我國中草藥航天育種研究進(jìn)展與展望△

李衛(wèi)東，崔清宇，馬長華，雷海民，王晶娟

1.北京中醫(yī)藥大學(xué) 中藥學(xué)院，北京 102488；2.中藥材規(guī)范化生產(chǎn)教育部工程研究中心，北京 102488

航天育種，又稱航天誘變育種、太空育種、空間誘變育種，是指利用返回式航天器將植物材料帶到太空，利用太空特殊的環(huán)境誘導(dǎo)變異，再返回地面選育出新材料、新種質(zhì)，培育新品種的育種途徑和方法。航天育種是集航天技術(shù)、農(nóng)業(yè)育種技術(shù)和生物技術(shù)于一體的跨學(xué)科的高新技術(shù)。與傳統(tǒng)誘變育種相比，航天育種具有變異幅度大、有益變異多、穩(wěn)定性強(qiáng)、育種周期短等特點(diǎn)，且不存在基因安全問題，是培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟、多抗良種的有效途徑[1]。經(jīng)過30余年的不斷探索與實(shí)踐，我國航天育種在農(nóng)、林等領(lǐng)域取得了重要成就。中草藥育種是中藥農(nóng)業(yè)中的重要內(nèi)容，雖然起步較晚，但這項(xiàng)工作的深入開展對于提高中藥品質(zhì)、產(chǎn)量及臨床療效具有重要意義。

1 我國中草藥航天育種研究進(jìn)展

我國中草藥種子首次航天搭載于1987年8月5日發(fā)射的第9顆返回式衛(wèi)星，首次搭載包括人參、甘草、東方罌粟、雞冠花等中草藥種子，從首次搭載至今，共搭載中草藥種子29次，包括丹參、板藍(lán)根、黃芩、桔梗、白芷、知母、防風(fēng)、決明、射干、白術(shù)、玫瑰、紅花、洋金花、夏枯草、長春花、歐李等，搭載后開展了相關(guān)的育種研究工作。

1.1 有效成分及其含量變化

有效成分及其含量是中草藥發(fā)揮藥效的物質(zhì)基礎(chǔ)，是其品質(zhì)的重要體現(xiàn)。甘草、丹參、夏枯草、長春花、蛹蟲草等10余種中草藥種子航天搭載，地面種植評價(jià)發(fā)現(xiàn)，其有效成分含量明顯增加(見表1)。如航天搭載后甘草中甘草酸的含量是對照的2.19倍，甘草苷的含量是對照的1.18倍[2]。太空丹參中的丹酚酸B、丹參酮ⅡA的含量分別較對照提高13%與50%，多糖含量提高16%[3]。航天搭載后的夏枯草干燥果穗中迷迭香酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.97%～2.69%，是對照的2倍[4]。太空長春花中長春堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為300 μg·g-1，為對照的3倍以上[5]。航天搭載蛹蟲草的蟲草素含量較原始菌株提高2.5倍，腺苷含量提高2倍[6]。此外，航天搭載后的桔梗、知母、白芷、防風(fēng)、葫蘆巴、黃芩、射干等[7-13]有效成分含量也發(fā)生了明顯變化(見表1)。

航天搭載對中草藥中的礦質(zhì)元素種類及含量也有顯著影響。太空丹參Cu/Zn比值由對照的0.68提高到1.0，Cr、Mn、Fe含量分別提高60%、50%、30%[14]。太空黃芩中Fe、Zn、Ca、Mg和Sr的含量高于對照，其中Ca和Sr的含量有大幅提高(75.7%和48.6%)，而K和Cu的含量卻有所降低[15]。王志宙等[16]發(fā)現(xiàn)太空黃芩中Ca、Na、Zn、S含量分別比對照有不同程度增加。航天搭載后的射干K、Mg、Ca、Mn、Fe含量顯著高于對照，而Al含量明顯降低[17]。太空白術(shù)較對照少了Na和Ti 2種元素，K和Mn的含量分別提高1.16和1.15倍，而Si和P含量大幅度下降，分別下降了82.1%和71.2%[18]。

