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南藥青天葵資源和分子生物學(xué)研究進展

2016-03-10 10:20陳秀珍何瑞詹若挺
關(guān)鍵詞:分子鑒定組織培養(yǎng)文獻綜述

陳秀珍,何瑞,詹若挺

(廣州中醫(yī)藥大學(xué)中藥資源科學(xué)與工程研究中心,嶺南中藥資源教育部重點實驗室,國家中成藥工程技術(shù)研究中心南藥研發(fā)實驗室,廣東廣州 510006)

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南藥青天葵資源和分子生物學(xué)研究進展

陳秀珍,何瑞,詹若挺

(廣州中醫(yī)藥大學(xué)中藥資源科學(xué)與工程研究中心,嶺南中藥資源教育部重點實驗室,國家中成藥工程技術(shù)研究中心南藥研發(fā)實驗室,廣東廣州510006)

摘要:對青天葵資源和分子生物學(xué)研究進展進行綜述。近年來青天葵資源和分子生物學(xué)的研究涉及青天葵原植物與生藥學(xué)鑒定、人工栽培和組織培養(yǎng)、分子鑒定及功能基因等方面,這些技術(shù)研究內(nèi)容主要包括青天葵多倍體培養(yǎng)、分子鑒定、遺傳多樣性、轉(zhuǎn)錄組特征及功能基因克隆等。應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)已實現(xiàn)了青天葵及其近緣種、混偽品的分子鑒定,全面揭示了其遺傳多樣性及品種間的親緣關(guān)系;通過構(gòu)建青天葵轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫,促進了對該植物的生長發(fā)育和代謝調(diào)控等相關(guān)功能基因的研究。近年來青天葵資源和分子生物學(xué)研究雖已取得一定成果,但尚未能真正解決青天葵資源匱乏的關(guān)鍵問題。今后可利用青天葵轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)及其基因資源,大規(guī)模挖掘基因信息,深入研究候選基因的功能,明確青天葵生長發(fā)育過程中的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),利用基因工程手段保護青天葵的種質(zhì)資源和促進種質(zhì)資源開發(fā)進程。

關(guān)鍵詞:青天葵;生藥鑒定;組織培養(yǎng);人工栽培;分子鑒定;功能基因;文獻綜述

青天葵為蘭科芋蘭屬多年生宿根植物毛唇芋蘭Nervilia fordii(Hance)Schltr.的球莖或全草,又名獨角蓮、鐵帽子、獨葉蓮、珍珠草等,最早記載于《本草綱目拾遺》,為廣東、廣西的特產(chǎn)藥材,更是我國出口創(chuàng)匯的主要藥材[1-2]。青天葵藥性寒涼,味甘苦,無毒,具有清熱解毒、消腫散結(jié)、潤肺止咳等功效,對急性支氣管炎、哮喘等肺系疾病的臨床療效顯著,目前已在中藥化學(xué)和藥理學(xué)等方面取得較大進展[3-8]。近年來,由于過度采挖及其自身生長、繁育特性等原因,青天葵野生資源臨近枯竭,產(chǎn)量難以滿足需求,已被列入中國物種紅色名錄。為深入研究該瀕危物種的生長發(fā)育、代謝調(diào)控等分子機理,以豐富種質(zhì)資源開發(fā)、利用與保護的途徑,已有學(xué)者開展了相關(guān)研究。以下綜述青天葵資源和分子生物學(xué)方面的研究進展,以期對青天葵種質(zhì)資源研究的現(xiàn)狀做出合理的評價。

1 原植物及生藥鑒定研究

由于青天葵資源稀少、價格高,臨床需求量又非常大,市場混偽品時??梢姟T缭?0世紀(jì)90年代就有學(xué)者關(guān)注青天葵混偽品的鑒別研究,致力于規(guī)范藥材的來源,保證市場藥材的質(zhì)量,確保青天葵臨床應(yīng)用的安全有效。

