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药用植物多倍体育种研究进展

2021-03-19 413 上传者：管理员

摘要：染色体多倍化是植物进化的一种重要途径和方法，它参与了许多物种的形成，让物种变得丰富而多彩。多倍化使很多药用植物细胞和形态巨大化，使代谢产物发生变化；同时带来了抗病性、抗逆性的增强，有着其他育种方法无法比拟的优势。尤其药用植物大多以营养器官作为主要收获物，可以充分利用多倍体营养器官巨大化的优点。多倍体育种是药用植物育种的一条重要途径。综述了自然界中的药用植物天然多倍体、药用植物多倍体育种的优势和不足，以期拓宽育种途径，为药用植物育种提供参考。

关键词：
作物品种
多倍体
植物学
药用植物
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多倍体普遍存在于植物界中，植物中至少有1/3以上的种是多倍体，被子植物中多倍体占1/2以上，而禾本科植物多倍体占到3/4以上[1,2]。多倍体是植物发生变异的重要途径之一，比较基因组学及基因组全序列的测定也证明了几乎所有的真核生物在进化过程中都曾有过加倍的过程。多倍体化是促进植物进化的主要机制，也导致了被子植物的高度多样化。

多倍体植物有3套或更多套同源染色体。这些植物染色体数目的增加是基因组复制事件的结果。根据基因组复制事件的起源，可认为有2种不同的多倍体类型：同源多倍体，它们来自二倍体基因组（种内）的增殖；异源多倍体，它们是杂交的结果，然后是2个单倍体基因组（种间）的加倍。尽管存在这种差异，但这2种多倍体都得益于它们的遗传信息加倍所提供的基因组缓冲效应。由于这种缓冲作用，表观遗传变化以及DNA序列的获得和丢失对生物体的生存能力没有或不严重的有害影响，而它们提供了遗传变异的增加，从而允许基因组的进化。此外，异源多倍体中不同基因组的组合会导致基因组结构的随机变化和亲本基因组基因表达的改变，从而产生加性杂种优势效应。染色体数目的增加以及额外的基因组相互作用和遗传改变往往使多倍体植株的性状优于二倍体植株，从而使多倍体化成为作物改良的可靠途径。多倍体已在植物育种中成功实施，以提高马铃薯、红三叶草、甜菜、西瓜等几种作物的总产量和生物量。多倍体育种是一种有效的育种途径。

1、自然界中药用植物天然多倍体

多倍体是物种演化的一个重要因素，由多倍体产生新物种一般不需要较长的演变过程，旧物种通过染色体加倍，在自然界作用下经过较短时间即可形成新的物种，这在一些显花植物中尤为明显，栽培植物中多倍体的比例也比野生植物多。因此，多倍体是快速形成新物种的一种形式，在1～2代就可以产生稳定的多倍体后代。小麦、棉花、烟草和芸薹属等物种的进化过程证明了多倍体现象在进化的历史上起到了重要的作用。

对于药用植物而言，《中国药典》收载的中药材有618种，其中，多基原中药材147种，占到了收载中药材总数的24%。在多基原药材中倍性变异普遍存在，即使单一基原的药材中也普遍存在倍性变异。

柴胡为药典收载的伞形科植物，柴胡或狭叶柴胡又称为北柴胡和南柴胡。北柴胡多倍体类型有四倍体（2n=4x=24）和八倍体（2n=8x=48）；而狭叶柴胡染色体数目为2n=2x=12，是二倍体植物。黄精药材基原为百合科植物滇黄精、黄精或多花黄精。3个基原的染色体数目也不相同：滇黄精为2n=26、30、64，黄精为2n=24，多花黄精为2n=18、20、22、24。黄连基原为毛茛科植物黄连、三角叶黄连或云连。黄连和云连均为二倍体（2n=2x=18），三角叶黄连为同源三倍体（2n=3x=27）。栝楼属植物染色体存在2n为22、44、66、88倍性的变异，药典收录的基原植物栝楼和双边栝楼染色体数目均为2n=88，二倍体栝楼有毒不能入药。麻黄为药典收载草麻黄、中麻黄、木贼麻黄三个品种，草麻黄染色体为2n=28，中麻黄染色体为2n=28，木贼麻黄染色体为2n=14。其中，草麻黄和中麻黄是四倍体，而木贼麻黄是二倍体。可见，自然界中的药用植物天然多倍体普遍存在。