1.2 藥效學(xué)

中草藥種子搭載后代的藥效學(xué)評價(jià)研究尚少。太空丹參對血瘀證大鼠的全漿黏度、低切(5/S)、低切相對指數(shù)、全血黏度中切(50/S)、全血高切、紅細(xì)胞剛性指數(shù)、紅細(xì)胞聚集等藥效學(xué)方面的作用強(qiáng)于對照[3]。太空甘草較對照具有較強(qiáng)的抗炎藥理活性，并且發(fā)現(xiàn)來自道地產(chǎn)區(qū)杭錦旗甘草種群的活性最強(qiáng)[19]。

1.3 經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量

中草藥經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量指藥用植物中可供直接藥用或供制藥工業(yè)提取原料的藥用部位的產(chǎn)量，這是評價(jià)中草藥應(yīng)用的重要指標(biāo)，但這方面的研究鮮有報(bào)道。太空丹參產(chǎn)量較對照提高了14%[3]，但未達(dá)到顯著水平。太空玫瑰花產(chǎn)量提高了22%～64%，其最高出油率為0.235%(對照0.173%)，增加了35.8%[20]。

表1 航天搭載后有效成分含量變化的中草藥名錄

1.4 藥材外觀性狀與顯微性狀

外觀性狀與顯微性狀是藥材鑒定的重要指標(biāo)。與地面板藍(lán)根相比，太空板藍(lán)根根部明顯增粗，對照粉末呈淺黃棕色，太空板藍(lán)根粉末顏色變淺，為淡白色，淀粉粒增多，且直徑較大，薄壁細(xì)胞壁變薄，木栓細(xì)胞排列較好等，表明太空板藍(lán)根部分顯微組織有一定程度改變[21]。太空防風(fēng)根部較對照明顯增粗，表面顏色變深，氣稍濃，橫截面芯部顏色淺黃，韌皮薄壁細(xì)胞壁變薄，油管中條塊狀分泌物明顯減少[22]。因此，航天育種可能會引起藥材外觀性狀與顯微性狀的變化。

1.5 植物學(xué)特性

太空丹參表現(xiàn)植株較矮小，葉片肥厚、較大、表面皺縮、深綠色，莖節(jié)間距變短，根表面紅棕色[3]。太空玫瑰表現(xiàn)在花期較對照延長了3～4個(gè)月，單個(gè)花徑增大了23%～39%，此外，在單花重、花色、花型、香氣質(zhì)量、枝條皮色、株型等方面性狀都有較大變化[3]。太空夏枯草出現(xiàn)了莖色變淺、葉色變淺、花色變淺、莖桿無毛等表型變異，還發(fā)現(xiàn)航天搭載處理使夏枯草生長、發(fā)育、成熟過程普遍減慢[4]。太空決明植株的株高、莖粗、分枝數(shù)、莢果數(shù)與對照相比顯著增加，單株產(chǎn)量顯著提高[23]。可見，航天誘變處理大大提高了植株表型突變率，其后代穩(wěn)定性有待深入研究。

2016年9月15日，北京中醫(yī)藥大學(xué)提供的歐李種子搭載天宮二號飛向太空，在太空飛行64 d后于2016年11月18日，搭載神舟十一號載人飛船順利返回著陸。2017年4月，經(jīng)過沙藏的太空誘變歐李種子播種于河北承德基地，2018年進(jìn)入初果期，調(diào)查表明，這些誘變種子后代的植株長勢，葉片形狀、大小，以及果實(shí)形狀、大小、顏色等發(fā)生了不同程度變化，深入研究正在進(jìn)行中。

