理、重视技术、展开应用”，力求做 到融科学性、前瞻性、知识性、实用性和可读性于一体，尤其注重技术表述的精确、翔实、可 靠，以期使本书成为相关领域科研工作者、教师、学生及其他中草药爱好者的高质量参考著 作。但本书内容涉及多个学科，理论、技术及其应用相互交织，再加上编者水平所限及时间 仓促，虽经呕心沥血亦难免疏漏、舛谬，诚望读者批评指正。 本书的编写、出版得到了国家科学技术学术著作出版基金和上海科普创作出版专项资 金的资助以及复旦大学出版社领导和编辑人员的大力支持；年近百岁高龄的中国科学院院 士、美国科学院外籍院士谈家桢先生给予编者热情的鼓励并欣然为本书作序；复旦大学遗传 学研究所乔守怡教授、中国科学院上海植物生理生态研究所卫志明研究员、上海市卫生事业 管理研究所顺庆生研究员等一批同行专家也对本书寄予厚望，在申报国家基金的过程中予 以推荐并就编写过程提出了许多宝贵的意见；此外，复旦大学、上海交通大学和复旦-交大- 诺丁汉植物生物技术研发中心的教师、博士后和研究生，包括孙小芬、王立新、赵凌侠、张利 达、曹又方、王绛、费炯、钱红妹、余舜武、李柱刚、赵静雅、赵东利、庞永珍、廖志华、陈敏、龚一 富、秦洁、开国银、郭宾会、刘东辉、王劲、陈中海、蒋科技、吴为胜、邓仲香、王鹏、皮妍、刘晓 军、王兴龙、林玲、刘学奋、潘新竹、李威、王子楠、魏雅敏、冯小琦等，也对本书提出了许多宝 ·2· 中草药生物技术
前言 ·3· 贵的修改意见和建议。对于这些帮助，除了真诚的谢意，我们唯有希望：我们奉献的不只是 时间、精力和汗水！ 唐克轩 2005年6月 于复旦大学遗传学研究所
贵的修改意见和建议。对于这些帮助，除了真诚的谢意，我们唯有希望：我们奉献的不只是 时间、精力和汗水！ 唐克轩 2005 年 6 月 于复旦大学遗传学研究所 前 言 ·3·
目 录 第一章中草药生物技术概论… 第一节中草药生物技术的范畴 一、中草药概念的辨析…… 1 二、中草药生物技术的概念… 3 1.生物技术的概念及其发展 2.中草药生物技术的概念… 4 三、中草药生物技术的构成 1.细胞工程… 5 2.发酵工程… 3.酶工程… 6 4.基因工程… 6 5.分子标记技术… 6 第二节中草药生物技术的研究内容… 一、细胞工程的研究内容… 7 二、发酵工程的研究内容…… …8 三、酶工程的研究内容… 四、基因工程的研究内容… 9 五、分子标记技术的研究内容 10 第三节中草药生物技术的研究进展 11 一、我国药用植物资源的研究现状 11 二、我国药用植物资源开发利用的研究进展 12 1.通过植物次生代谢工程开发药物… 13 2.药用植物组织细胞培养取得进展…… 13 3.药用植物的发酵工程产品投入市场… 15 三、药用植物酶和蛋白质工程的研究亟待加强… 16 四、中草药基因工程研究的热，点和发展趋势… 16 1.转基因药用植物…… 16 2.次生代谢途径关键基因的克隆及代谢工程…… 16 3.药用植物分子标记育种… 17 第四节中草药生物技术的产业化与发展前景… 17 一、中草药生物技术的产业化研究概述 17 1.药用植物生物技术的产业化初具雏形… 17 2.医药生物技术产业化进展迅速……18
目 录 第一章 中草药生物技术概论!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 1 第一节 中草药生物技术的范畴!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 1 一、中草药概念的辨析 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 1 二、中草药生物技术的概念 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 3 1. 生物技术的概念及其发展 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 3 2. 中草药生物技术的概念 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 4 三、中草药生物技术的构成 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 5 1. 细胞工程 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 5 2. 发酵工程 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 5 3. 酶工程 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 6 4. 基因工程 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 6 5. 分子标记技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 6 第二节 中草药生物技术的研究内容!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 7 一、细胞工程的研究内容 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 7 二、发酵工程的研究内容 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 8 三、酶工程的研究内容 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 8 四、基因工程的研究内容 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 9 五、分子标记技术的研究内容 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 10 第三节 中草药生物技术的研究进展 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 11 一、我国药用植物资源的研究现状 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 11 二、我国药用植物资源开发利用的研究进展 !!!!!!!!!!!!!!!! 12 1. 通过植物次生代谢工程开发药物 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 13 2. 药用植物组织细胞培养取得进展 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 13 3. 药用植物的发酵工程产品投入市场 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 15 三、药用植物酶和蛋白质工程的研究亟待加强 !!!!!!!!!!!!!!! 16 四、中草药基因工程研究的热点和发展趋势 !!!!!!!!!!!!!!!! 16 1. 转基因药用植物 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 16 2. 次生代谢途径关键基因的克隆及代谢工程 !!!!!!!!!!!!!!! 16 3. 药用植物分子标记育种 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 17 第四节 中草药生物技术的产业化与发展前景 !!!!!!!!!!!!!!!! 17 一、中草药生物技术的产业化研究概述 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 17 1. 药用植物生物技术的产业化初具雏形 !!!!!!!!!!!!!!!!! 17 2. 医药生物技术产业化进展迅速 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 18