1992年,龐耀鏡等[9]總結(jié)了青天葵原植物特殊的葉脈和根狀莖特征。青天葵葉脈具有特殊排列,于葉表面與葉背面交錯隆起,數(shù)量大約各占一半,其葉背面正中葉脈直伸葉端,而葉表面的葉脈沿葉端兩側(cè)順次排列,隆起的葉脈于葉面呈灰白色翅膜狀。該課題組觀察發(fā)現(xiàn)青天葵葉片可長出一段略膨大并生有不定根的植物器官,位于葉柄基部之下、肉質(zhì)塊莖之上,認(rèn)為該部位為青天葵地下莖的組成部分。之后,廖月葵等[10]建立了“葉形態(tài)—羽狀脈序—脈序圖譜鑒別法”,可以有效地鑒別青天葵及其易淆品番薯葉。中國芋蘭屬植物有7種2變種,產(chǎn)于廣東北部的毛葉芋蘭Nervilia aragoana Gaud.資源較為豐富,形態(tài)、功效與青天葵較為相似,傳統(tǒng)也作青天葵藥材用,稱“毛葉青天葵”以區(qū)分。毛葉芋蘭與毛唇芋蘭的不同點在于其紫綠色的葉表面和粗脈上均散生粗毛,葉背面呈深紫紅色[11]。

青天葵藥材性狀因加工方式不同而有所差異,干燥葉片青綠色或黃綠色,有的呈帶葉柄的皺縮團粒,有的呈不規(guī)則皺縮狀,有的則呈卷縮狀,易于混入偽品。陳鵬仙等[12-15]從藥材性狀特征、顯微特征、理化特征和粉末特征等方面,將青天葵藥材與毛葉芋蘭、紅薯葉、積雪草、滿天星和水半夏等混偽品種進行了區(qū)別。

2 組織培養(yǎng)與人工栽培研究

青天葵種子無胚乳,一般以球莖進行無性繁殖,繁殖系數(shù)極低。該植物僅適宜生長于石灰?guī)r地區(qū)蔭蔽、潮濕的環(huán)境,資源分布零星,加上近年亂采濫挖,以全株入藥,導(dǎo)致野生資源日益枯竭,已被列入瀕危植物名錄[16]。為了保護和擴大青天葵種質(zhì)資源,不少學(xué)者開展了青天葵人工栽培和組織培養(yǎng)技術(shù)的研究。

早在1985年,鄧錫青等[17]首次實現(xiàn)了以組織培養(yǎng)的方式繁殖子塊莖,先以塊莖為外植體誘導(dǎo)形成根狀莖,擴繁后用根莖形成子塊莖,提高了繁殖系數(shù),且不受季節(jié)限制。何芙裳等[18]優(yōu)化了青天葵的組培條件,以球莖為外植體誘導(dǎo)形成根莖,繁殖后將帶有莖尖的部分埋入砂土中,可形成子球莖及完整植株。凌征柱的課題組[19-22]研究了青天葵快速繁殖及叢生苗誘導(dǎo)的條件,進行了栽培試驗,并對試管苗與野生苗的形態(tài)特征,及對引種與組織培養(yǎng)栽培苗的可溶性蛋白進行了比較分析。杜勤等[23-25]對球莖、葉柄、葉片和走莖等外植體誘導(dǎo)效果進行了比較研究,發(fā)現(xiàn)以球莖誘導(dǎo)效果較佳,但是以球莖作為外植體需要破環(huán)整個植株,不利于資源的持續(xù)利用。

之后還有不少以球莖誘導(dǎo)產(chǎn)生再生苗的研究[26-29],僅潘學(xué)峰等[30]報道以青天葵葉片誘導(dǎo)獲得了球莖和再生苗;杜勤等[31-32]建立了青天葵種子無菌萌發(fā)的條件,以及用根狀莖再生的球莖制作萌發(fā)率較高的青天葵人工種子的方法。張曉麗等[33-35]還進行了青天葵愈傷組織懸浮培養(yǎng)和葉片原生質(zhì)體分離等研究;程鳳麗[36]成功獲得青天葵多倍體誘導(dǎo),豐富了青天葵種質(zhì)資源研究。

近年來也有一些關(guān)于青天葵人工栽培的研究,1994年徐乃良[37-38]報道了青天葵的高產(chǎn)栽培技術(shù),對青天葵的生長習(xí)性、選地整地、繁殖、種植、田間管理、病蟲害防治及采收加工等方法進行了詳細(xì)的介紹。野生青天葵中可以自然開花結(jié)果的植株甚少,凌征柱等[39]觀察了青天葵的開花習(xí)性,對其人工授粉技術(shù)進行了研究。發(fā)現(xiàn)青天葵球莖越大越容易產(chǎn)生花芽,所以人工栽培過程中仿野生環(huán)境,使用疏松肥沃的土壤進行栽培可促進球莖的生長,獲得較大的球莖,增加產(chǎn)生花芽的概率。在開花后第2天早晨9點至10點進行人工授粉,可促進青天葵開花得到果實。