1.6 植物生理生化變化

同工酶是指生物體內(nèi)催化相同反應(yīng)而分子結(jié)構(gòu)不同的酶，也是植物基因表達(dá)較直接的產(chǎn)物。太空丹參的蛋白質(zhì)譜帶條數(shù)為14條，對照為7條；過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)同工酶的條帶的數(shù)量有差異，并且太空丹參同工酶的多條譜帶的表達(dá)強(qiáng)于對照[3]。太空板藍(lán)根與對照間的酯酶同工酶酶帶數(shù)目存在差異[24]。航天誘變后植株生物材料同工酶的差異揭示，在催化相同的化學(xué)反應(yīng)上存在差異，這種差異可能影響次生代謝過程及其表達(dá)，導(dǎo)致中草藥品質(zhì)發(fā)生變化。

太空丹參中的葉綠素、類胡蘿卜素的總量在其不同生長階段均高于對照，其凈光合速率、光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)均高于對照[3]。衛(wèi)星搭載處理對雞冠花種子萌發(fā)產(chǎn)生了明顯的促進(jìn)作用，發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別提高了7.28%和13.36%[25]。在干旱脅迫下太空甘草種子的萌發(fā)率和胚根長勢都要明顯的高于對照，其種子中可溶性蛋白質(zhì)含量在種子萌發(fā)3 d 后，POD和CAT含量在萌發(fā)5 d后均明顯高于對照[2]。太空決明植株葉片葉綠素含量顯著升高，SOD含量高于對照，而POD、丙二醛含量較對照降低[23]。

1.7 細(xì)胞學(xué)效應(yīng)與分子標(biāo)記

太空丹參的根尖細(xì)胞染色體數(shù)目與對照相同，且類型相似，只在染色體的形態(tài)及臂比方面存在較小差異，表明航天搭載對丹參的染色體核型影響較小[3]。太空搭載對黃芩染色體類型影響較大，出現(xiàn)了染色體畸變[26]。太空洋金花植物的葉綠體中的囊泡、葉綠體的基粒片層、淀粉粒等存在不同程度的變化[27]。此外，在紅花、桔梗搭載后植物細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)也發(fā)生一定程度的變化[28-29]。

高文遠(yuǎn)等[30]應(yīng)用隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(RAPD)分子標(biāo)記技術(shù)研究表明，微重力引起曼陀羅一定程度的基因組變異。太空丹參的中擴(kuò)增出A1-900與A1-450序列中的部分序列與對照中的基因序列具有一定的同源性，可能為調(diào)控丹酚酸類與丹參酮類生物合成途徑的關(guān)鍵酶基因[3]，這為下一步分子輔助育種奠定了基礎(chǔ)。太空環(huán)境對植物亞細(xì)胞及其DNA水平產(chǎn)生一定的影響，這些變化可能與植株形態(tài)與內(nèi)在品質(zhì)產(chǎn)生直接相關(guān)[31]。

1.8 抗性

在不少中草藥栽培中存在連作障礙問題，其根系分泌產(chǎn)生的化感物質(zhì)是導(dǎo)致連作障礙的主要原因。如在丹參根系分泌物中檢測到多種成分，這些成分在連作障礙中對生長發(fā)育起到抑制作用。楊先國[3]發(fā)現(xiàn)太空丹參根系分泌物中的化學(xué)成分的種類較少且含量明顯低于對照，且表現(xiàn)為根部感染根腐病與根結(jié)線蟲病的發(fā)病率低于對照，可作為抗病性較優(yōu)的新種質(zhì)資源。

孟憲水等[20]研究表明，參試的5個(gè)太空玫瑰花新品種中，2號、5號2個(gè)新品系都未見發(fā)病，屬對銹病免疫型，其他3個(gè)品系也均表現(xiàn)出不同程度的抗病能力。

2 中草藥航天新品種及其典型案例

2.1 中草藥航天新品種

中草藥種子經(jīng)過太空誘變后，地面變異評價(jià)研究較多，性狀穩(wěn)定品種審定及推廣應(yīng)用較少。2004年南京中科集團(tuán)利用長征二號運(yùn)載火箭搭載靈芝菌種，經(jīng)過不斷觀察篩選，培育出太空靈芝新菌種，此菌種抗腫瘤有效成分靈芝三萜顯著高于對照[32]。

