现代生物技术在药用植物行业的应用前景如何？
因此，为了满足国家对保证和提高重要药用植物质量的需求，以及中药野生资源短缺和质量严重退化的严峻形势，必须更好地开发和利用药用植物资源，改善和提高其质量，提高工业生产率，增加药用物质的产量以满足市场需求，同时增加对野生资源的保护，使其更好地和可持续地为人类所用。
药用植物的开发利用存在种类和数量不清、种质资源保存困难、野生资源破坏严重、人工栽培品种质量下降等诸多问题，严重制约了产业发展。如何有效地对药用植物资源进行分类鉴定，保护濒危和稀缺资源，修复再生，防止退化和灭绝，从而保证药材的可持续供应，提高药材质量，是现代药用植物开发领域最迫切的任务，也是实现中药产业现代化和国际化的关键举措。
传统的药用植物分类鉴定方法主要是根据药材的感官特征，如颜色、形状、气味、味道、质地等。它们的缺点是对这些特征的把握因人而异，主观性强，强调经验积累，准确性不强，没有得到国际同行的广泛认可。因此，如何在分子水平上揭示种质间的差异成为研究者非常关心的问题。现代生物技术为药用植物种质鉴定开辟了新的途径。
DNA分子标记基于DNA分子差异，一般具有快速、微量、特异性强、稳定性好、结果直观可靠、不受生长阶段、检测场所、环境条件、储存等因素影响等诸多优点[1]。
DNA分子标记在药用植物研究中的应用最早始于日本。最早也是应用最广的是药材的真伪鉴别和品种分类。早期的DNA分子标记技术包括限制性片段长度多态性(RFLP)和随机扩增多态性DNA (RAPD)。随着生物技术的发展，更加高效、快速的DNA分子标记相继出现，如扩增限制性片段多态性(AFLP)、简单序列重复(simple sequence repeat)、SSR、序列特征扩增区(SCAR)、简单序列重复(simple sequence repeat)、ISSR、序列相关扩增多态性(SRAP)、单链构象多态性(SSCP)等，并应用于药用植物种质资源研究的各个方面。
台湾省中兴大学用RFLP技术准确鉴别苦参及其混淆品[2]，纪宝玉等人对葛根的研究[3]表明RAPD可作为种质资源筛选鉴定的关键技术；郝刚平[4]成功地将AFLP技术应用于丹参的道地性鉴定；潘清平等[5]利用ISSR技术为玉竹商品药材的鉴别提供了分子基础。因此，DNA分子标记技术是鉴定药用植物的有效方法。
表1比较了几种常用的DNA分子标记技术，每种方法都有各自的优势和局限性。在实际应用中，可以根据实验目的、材料和实验条件进行选择。
单击以查看表格内容。
DNA条形码是用一个或几个标准的DNA序列作为标记来识别物种，类似于超市用条形码扫描来区分不同的商品。它具有快速、简单、准确、可靠和自动化的优点。
陈等[6]研究了4 800种药用植物及其近缘种的6 600个样品，证明了在药用植物的鉴定中起着关键作用。刘梅子等[7]发现ITS2序列在鉴别9种不同地区采集的常见蒿属植物中成功率最高，可作为鉴别蒿属植物的潜在条形码；崔志伟等人[8]利用ITS2和psbA-tmH有效地区分了金银花的不同品种，说明ITS2和psbA-tmH可以作为鉴别金银花不同品种的优势条形码组合；李等人[9]对海南茜草科植物的鉴定研究表明，序列可用于海南茜草科植物的快速鉴定。
近年来新发展起来的单核苷酸多态性(SNP)标记技术，可以只检测个体碱基差异或只检测不同等位基因之间的插入和缺失等微小的核苷酸差异，从而区分两个个体的遗传物质差异[10]。陈等[11]利用SNP标记技术结合、matK和psbA-trnH标准条形码序列成功鉴别了高丽参和西洋参。证明基于DNA条形码的SNP标记技术可以作为鉴别人参的有效手段。SNP可通过序列变异直接标记，其检测分析方法以尖端的DNA芯片技术取代传统的凝胶电泳，被认为是最具应用前景的遗传标记。