杜勤[40]對青天葵的人工種植的生長狀況進行了調(diào)查監(jiān)測,制訂了青天葵藥材的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程(SOP)。唐美瓊等[41-42]探索了青天葵無土栽培的基質(zhì)及營養(yǎng)液配方,發(fā)現(xiàn)效果較好的基質(zhì)為菇渣∶木糠∶蔗渣,配比為1∶1∶1,青天葵生長最適合的營養(yǎng)液是1/2劑量萵苣營養(yǎng)液配方,為青天葵人工栽培新模式提供依據(jù)。翟勇進等[43]考察了噴施蕓苔素、細(xì)胞分裂素和植物基因活化劑3種葉面肥對青天葵器官生長的影響,認(rèn)為噴施蕓苔素葉面肥可以有效提高青天葵的產(chǎn)量。

3 青天葵的分子鑒定

傳統(tǒng)的中藥品種鑒定的依據(jù)主要來自于形態(tài)學(xué)特征,但該方法存在著重復(fù)性和穩(wěn)定性稍差等缺點。隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展,各種分子鑒定技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種物種的鑒定。目前,隨機擴增多態(tài)性DNA(random amplified polymorphic DNA,RAPD)、簡單重復(fù)序列(simple sequence repeats,SSR)、簡單重復(fù)序列區(qū)間(inter-simple sequence repeats,ISSR)和DNA條形碼(DNA barcode)等已應(yīng)用于青天葵分子鑒定。

朱華等[44]應(yīng)用RAPD分子標(biāo)記技術(shù)對來源于同一產(chǎn)地的青天葵和毛葉青天葵進行了種間遺傳多樣性分析,結(jié)果表明兩者之間的親緣關(guān)系較近,根據(jù)兩者RAPD的多態(tài)性程度可加以鑒別。而杜勤和魏智強等[45-46]應(yīng)用RAPD的方法分析了野生種、栽培種、近緣野生種等不同來源青天葵的分子遺傳多樣性,結(jié)合其形態(tài)可進行鑒別,同時認(rèn)為青天葵的遺傳多樣性主要來源于地域及生態(tài)環(huán)境的差異。

黃瓊林等[47-49]采用基于DNA條形碼鑒別技術(shù)對青天葵及其混偽品的鑒別作了深入研究,對大葉、中葉和小葉3種葉型青天葵及毛葉芋蘭、紅薯葉、車前草、積雪草等混偽品種的ITS2、rbcL、matK條形碼序列信息的分析表明,基于這3條序列的遺傳距離分析和構(gòu)建的NJ聚類樹均能直觀地區(qū)別青天葵及其混偽品種;應(yīng)用matK序列完全鑒別了供試的7個物種,并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹展示了7種芋蘭屬物種的親緣關(guān)系。周雨晴等[50]采用正交實驗設(shè)計優(yōu)化并建立了穩(wěn)定可靠的青天葵ISSRPCR反應(yīng)體系,為青天葵的分子鑒定、遺傳多樣性分析、分子標(biāo)記輔助育種、遺傳圖譜繪制等提供幫助。

4 青天葵的功能基因研究

進入后基因組時代以來,植物功能基因的研究逐漸成為科學(xué)家們關(guān)注和研究的熱點,尤其是有關(guān)植物生長、發(fā)育、衰老和死亡等生命過程中所伴隨的各種生理生化過程的基因調(diào)控機制的研究,可為種質(zhì)資源的保護和擴大利用提供依據(jù)。