·2 中草药生物技术 3.我国医药生物技术及其产业发展面临的问题…19 二、中草药生物技术的发展前景… 21 1.应用生物技术开展药用植物资源研究及品种选育…21 2.利用植物细胞培养及转基因技术生产次生代谢产物…21 3.分子标记技术在药用植物研究上的应用前景…22 第二章中草药组织培养的基本技术…27 第一节药用植物组织培养技术… …27 一、药用植物组织培养的基本原理… 4…4……4……4小4… 27 1.植物细胞的全能性… 27 2.植物细胞全能性的实现… 28 二、药用植物组织培养的基本技术…… …29 1.植物组织培养的基本设施……… 29 2.常用工具和器皿的准备、清洗和灭菌… 32 3.培养基及其配制…… 33 4。外植体的制备… 38 5.接种与培养… ………40 6.定期检查和细胞学观察… 44 7.生根与移栽…… 44 第二节药用植物组织培养中存在的问题与对策… 47 一、污染的原因及对策… 47 1.真菌性污染及对策… 47 2.细菌性污染及对策… 48 3.常见污染方面的问题及对策… 49 二、褐变现象产生的机制及对策… 50 1.褐变现象产生的影响因素… 50 2.褐变的主要机制……… 51 3.克服褐变现象的对策… 52 三、玻璃化的原因及对策… 53 1.玻璃苗发生的影响因素 53 2.玻璃化主要机制……… 55 3.克服玻璃化现象的对策…… 56 第三章中草药原生质体培养与细胞杂交 60 第一节原生质体培养… 60 一、材料的选择与预处理 61 1.材料的选择… 61 2.材料的预处理… 62 二、原生质体分离与纯化 年4年0年4中年4000年卡？ 62 1.原生质体分离的基本技术… 62 2.原生质体纯化……… ………4…………+… 65
3. 我国医药生物技术及其产业发展面临的问题 !!!!!!!!!!!!!! 19 二、中草药生物技术的发展前景 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 21 1. 应用生物技术开展药用植物资源研究及品种选育 !!!!!!!!!!!! 21 2. 利用植物细胞培养及转基因技术生产次生代谢产物 !!!!!!!!!!! 21 3. 分子标记技术在药用植物研究上的应用前景 !!!!!!!!!!!!!! 22 第二章 中草药组织培养的基本技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 27 第一节 药用植物组织培养技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 27 一、药用植物组织培养的基本原理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 27 1. 植物细胞的全能性 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 27 2. 植物细胞全能性的实现 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 28 二、药用植物组织培养的基本技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 29 1. 植物组织培养的基本设施 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 29 2. 常用工具和器皿的准备、清洗和灭菌 !!!!!!!!!!!!!!!!! 32 3. 培养基及其配制 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 33 4. 外植体的制备 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 38 5. 接种与培养 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 40 6. 定期检查和细胞学观察 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 44 7. 生根与移栽 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 44 第二节 药用植物组织培养中存在的问题与对策 !!!!!!!!!!!!!!! 47 一、污染的原因及对策 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 47 1. 真菌性污染及对策 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 47 2. 细菌性污染及对策 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 48 3. 常见污染方面的问题及对策 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 49 二、褐变现象产生的机制及对策 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 50 1. 褐变现象产生的影响因素 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 50 2. 褐变的主要机制 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 51 3. 克服褐变现象的对策 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 52 三、玻璃化的原因及对策 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 53 1. 玻璃苗发生的影响因素 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 53 2. 玻璃化主要机制 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 55 3. 克服玻璃化现象的对策 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 56 第三章 中草药原生质体培养与细胞杂交 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 60 第一节 原生质体培养 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 60 一、材料的选择与预处理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 61 1. 材料的选择 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 61 2. 材料的预处理 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 62 二、原生质体分离与纯化 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 62 1. 原生质体分离的基本技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 62 2. 原生质体纯化 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 65 ·2· 中草药生物技术