DNA条形码技术能够快速有效地鉴定物种，已成为药用植物种质资源分类鉴定的主流方法。
传统药用植物种质资源一般采用种子库保存，存在占用空间大、保存种类有限、管理麻烦、易感染霉变、保存时间短等缺点。利用生物技术进行体外保存可以很好地解决上述问题。保存下来的材料复活后，可在短时间内快速繁殖大量种苗，不受自然环境影响，省时省力，减少变质频率，达到随时使用，长期保存优质种质资源的目的[12]。
根据植物细胞的全能性，将外植体接种于MS半固体培养基或液体培养基滤纸上，然后在室温或低温下培养，并及时继代培养[13]。组织培养保存方法分为室温继代培养保存方法和缓慢生长保存方法。组织培养保存法可以有效扩大药用植物的繁殖，缓解野生资源不能满足市场需求的局面，也是保护濒危珍稀药用植物的有效手段。
(1)常温继代培养法:常温下，外植体每隔一定时间进行新一轮继代培养，达到保存种质的目的，必要时可随时繁殖[14]。利用该方法保存铁皮石斛种质资源取得了一定的效果，成功建立了铁皮石斛快速繁殖体系[13]。这种方法间隔时间短，需要连续传代培养。
(2)缓慢生长保存法:通过调整培养条件，在不造成死亡的情况下，抑制外植体的生长，尽可能减少营养物质的消耗，从而尽可能延长继代培养时间。主要措施有降低温度、调节渗透压、控制营养水平、使用生长抑制剂或缓凝剂、控制培养基中营养物质的比例和调节光照[13]。金银花的离体培养。研究了金银花离体保存的最适条件。种质资源发掘[15]。
这种方法可以长期保存植物种质，不需要继代培养，所以遗传变异比较小。目前最成熟的冷冻保存方法是玻璃化法。将植物培养物用高浓度复合保护剂处理一定时间，然后用液氮快速冷冻，使植物细胞内外的溶液凝固成无定形的玻璃化状态，避免冰晶在形成和融化过程中对细胞造成的机械损伤。在这种状态下，植物细胞内的代谢和生长活动几乎完全停止，而生物材料的形态发生潜力得以保持[16]，这是保存种质的有效方法。
西洋参悬浮细胞超低温保存的探索性研究证明了该方法的可行性[17]；包埋玻璃化超低温保存技术可实现山药种质的离体保存[18]；通过玻璃化保存濒危植物矢车菊，成功实现了其茎尖的冷冻程序[19]。
在滴冻法和玻璃化法基础上发展起来的滴玻璃化法具有成活率高、再生率高、适应性广、容量大、操作简单等优点[20]。微滴玻璃化在药用植物种质保存中的应用报道较少，但在其他植物中的应用可作为参考。
人工种子是通过组织培养产生的胚状体，包裹在可以提供营养的胶囊中，然后涂上一层保护膜，形成类似于天然种子的结构。人工种子具有不受季节限制、较好的营养供给和抗病性、保持优良品种的遗传特性、便于储存和运输等优点。这对濒危药用植物种质资源的保存具有重要意义。
长期以来，许多珍稀药用植物因其独特的治疗、保健、美容功效而供不应求，原材料药材价格持续上涨，极大地刺激了人们对野生珍稀药用植物资源的掠夺性开采和收购，对资源造成毁灭性破坏。此外，全球变暖等自然环境的变化也使得许多地区不再适合原生药用植物的生长。由于各种原因，多种珍稀药用植物资源濒临灭绝。
人工种子技术对于濒危植物种质资源的保存具有重要意义。但这种技术依赖于植物组织培养，不适合难以培养的植物。
利用器官培养、植物干细胞培养等生物技术方法[30]也可以实现药用植物资源的可持续利用。此外，DNA分子标记技术在种质资源鉴定、保护对象和就地保护单位的确定、迁地保护的取样策略和效果评价、濒危原因的科学阐明等方面的应用，也可以为珍稀濒危药用植物资源保护策略和措施的制定提供参考。
生物技术的应用不仅可以更好地开发利用药用植物资源，而且可以最大限度地保护它们。生物技术将在向世界推广中国文化瑰宝——中医药方面发挥巨大作用。