當(dāng)前人們主要嘗試通過組織培養(yǎng)和人工栽培來獲得青天葵資源時,卻面臨著煉苗下田、擴大種植和種苗稀缺等瓶頸問題,產(chǎn)量遠(yuǎn)未能滿足市場和臨床需求。應(yīng)用生物技術(shù)進行青天葵優(yōu)良品種及產(chǎn)量提高等研究,有助于緩解當(dāng)前資源緊缺的現(xiàn)狀。何瑞領(lǐng)導(dǎo)的課題組[51-54]率先對青天葵的基因功能及其調(diào)控開展研究,構(gòu)建了青天葵轉(zhuǎn)錄組及其數(shù)據(jù)平臺,利用生物信息學(xué)技術(shù)對青天葵次生代謝產(chǎn)物合成、生理過程等相關(guān)功能基因進行了挖掘,并分析了這些基因在青天葵不同組織中的表達水平;其中包括植物萜類MEP生物合成途徑的第一個關(guān)鍵限速酶1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶(DXS)基因[52]、植物三萜類化合物合成MVA途徑的關(guān)鍵限速酶甲羥戊酸激酶(MVK)基因[53]和3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMGR)基因[53]等。還克隆獲得了青天葵器官大小調(diào)控基因NfEBP1 (Erb3-binding protein),并構(gòu)建了該基因的原核表達載體[54],為研究青天葵器官大小發(fā)育的調(diào)控機制奠定基礎(chǔ)。NEBP1的編碼區(qū)序列長1 188 bp,含395個氨基酸,分子量為43.5 kDa,功能預(yù)測該基因具有PA2G4細(xì)胞增殖功能,歸屬于APP_MetAP超級家族。此外,梁凌玲等[55-56]期望從改變青天葵植物的分枝模式來提高它的產(chǎn)量,從青天葵轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中篩選獲得一個分枝發(fā)育相關(guān)基因NfLS,并克隆獲得了該基因的cDNA全長序列,NfLS編碼區(qū)序列長1191 bp,編碼396個氨基酸,預(yù)測表明其歸屬于植物特有的GRAS家族。同時分析了NfLS在青天葵中不同器官及24 h周期內(nèi)的表達變化,構(gòu)建了該基因的植物表達載體,為通過生物技術(shù)打破青天葵一葉一球莖的繁肓現(xiàn)狀奠定基礎(chǔ)。

5 展望

青天葵是我國珍稀瀕危名貴藥材,野生資源逐年枯竭,其資源緊缺問題亟待解決。早期,生物學(xué)家們在青天葵組織培養(yǎng)和人工栽培方面做了各種努力,已通過組織培養(yǎng)獲得青天葵球莖和再生苗,人工栽培技術(shù)也相當(dāng)成熟。但也面臨煉苗下田、擴大種植和種苗稀少等瓶頸問題,仍未能真正解決青天葵資源匱乏、供不應(yīng)求的現(xiàn)狀。青天葵的分子生物學(xué)研究起步較晚,但也已經(jīng)取得了一定的進展。目前,利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)將實現(xiàn)青天葵及其近緣種、混偽品的分子鑒定,全面揭示其遺傳多樣性及品種間的親緣關(guān)系,為青天葵種質(zhì)資源的保護和合理利用提供重要參考;而青天葵轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建,促進了對該植物的生長發(fā)育和代謝調(diào)控等相關(guān)功能基因研究的逐步深入。

基因的表達趨勢與植物形態(tài)、代謝物的產(chǎn)生和積累等息息相關(guān),深入了解外界環(huán)境、激素等因素與生長發(fā)育相關(guān)基因的互作關(guān)系,有利于人工栽培過程中通過噴施激素或控制其他條件來調(diào)控基因的表達,進而達到改善作物性狀、提高產(chǎn)量和質(zhì)量等目的。國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用分子設(shè)計育種、轉(zhuǎn)基因和基因編輯等生物技術(shù)已經(jīng)培育出抗蟲性強的棉花、玉米、水稻等,還有富含維生素A的“金米”、耐儲藏的保鮮番茄等。實踐證明分子育種極大地加快了農(nóng)作物的選種、育種、性狀和品質(zhì)改良的進程,縮短了育種周期,這些成果同樣可為改進青天葵的產(chǎn)量和品質(zhì)提供有價值的參考。可以預(yù)見,通過充分利用青天葵轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)及其基因資源,大規(guī)模挖掘基因信息,深入研究候選基因的功能,明確青天葵生長發(fā)育過程中的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),將大大加速利用基因工程手段促進青天葵的種質(zhì)資源保護和開發(fā)的進程。

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【責(zé)任編輯:賀小英】

·文獻研究·

中圖分類號:R931

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1007-3213(2016)03 - 0415 - 04

DOI:10.13359/j.cnki.gzxbtcm.2016.03.029

收稿日期:2015-12-22

作者簡介:陳秀珍(1989-),女,在讀碩士研究生;E-mail:xiuzhenchan@163.com

通訊作者:何瑞,女,研究員,博士研究生導(dǎo)師;E-mail:ruihe@gzucm.edu.cn

基金項目:教育部留學(xué)回國人員科研啟動項目(教外司留[2009]1001號);中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金項目—南藥可持續(xù)利用研究與綜合開發(fā)利用技術(shù)平臺(粵財教[2010]358號);廣東省協(xié)同創(chuàng)新中心創(chuàng)新科研團隊建設(shè)項目(編號:A1-AFD01514A04)

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