藥用植物多倍體育種研究進(jìn)展

許陶瑜，田洪嶺，郭淑紅，吳昌娟，裴帥帥，王秋寶，郝耀鵬

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所，山西汾陽 032200）

多倍體普遍存在于植物界中，植物中至少有1/3 以上的種是多倍體，被子植物中多倍體占1/2以上，而禾本科植物多倍體占到3/4 以上[1-2]。多倍體是植物發(fā)生變異的重要途徑之一，比較基因組學(xué)及基因組全序列的測定也證明了幾乎所有的真核生物在進(jìn)化過程中都曾有過加倍的過程。多倍體化是促進(jìn)植物進(jìn)化的主要機(jī)制，也導(dǎo)致了被子植物的高度多樣化。

多倍體植物有3 套或更多套同源染色體。這些植物染色體數(shù)目的增加是基因組復(fù)制事件的結(jié)果。根據(jù)基因組復(fù)制事件的起源，可認(rèn)為有2 種不同的多倍體類型：同源多倍體，它們來自二倍體基因組（種內(nèi)）的增殖；異源多倍體，它們是雜交的結(jié)果，然后是2 個(gè)單倍體基因組（種間）的加倍。盡管存在這種差異，但這2 種多倍體都得益于它們的遺傳信息加倍所提供的基因組緩沖效應(yīng)。由于這種緩沖作用，表觀遺傳變化以及DNA 序列的獲得和丟失對生物體的生存能力沒有或不嚴(yán)重的有害影響，而它們提供了遺傳變異的增加，從而允許基因組的進(jìn)化。此外，異源多倍體中不同基因組的組合會導(dǎo)致基因組結(jié)構(gòu)的隨機(jī)變化和親本基因組基因表達(dá)的改變，從而產(chǎn)生加性雜種優(yōu)勢效應(yīng)。染色體數(shù)目的增加以及額外的基因組相互作用和遺傳改變往往使多倍體植株的性狀優(yōu)于二倍體植株，從而使多倍體化成為作物改良的可靠途徑。多倍體已在植物育種中成功實(shí)施，以提高馬鈴薯、紅三葉草、甜菜、西瓜等幾種作物的總產(chǎn)量和生物量。多倍體育種是一種有效的育種途徑。

1 自然界中藥用植物天然多倍體

多倍體是物種演化的一個(gè)重要因素，由多倍體產(chǎn)生新物種一般不需要較長的演變過程，舊物種通過染色體加倍，在自然界作用下經(jīng)過較短時(shí)間即可形成新的物種，這在一些顯花植物中尤為明顯，栽培植物中多倍體的比例也比野生植物多。因此，多倍體是快速形成新物種的一種形式，在1～2 代就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的多倍體后代。小麥、棉花、煙草和蕓薹屬等物種的進(jìn)化過程證明了多倍體現(xiàn)象在進(jìn)化的歷史上起到了重要的作用。

對于藥用植物而言，《中國藥典》收載的中藥材有618 種，其中，多基原中藥材147 種，占到了收載中藥材總數(shù)的24%。在多基原藥材中倍性變異普遍存在，即使單一基原的藥材中也普遍存在倍性變異。

柴胡為藥典收載的傘形科植物，柴胡或狹葉柴胡又稱為北柴胡和南柴胡。北柴胡多倍體類型有四倍體（2n＝4x＝24）和八倍體（2n＝8x＝48）；而狹葉柴胡染色體數(shù)目為2n＝2x＝12，是二倍體植物。黃精藥材基原為百合科植物滇黃精、黃精或多花黃精。3 個(gè)基原的染色體數(shù)目也不相同：滇黃精為2n＝26、30、64，黃精為2n＝24，多花黃精為2n＝18、20、22、24。黃連基原為毛茛科植物黃連、三角葉黃連或云連。黃連和云連均為二倍體（2n＝2x＝18），三角葉黃連為同源三倍體（2n＝3x＝27）。栝樓屬植物染色體存在2n為22、44、66、88 倍性的變異，藥典收錄的基原植物栝樓和雙邊栝樓染色體數(shù)目均為2n＝88，二倍體栝樓有毒不能入藥。麻黃為藥典收載草麻黃、中麻黃、木賊麻黃三個(gè)品種，草麻黃染色體為2n＝28，中麻黃染色體為2n＝28，木賊麻黃染色體為2n＝14。其中，草麻黃和中麻黃是四倍體，而木賊麻黃是二倍體?？梢姡匀唤缰械乃幱弥参锾烊欢啾扼w普遍存在。