药用植物栽培中存在病毒感染导致品质下降、缺乏科学的品质评价体系等问题。因此，培育无病毒的优质药用植物，建立科学的质量评价体系，创造品质优于天然品种的药用植物新品种，是药用植物研究开发的热点方向。
植物病毒被称为“植物癌症”，因为它干扰宿主的新陈代谢，降低产量和质量，甚至导致死亡。尤其是无性作物，种植多年后容易积累多种病毒，从而造成品质下降[31]。植物病毒已成为降低农作物产量和品质的主要因素之一。
目前，人类发现的植物病毒有近千种。药用植物感染的病毒主要有黄瓜花叶病毒、芋头花叶病毒、大豆花叶病毒和烟草花叶病毒[32]。植物病毒每年造成的全球经济损失约为600亿美元。因此，加强药用植物脱毒技术的研究，采取科学有效的防治措施，是当前和今后增强和提高药用植物质量的重点和难点[33]。表2总结了近年来几种解毒技术的应用进展。
单击以查看表格内容。
除了表2所列的常见脱毒方法外，还有花药或花粉培养和珠心胚培养技术，也能在一定程度上起到脱毒的作用。
植物新品种，是指经过人工培育、引种驯化所发现的野生植物而发展起来的，或者经过生物技术转化的，在名称上具有新颖性、特异性、一致性、稳定性和确定性的植物品种[45]。
传统药用植物的新品种通常是通过杂交育种等方法创造出来的。如桔梗[46]和丹参[47]等药材在杂交育种或杂种优势利用方面进行了研究，并创造了新品种。然而，这种方法存在一些缺点，如无法产生新的基因，杂交后代中的性状分离，育种过程缓慢，过程复杂。现代生物技术开辟了创造新品种的新途径。
诱变育种是指利用各种物理、化学和生物因素诱导植物发生基因突变，促进基因重组，扩大遗传变异，然后根据育种目标选择新品种的育种技术[48]。
离子束注入诱变技术是利用可控、成簇、定向注入范围的带电离子束，在对细胞损伤较小的情况下，获得更高的诱变率和更宽的诱变谱，从而选育出新品种的技术。用不同剂量的12C6+离子束均匀辐照紫苏种子后，产生了一定的染色体畸变，为筛选优良变异品种提供了更多的可能性[49]。说明低剂量12C6+重离子束在辐照诱变新类型和培育优良新品种方面有很大潜力。
太空育种是利用特殊的太空环境，使生物基因发生变异，选育新品种和新材料的一种新型育种技术。其最大的优点是可以在短时间内获得常规育种和常规诱变育种方法难以获得的稀有基因资源，使植物获得新基因、新类型、新性状[50]。据悉，“田单一号”太空丹参由天士力集团培育成功。2008年，该组携带丹参种子进入太空，返回地面后培育繁育出“田单一号”太空丹参，其有效成分明显高于对照。
诱变育种可以提高突变率，在短时间内获得更多的突变类型，但诱导突变的方向很难控制，大多数突变都是有害突变。要获得更多的优良性状，就要增加突变的数量。所以筛选的工作量是相当大的。
倍性育种包括单倍体育种和多倍体育种。单倍体育种是单倍体培养技术与育种实践相结合形成的一种新的育种方法，具有克服远缘杂种不育性，提高育种效率和选择效率，快速获得纯系的优点[48]。以发育中的菘蓝花药为外植体，通过培养和单倍体诱导获得单倍体植株。染色体加倍后，一代即可出现纯合二倍体，性状不分离，表型整齐一致，可显著缩短育种周期[51]。
多倍体是指染色体数目为3n或更多的个体、种群和物种。多倍体植物具有更强的适应性和可塑性。药用植物多倍体具有抗逆性强、生物产量高、肥力低、增加某些药用成分含量等特点。最常用的多倍体诱导剂是秋水仙碱。秋水仙碱诱导法可分为体内处理倍增法和体外处理倍增法两种[52]。活体加倍方法有点滴法、浸泡法、琼脂法、喷雾法、注射法等。体外加倍法，即组织培养诱变法，是用秋水仙碱处理植物的离体部分，然后进行组织培养，或在组织培养过程中染色体加倍的方法。将秋水仙碱和琼脂混合制成半固体，然后涂抹在植物的顶芽或腋芽上，诱导多倍体。这种方法在桔梗[53]和金银花[54]等药用植物中获得了成功。用适当浓度的秋水仙碱溶液浸泡地黄的芽茎段，也能诱导出四倍体植株，但诱导率不高[55]。将石斛类原球茎接种在含0.075%秋水仙碱的培养基上，获得了较高的诱导率[56]。体外培养的方法在诱导紫锥菊染色体加倍方面也取得了成功[57]。此外，物理因素如温度突变、机械创伤、电离辐射、非电离辐射、离心力以及生物方法如有性杂交、胚乳培养、体细胞杂交、体细胞克隆变异等也可用于诱导染色体加倍。