2012年8月31日《中國中醫(yī)藥報(bào)》報(bào)道，天士力集團(tuán)培育的太空丹參變異較大，從中選育出的“天丹一號”新品種，該品種單株質(zhì)量達(dá)1000 g以上，為普通丹參的3倍，有效成分含量顯著高于對照，該品種已通過省級審定[32]。

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所將薏苡種子搭載“實(shí)踐八號”返回式衛(wèi)星，經(jīng)地面多年選育獲得了“太空1號”薏苡新品種，該品種于2012年通過了北京市品種審定。該品種有效成分含量明顯高于對照，產(chǎn)量提高30%以上，并且抗倒伏、抗病蟲性顯著提高。經(jīng)多點(diǎn)連續(xù)3年中試表明，該品種遺傳性狀穩(wěn)定，產(chǎn)量和品質(zhì)均顯著高于對照[1]。

2.2 典型案例

1994年，江西省廣昌縣開展了白蓮航天育種研究，培育出航天白蓮新品種，新品種比常規(guī)品種增產(chǎn)60%，經(jīng)過20多年的發(fā)展已成為當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)。

經(jīng)過航天育種的白蓮，其藕、花、葉、蓮、籽粒都產(chǎn)生了較大變異。蓮蓬大，每粒蓮子2.4 g以上，產(chǎn)量高(每公頃產(chǎn)1800 kg)。蓮子表現(xiàn)顆粒均勻，結(jié)實(shí)率高達(dá)90%以上。此外，蓮子采收期比常規(guī)品種延長30～40 d。自2000 年以來，已累計(jì)推廣面積13萬公頃，每公頃純增收12 000多元，累計(jì)增收20多億元。此外，白蓮航天育種還選育出10多個(gè)觀賞品種，已被引種到北京北海公園、北京蓮花池公園、杭州西湖、廣東三水荷花大世界等各大景點(diǎn)，起到了很好的觀賞效果[33]。

3 展望

存在的主要問題：1)缺少中藥學(xué)研究，如藥效物質(zhì)基礎(chǔ)、毒理學(xué)和藥效學(xué)系統(tǒng)評價(jià)。2018年7月23日，國家市場監(jiān)督管理總局頒布了《中藥材生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(修訂草案征求意見稿)》，其中第四十一條中明確指出：“如需使用非傳統(tǒng)習(xí)慣使用的種間嫁接材料、人工誘變品種(包括物理、化學(xué)、太空誘變等)和其他生物技術(shù)選育品種等，企業(yè)應(yīng)當(dāng)提供充分的風(fēng)險(xiǎn)評估和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明新品種安全、有效和質(zhì)量可控”。太空育種選育出的新材料、新種質(zhì)在審定品種推廣前需要科學(xué)系統(tǒng)評價(jià)；2)農(nóng)藝形狀研究不夠，如產(chǎn)量、性狀穩(wěn)定性、抗性等；3)缺少空間誘變的分子水平的機(jī)制研究；4)植物新品種保護(hù)與品種審定有待加強(qiáng)；5)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用案例少。針對上述問題，提出下一步的研究展望。

3.1 中草藥航天育種研究方向

主要從以下幾個(gè)方面開展研究工作：1)安全性評價(jià)，開展毒理學(xué)研究評價(jià)其安全性；2)藥效學(xué)研究，明確藥效學(xué)變化及其關(guān)鍵藥效成分構(gòu)成的作用機(jī)制；3)藥性變化研究，從藥效物質(zhì)基礎(chǔ)角度明確藥性變化機(jī)理；4)功能性有效成分的生物合成和遺傳調(diào)控機(jī)理研究以及空間誘變的分子機(jī)制，該研究對提高中藥有效成分、產(chǎn)品質(zhì)量和臨床療效起關(guān)鍵作用；5)變異后代穩(wěn)定性研究，包括農(nóng)藝性狀和中藥學(xué)性狀，進(jìn)行多代培育及系統(tǒng)評價(jià)，直到考核的性狀穩(wěn)定；6)抗性育種，特別是抗病蟲害以及連作障礙，這是解決中草藥農(nóng)殘及重茬問題的關(guān)鍵；7)早期變異篩選，通過高通量分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行早期變異篩選，加速育種進(jìn)程。