2 藥用植物多倍體育種的優(yōu)勢

2.1 多倍體使藥用植物增產(chǎn)增收

染色體的加倍促使細(xì)胞核物質(zhì)與細(xì)胞的體積增大，使得藥用植物農(nóng)藝性狀發(fā)生明顯變化，主要表現(xiàn)在營養(yǎng)器官巨大性，如：葉片變大變厚，對于采集葉的藥用植物來說意義重大；花器變大，對于采集花的藥用植物來說增加了花的產(chǎn)量；果實(shí)變大、種子變大，有利于以采集果實(shí)的藥用植物的選育；營養(yǎng)器官根增大增粗，有利于根類藥材提高產(chǎn)量。宋燦等[1]用植物組織培養(yǎng)法培育了苦參四倍體，其葉片面積是二倍體葉片面積的2.04 倍。藥用植物的葉片、莖、花和根往往是所需活性物質(zhì)的來源，因此，與多倍體植物相關(guān)的生物量增加是多倍體育種優(yōu)勢的重要原因之一。多倍體植物具有較高的獲得率或較高的活性化合物含量，這對于活性化合物提取及其臨床應(yīng)用具有重要意義。

2.2 多倍體使藥用植物有效成分含量提高

細(xì)胞核中遺傳物質(zhì)的增加可引起植物生理方面的很多變化。藥用植物多倍體生理生化的變化必然引起新陳代謝及其產(chǎn)物的變化。藥用植物中的藥效作用多為植物生長發(fā)育中產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物起作用。多倍體有利于一些藥用植物的代謝產(chǎn)物含量的提高，進(jìn)而增加藥用植物的有效成分，大幅度提高藥效[2-4]。潘平等[5]比較半夏多倍體（十六倍體）與半夏八倍體中原球莖中草酸鈣晶體含量發(fā)現(xiàn)，多倍體中草酸鈣含量是單倍體的1 倍以上。高山林等[6]在含有10 mg/kg 的MS 培養(yǎng)基上接種丹參芽叢，秋水仙素導(dǎo)致了四倍體植株的產(chǎn)生；將四倍體植株轉(zhuǎn)移到田間與正常植株、二倍體植株進(jìn)行比較，結(jié)果四倍體植物的丹參酮含量高于對照。JESSICA 等[7]改良大麻產(chǎn)生四倍體，觀察四倍體無性系與二倍體對照植株形態(tài)和化學(xué)形態(tài)的變化發(fā)現(xiàn)，四倍體扇葉較大，氣孔比二倍體大30%左右，密度約為二倍體的1/2；四倍體糖葉毛狀花序密度增加約40%，萜烯含量顯著增加，花蕾密度增加9%左右。CHUNG 等[8]誘導(dǎo)產(chǎn)生四倍體秋葵（高級藥用蘭花），發(fā)現(xiàn)四倍體產(chǎn)生了較高的生物活性物質(zhì)，包括總黃酮和天麻素。

2.3 多倍體使藥用植物抗性增強(qiáng)

多倍體藥用植物具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，較二倍體具有更強(qiáng)的抗逆性及抗病性。溫國等[9]培育了四倍體枇杷和二倍體進(jìn)行抗旱性鑒定，發(fā)現(xiàn)8 個(gè)抗旱性強(qiáng)的多倍體枇杷材料可用于進(jìn)一步抗旱性研究，培育多倍體是提高枇杷抗旱性的一條有利途徑。鄧敏捷等[10]創(chuàng)制了泡桐四倍體新種質(zhì)，在0.6%NaCl脅迫下四倍體泡桐表現(xiàn)出比二倍體更強(qiáng)的抗鹽脅迫性。