目 录 ·3 三、原生质体鉴定与活力测定 66 1.原生质体鉴定… 66 2.活力测定… 66 3.活力计算 67 四、原生质体培养与植株再生… 67 1。原生质体的培养基 67 2.原生质体培养条件… 69 3.原生质体培养方法… 00”4444+44400440 69 4.原生质体发育与植株再生程序… 71 五、提高原生质体培养质量的技术要点 72 1.选择适当的起始材料……… 72 2.材料预质壁分离… 72 3。培养基的组成… 72 4.选择适宜的培养方法…… 72 5.原生质体植板密度… 73 6.防止褐变… 73 六、药用植物原生质体培养… 73 1.药用植物原生质体培养现状… 74 2.几种重要药用植物的原生质体培养… 76 第二节细胞杂交… 80 一、诱导原生质体融合… 80 1.原生质体融合方法… 80 2.对称性融合与非对称性融合… 86 二、融合体的检测与筛选 87 三、杂种植株的鉴定 89 1.形态学鉴定… 89 2.细胞学鉴定… 89 3.同工酶谱分析… 89 4。分子生物学方法… 89 5.其他方法… 90 第三节杂种植株的遗传与育种应用… 90 一、植物体细胞杂交与遗传有种… 90 二、药用植物体细胞杂交在品种改良中的应用 91 三、药用植物体细胞杂交遗传育种应用举例… 92 1.原生质体对称性电融合实例… 93 2.“供体/受体”系统原生质体融合实例… 94 3.“配子体/体细胞”系统原生质体融合实例 96 第四章药用植物的细胞培养与发酵工程技术……102 第一节药用植物细胞培养的基本技术…………102
三、原生质体鉴定与活力测定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 66 1. 原生质体鉴定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 66 2. 活力测定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 66 3. 活力计算 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 67 四、原生质体培养与植株再生 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 67 1. 原生质体的培养基 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 67 2. 原生质体培养条件 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 69 3. 原生质体培养方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 69 4. 原生质体发育与植株再生程序 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 71 五、提高原生质体培养质量的技术要点 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 72 1. 选择适当的起始材料 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 72 2. 材料预质壁分离 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 72 3. 培养基的组成 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 72 4. 选择适宜的培养方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 72 5. 原生质体植板密度 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 73 6. 防止褐变 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 73 六、药用植物原生质体培养 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 73 1. 药用植物原生质体培养现状 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 74 2. 几种重要药用植物的原生质体培养 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 76 第二节 细胞杂交 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 80 一、诱导原生质体融合 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 80 1. 原生质体融合方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 80 2. 对称性融合与非对称性融合 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 86 二、融合体的检测与筛选 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 87 三、杂种植株的鉴定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 89 1. 形态学鉴定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 89 2. 细胞学鉴定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 89 3. 同工酶谱分析 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 89 4. 分子生物学方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 89 5. 其他方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 90 第三节 杂种植株的遗传与育种应用 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 90 一、植物体细胞杂交与遗传育种 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 90 二、药用植物体细胞杂交在品种改良中的应用 !!!!!!!!!!!!!!! 91 三、药用植物体细胞杂交遗传育种应用举例 !!!!!!!!!!!!!!!! 92 1. 原生质体对称性电融合实例 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 93 2. “供体/受体”系统原生质体融合实例 !!!!!!!!!!!!!!!!! 94 3. “配子体/体细胞”系统原生质体融合实例 !!!!!!!!!!!!!!! 96 第四章 药用植物的细胞培养与发酵工程技术!!!!!!!!!!!!!!!!! 102 第一节 药用植物细胞培养的基本技术!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 102 目 录 ·3·