人工诱导多倍体虽然频率高、见效快、方法简单，但在生产和育种实践中能产生巨大的经济效益。但同时也存在毒性、嵌合体严重、繁殖力降低、稳定耗时长、养殖成本高等问题[58]。因此，在药用植物的多倍体育种中需要进行越来越广泛的研究。
转基因育种又称基因工程育种，是将外源基因重组到受体细胞的基因组中，使其按照人的意愿特异性表达，通过筛选获得稳定表达的基因工程新品种。其主要优点是可以克服植物远缘杂交的不亲和障碍，扩大物种的杂交范围，加快突变速度，为生物的定向创造提供了可能[59]。它可以在创造新品种和开发各种抗性的优质、高产、高效作物中发挥重要作用。目前植物转基因的主要方法有农杆菌介导法、聚乙二醇介导法、基因枪法、花粉管通道法、电刺激穿孔法、显微注射法和超声波导入法。
农杆菌介导的基因转化是应用最广泛、技术最成熟、效果最理想的方法。首先将与目的基因相连的植物表达载体转入根癌农杆菌，然后用根癌农杆菌感染植物，将载体上的目的基因导入并整合到植物基因组中，从而完成目的基因的转化，获得转基因植物。可用于转化大的DNA片段，遗传稳定，重复性好，不易产生基因沉默，但仅对双子叶植物敏感。该方法已成功应用于丹参[60]、诸葛菜和菘蓝[61]、黄芪[62]、青蒿[63]等材料。
基因枪法是继农杆菌介导转化后的又一种广泛应用的遗传转化技术。利用火药爆炸或其他驱动力，将装载外源DNA的金属颗粒射入真空室中的靶细胞或组织，从而导入外源基因。该方法无宿主限制，操作简单，转化时间短，但转化率相对较低，外源DNA的整合机制尚不明确。近年来，在大蒜[64]和白三叶[65]等药用植物方面取得了新的成就。
花粉管通道法是利用授粉后植物开花时萌发的花粉管通道将外源DNA导入受精卵，然后将目的基因整合到受体植物的基因组中，使其自然发育成种子，形成转基因植物。这种方法简单，育种时间短。用该方法转化铁皮石斛[66]和蓖麻[67]获得转基因新品种。表3比较了几种主要植物基因转化方法的特点。
单击以查看表格内容。
虽然转基因在药用植物中的应用已经取得了相当不错的成果，但其安全性一直是争论的热点。因此，我们应该谨慎对待转基因药用植物，必须进行更系统和深入的研究。
次生代谢工程是通过DNA重组技术改造次生代谢产物的生化反应途径或引入新的生化反应，从而直接提高或抑制一种或某些特定次生代谢产物的合成，提高细胞性能。随着药用植物次生代谢产物生物合成途径的发现，应用代谢工程技术对植物次生代谢途径进行遗传改良，以大幅提高目标产物的量，已成为研究热点。
自从美国学者Bailey在1991年提出次生代谢工程的概念以来，次生代谢工程技术的应用已有大量报道。早期最经典的研究就是用这种技术从零开始实现水稻胚乳中的维生素A原(β-胡萝卜素)[68]。近年来，关于该技术在药用植物中应用的报道层出不穷。药用植物中各种有效物质的含量往往很低，不能满足人们的需要。它们在植物中的数量可以通过次级代谢工程的方法稳定地增加。简要介绍了次生代谢工程在药用植物中几种重要药效物质的应用进展。
苯丙素是植物在长期自然选择过程中产生的一类重要的天然有机化合物。它们一般具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤、抗自由基、抗炎镇痛、保肝护肝、保护心血管系统等多种生物活性，是非常重要的天然药用物质。