2、药用植物多倍体育种的优势

2.1多倍体使药用植物增产增收

染色体的加倍促使细胞核物质与细胞的体积增大，使得药用植物农艺性状发生明显变化，主要表现在营养器官巨大性，如：叶片变大变厚，对于采集叶的药用植物来说意义重大；花器变大，对于采集花的药用植物来说增加了花的产量；果实变大、种子变大，有利于以采集果实的药用植物的选育；营养器官根增大增粗，有利于根类药材提高产量。宋灿等[1]用植物组织培养法培育了苦参四倍体，其叶片面积是二倍体叶片面积的2.04倍。药用植物的叶片、茎、花和根往往是所需活性物质的来源，因此，与多倍体植物相关的生物量增加是多倍体育种优势的重要原因之一。多倍体植物具有较高的获得率或较高的活性化合物含量，这对于活性化合物提取及其临床应用具有重要意义。

2.2多倍体使药用植物有效成分含量提高

细胞核中遗传物质的增加可引起植物生理方面的很多变化。药用植物多倍体生理生化的变化必然引起新陈代谢及其产物的变化。药用植物中的药效作用多为植物生长发育中产生的次级代谢产物起作用。多倍体有利于一些药用植物的代谢产物含量的提高，进而增加药用植物的有效成分，大幅度提高药效[2,3,4]。潘平等[5]比较半夏多倍体（十六倍体）与半夏八倍体中原球茎中草酸钙晶体含量发现，多倍体中草酸钙含量是单倍体的1倍以上。高山林等[6]在含有10mg/kg的MS培养基上接种丹参芽丛，秋水仙素导致了四倍体植株的产生；将四倍体植株转移到田间与正常植株、二倍体植株进行比较，结果四倍体植物的丹参酮含量高于对照。JESSICA等[7]改良大麻产生四倍体，观察四倍体无性系与二倍体对照植株形态和化学形态的变化发现，四倍体扇叶较大，气孔比二倍体大30%左右，密度约为二倍体的1/2；四倍体糖叶毛状花序密度增加约40%，萜烯含量显著增加，花蕾密度增加9%左右。CHUNG等[8]诱导产生四倍体秋葵（高级药用兰花），发现四倍体产生了较高的生物活性物质，包括总黄酮和天麻素。

2.3多倍体使药用植物抗性增强

多倍体药用植物具有更强的环境适应性，较二倍体具有更强的抗逆性及抗病性。温国等[9]培育了四倍体枇杷和二倍体进行抗旱性鉴定，发现8个抗旱性强的多倍体枇杷材料可用于进一步抗旱性研究，培育多倍体是提高枇杷抗旱性的一条有利途径。邓敏捷等[10]创制了泡桐四倍体新种质，在0.6%NaCl胁迫下四倍体泡桐表现出比二倍体更强的抗盐胁迫性。

2.4多倍体使药用植物克服远缘杂交不亲和

2个物种亲缘关系较远易造成远缘不亲和及杂种不育。通过染色体加倍形成异源多倍体，可以克服远缘杂交不结实，提高结实率并形成永久双二倍体。刘思余[11]采用诱导多倍体方法克服了菊花脑和栽培菊花的物种间远缘杂交不亲和，用秋水仙素浸泡诱导出四倍体菊花脑。