·4 中草药生物技术 一、药用植物细胞培养的主要材料和条件… 102 1.外植体和细胞培养材料的选择 102 2.培养基… 103 3.培养条件… 104 二、药用植物细胞悬浮培养系的建立和高产细胞株的筛选方法…105 1。愈伤组织诱导和继代培养… 106 2.液体悬浮培养的建立 106 3.用振荡法或酶法游离出单个细胞或小细胞团进行继代培养 107 4。高产细胞株的筛选…… 107 三、药用植物悬浮细胞的继代培养… 108 1.批量培养… 108 2.连续培养 109 四、药用植物悬浮细胞的同步培养… 109 1.体积选择法 4*4.4…4 110 2.冷处理方法 110 3.营养饥饿法… 110 4.生长素饥饿法 110 5.抑制和抑制解除法… 11 6.有丝分裂阻抑法 … 111 五、药用植物细胞悬浮培养过程中各种参数的测定… 111 1.细胞大小测定 111 2.细胞重量测定 112 3.细胞体积测定 112 4.有丝分裂指数测定 112 5.细胞起始密度测定 113 6.活细胞率测定… 114 第二节药用植物细胞的大量培养… 114 一、药用植物细胞大规模培养工艺与技术优化…… 116 1。药用植物细胞大规模培养工艺… 116 2.药用植物细胞大规模培养过程的优化… 121 3.药用植物细胞大规模培养过程中的几个问题 124 二、药用植物细胞大规模培养应用实例… 125 1.红豆杉细胞培养生产紫杉醇 125 2.人参细胞培养生产人参皂苷 126 3.长春花细胞培养生产生物碱 127 4.紫草细胞培养生产紫草宁及其衍生物 128 5.丹参细胞培养生产二萜醌类和酚酸类化合物 129 第三节药用真菌发酵工程的技术与应用… 131 一、药用真菌的基本生产技术………132
一、药用植物细胞培养的主要材料和条件 !!!!!!!!!!!!!!!!! 102 1. 外植体和细胞培养材料的选择 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 102 2. 培养基 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 103 3. 培养条件 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 104 二、药用植物细胞悬浮培养系的建立和高产细胞株的筛选方法 !!!!!!!! 105 1. 愈伤组织诱导和继代培养 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 106 2. 液体悬浮培养的建立 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 106 3. 用振荡法或酶法游离出单个细胞或小细胞团进行继代培养 !!!!!!! 107 4. 高产细胞株的筛选 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 107 三、药用植物悬浮细胞的继代培养 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 108 1. 批量培养 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 108 2. 连续培养 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 109 四、药用植物悬浮细胞的同步培养 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 109 1. 体积选择法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 110 2. 冷处理方法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 110 3. 营养饥饿法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 110 4. 生长素饥饿法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 110 5. 抑制和抑制解除法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 111 6. 有丝分裂阻抑法 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 111 五、药用植物细胞悬浮培养过程中各种参数的测定 !!!!!!!!!!!!! 111 1. 细胞大小测定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 111 2. 细胞重量测定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 112 3. 细胞体积测定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 112 4. 有丝分裂指数测定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 112 5. 细胞起始密度测定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 113 6. 活细胞率测定 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 114 第二节 药用植物细胞的大量培养!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 114 一、药用植物细胞大规模培养工艺与技术优化 !!!!!!!!!!!!!!! 116 1. 药用植物细胞大规模培养工艺 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 116 2. 药用植物细胞大规模培养过程的优化 !!!!!!!!!!!!!!!! 121 3. 药用植物细胞大规模培养过程中的几个问题 !!!!!!!!!!!!! 124 二、药用植物细胞大规模培养应用实例 !!!!!!!!!!!!!!!!!! 125 1. 红豆杉细胞培养生产紫杉醇 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 125 2. 人参细胞培养生产人参皂苷 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 126 3. 长春花细胞培养生产生物碱 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 127 4. 紫草细胞培养生产紫草宁及其衍生物 !!!!!!!!!!!!!!!! 128 5. 丹参细胞培养生产二萜醌类和酚酸类化合物 !!!!!!!!!!!!! 129 第三节 药用真菌发酵工程的技术与应用!!!!!!!!!!!!!!!!!! 131 一、药用真菌的基本生产技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 132 ·4· 中草药生物技术