3.2 中草藥新品種保護(hù)與品種審定

植物新品種保護(hù)是知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的一種形式，國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家林業(yè)和草原局是我國植物新品種權(quán)的審批機(jī)關(guān)，這兩部門按照農(nóng)業(yè)和林業(yè)分工，共同負(fù)責(zé)植物新品種權(quán)申請的受理，審查申報(bào)新品種的選育過程、特異性、一致性和穩(wěn)定性等內(nèi)容，對符合規(guī)定條件的新品種授予植物新品種權(quán)。良種是指在一定的區(qū)域內(nèi)，其產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等方面優(yōu)于當(dāng)前主栽品種或材料。一般情況，首先要獲得植物新品種權(quán)，經(jīng)過實(shí)踐證明有應(yīng)用前景的前提下，并經(jīng)過品種比較試驗(yàn)和區(qū)域化試驗(yàn)，再申請良種審定，對于審定的良種才能在適宜地區(qū)推廣應(yīng)用。上述藥用植物新品種保護(hù)和中草藥良種審定工作開展尚少，開展相關(guān)工作是產(chǎn)業(yè)化提升的重要內(nèi)容，要引起廣泛重視。

3.3 建立我國航天育種的協(xié)同創(chuàng)新平臺

為更好解決空間環(huán)境資源應(yīng)用研究問題，2018年5月，由中國空間技術(shù)研究院牽頭，聯(lián)合中國科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、北京中醫(yī)藥大學(xué)等共8家單位成立了空間環(huán)境應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室將開展微重力科學(xué)研究、空間材料科學(xué)、空間生物工程、空間先進(jìn)制造、空間育種等方面的技術(shù)應(yīng)用研究?？臻g育種是該實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，中草藥航天育種由北京中醫(yī)藥大學(xué)負(fù)責(zé)。通過發(fā)揮各聯(lián)合單位優(yōu)勢，形成專業(yè)合力，促進(jìn)和推動(dòng)空間應(yīng)用研究和發(fā)展。

為了使我國航天育種形成合力發(fā)揮更大作用，2018年7月，航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟在北京成立，該聯(lián)盟由中國航天科技集團(tuán)有限公司、中國科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、北京中醫(yī)藥大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位共同發(fā)起。聯(lián)盟由全國從事農(nóng)業(yè)、林草業(yè)、中草藥、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域研究與應(yīng)用的單位組成，掛靠在中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會。聯(lián)盟搭建航天育種研究、產(chǎn)品研發(fā)、成果推廣的共享平臺，建立“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制和利益共享機(jī)制。該聯(lián)盟于2018年12月在北京召開了“航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟第一次聯(lián)盟大會”，在會議期間舉辦了“航天育種2018論壇”。上述協(xié)同創(chuàng)新平臺的建立對于中草藥航天育種工作具有極大的推動(dòng)作用。

3.4 創(chuàng)新“航天科技+中藥農(nóng)業(yè)+文旅創(chuàng)意”產(chǎn)業(yè)融合新模式

隨著國家大力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)融合，鼓勵(lì)發(fā)展鄉(xiāng)村旅游與休閑農(nóng)業(yè)，提倡航天育種產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。我們提出“航天科技+中藥農(nóng)業(yè)+文旅創(chuàng)意”產(chǎn)業(yè)融合新模式，創(chuàng)新提出“航天中藥農(nóng)業(yè)”示范基地和科普教育基地，集聚航天技術(shù)、中藥農(nóng)業(yè)等資源要素，打造特色農(nóng)業(yè)新名片和智慧農(nóng)業(yè)新樣板，促進(jìn)“三產(chǎn)融合、三生統(tǒng)籌”發(fā)展，形成航天中藥農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化體系，為我國生態(tài)農(nóng)業(yè)、中藥農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。