3、药用植物多倍体育种的不足

3.1多倍体导致药用植物畸形率提高

王帅等[12]用秋水仙素处理地黄，产生多倍体地黄，其子叶厚而小，茎秆粗短，根部呈圆锥形；而正常地黄植株，子叶薄而较大，茎秆细长，根系生长良好。邵冰洁等[13]用秋水仙素处理枸杞，发现四倍体枸杞株高和叶片数比对照有减少的趋势。

3.2多倍体导致药用植物生长发育变得迟缓

由于生长素含量降低很多多倍体药用植物细胞分裂的强度降低，加之细胞体积增大，多倍体在生长发育阶段表现出种子发育迟缓、营养生长慢、开花期晚、生育期延长等现象。庄云等[14]用秋水仙素诱导柴胡多倍体发现，诱变植株形态上，幼苗前期真叶生长明显受抑制，变异的幼苗不仅第1对真叶出现较迟，株高都显著低于对照，叶片也较对照厚。

3.3多倍体导致药用植物结实率降低

多倍体药用植物常表现为孕性降低，是由于多倍体在联会过程中形成多价体或单价体，导致不均衡分离，导致部分不育，种子结实率低。李香串[15]研究表明，潞党参四倍体株系结实率很低，且结实的种子出苗率比常规种子低50%左右。

4、药用植物多倍体育种研究展望

染色体是基因的主要载体，染色体数目不同，必然导致个体植株形态、生理、次级代谢、药理及毒性的不同，表型和药材品质差异明显。为满足药用市场对原材料生药的规范化、标准化要求，必须了解药用植物的基原染色体数。多倍体的系统深入研究可从根本上解决药材物种混乱、质量层次不齐、临床用药不稳定等问题，对药用植物规范化栽培和育种具有重要意义。育种家对药用植物防风、菘蓝、山豆根、穿心莲、裕丹参等进行多倍体育种研究[16,17,18,19,20,21,22,23,24,25]，在园艺作物中多倍体育种也有着广泛的应用[26]。

多倍体植物对于以收获籽粒为目的的药用植物来说，是一个致命的的弱点，但对于收获全草类、根茎类、叶类、花类的中药材植物来说却具有明显的优势。多倍体育种具有效率高、育种周期短、成效显著等特点，能大幅提高药材产量和质量，加强药用植物多倍体育种研究前景光明。

参考文献：

[1]宋灿,刘少军,肖军,等.多倍体生物研究进展[J].中国科学:生命科学,2012,42(3):173-184,259-265.

[3]房翠萍.丹参多倍体诱导､毛状根培养及其丹参酮产量提高的研究[D].合肥:安徽农业大学,2011.

[4]艾建国,高山林.丹参同源四倍体的诱导､鉴定及有效成分的含量测定[J].药物生物技术,2003,10(6):372-376.

[5]潘平,李伟平,鲁光耀,等.多倍体与八倍体半夏中草酸钙晶体含量的测定[J].中华中医药学刊,2013,31(9):1985-1987.

[6]高山林,朱丹妮,蔡朝晖,等.丹参多倍体性状和药材质量的关系[J].植物资源与环境,1996,5(2):1-4.

[9]温国,孙皓浦,党江波,等.多倍体与二倍体枇杷叶片特征及抗旱性初步分析[J].果树学报,2019,36(8):968-979.

[10]邓敏捷,张晓申,范国强,等.四倍体泡桐对盐胁迫生理响应的差异[J].中南林业科技大学学报,2013,33(11):42-46.

[11]刘思余.四倍体菊花脑的离体诱导及其育种利用研究[D].南京:南京农业大学,2010.

[12]王帅,李铂,张瑜,等.秋水仙素诱导地黄多倍体的初步研究[J].陕西农业科学,2008(6):47-50.

[13]邵冰洁,万思琦,刘江淼,等.黑果枸杞和宁夏枸杞的多倍体诱导和鉴定[J].分子植物育种,2018,16(8):2593-2599.