2.4 多倍體使藥用植物克服遠(yuǎn)緣雜交不親和

2 個(gè)物種親緣關(guān)系較遠(yuǎn)易造成遠(yuǎn)緣不親和及雜種不育。通過染色體加倍形成異源多倍體，可以克服遠(yuǎn)緣雜交不結(jié)實(shí)，提高結(jié)實(shí)率并形成永久雙二倍體。劉思余[11]采用誘導(dǎo)多倍體方法克服了菊花腦和栽培菊花的物種間遠(yuǎn)緣雜交不親和，用秋水仙素浸泡誘導(dǎo)出四倍體菊花腦。

3 藥用植物多倍體育種的不足

3.1 多倍體導(dǎo)致藥用植物畸形率提高

王帥等[12]用秋水仙素處理地黃，產(chǎn)生多倍體地黃，其子葉厚而小，莖稈粗短，根部呈圓錐形；而正常地黃植株，子葉薄而較大，莖稈細(xì)長，根系生長良好。邵冰潔等[13]用秋水仙素處理枸杞，發(fā)現(xiàn)四倍體枸杞株高和葉片數(shù)比對照有減少的趨勢。

3.2 多倍體導(dǎo)致藥用植物生長發(fā)育變得遲緩

由于生長素含量降低很多多倍體藥用植物細(xì)胞分裂的強(qiáng)度降低，加之細(xì)胞體積增大，多倍體在生長發(fā)育階段表現(xiàn)出種子發(fā)育遲緩、營養(yǎng)生長慢、開花期晚、生育期延長等現(xiàn)象。莊云等[14]用秋水仙素誘導(dǎo)柴胡多倍體發(fā)現(xiàn)，誘變植株形態(tài)上，幼苗前期真葉生長明顯受抑制，變異的幼苗不僅第1 對真葉出現(xiàn)較遲，株高都顯著低于對照，葉片也較對照厚。

3.3 多倍體導(dǎo)致藥用植物結(jié)實(shí)率降低

多倍體藥用植物常表現(xiàn)為孕性降低，是由于多倍體在聯(lián)會過程中形成多價(jià)體或單價(jià)體，導(dǎo)致不均衡分離，導(dǎo)致部分不育，種子結(jié)實(shí)率低。李香串[15]研究表明，潞黨參四倍體株系結(jié)實(shí)率很低，且結(jié)實(shí)的種子出苗率比常規(guī)種子低50%左右。

4 藥用植物多倍體育種研究展望

染色體是基因的主要載體，染色體數(shù)目不同，必然導(dǎo)致個(gè)體植株形態(tài)、生理、次級代謝、藥理及毒性的不同，表型和藥材品質(zhì)差異明顯。為滿足藥用市場對原材料生藥的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化要求，必須了解藥用植物的基原染色體數(shù)。多倍體的系統(tǒng)深入研究可從根本上解決藥材物種混亂、質(zhì)量層次不齊、臨床用藥不穩(wěn)定等問題，對藥用植物規(guī)范化栽培和育種具有重要意義。育種家對藥用植物防風(fēng)、菘藍(lán)、山豆根、穿心蓮、裕丹參等進(jìn)行多倍體育種研究[16-25]，在園藝作物中多倍體育種也有著廣泛的應(yīng)用[26]。

多倍體植物對于以收獲籽粒為目的的藥用植物來說，是一個(gè)致命的的弱點(diǎn)，但對于收獲全草類、根莖類、葉類、花類的中藥材植物來說卻具有明顯的優(yōu)勢。多倍體育種具有效率高、育種周期短、成效顯著等特點(diǎn)，能大幅提高藥材產(chǎn)量和質(zhì)量，加強(qiáng)藥用植物多倍體育種研究前景光明。