航天育種技術(shù)對(duì)藥用植物影響的研究進(jìn)展※

周孟焦 史芳芳 康 明 梁曉峰*

（1 四川中醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校川西北中藥材資源研究與開(kāi)發(fā)利用實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000；2 西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

中藥材是中醫(yī)防病治病的物質(zhì)基礎(chǔ)，中藥資源是創(chuàng)新藥物的源頭和基礎(chǔ)，中藥材資源可持續(xù)利用是中醫(yī)藥事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的保證。將航天育種技術(shù)應(yīng)用于中藥材優(yōu)良新品種的選育，可以解決藥材面臨的資源嚴(yán)重短缺、瀕危及種子退化等困境。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，我國(guó)科研人員將航天育種技術(shù)應(yīng)用于多種藥用植物研究，對(duì)藥用植物經(jīng)過(guò)空間誘變后的形態(tài)、化學(xué)成分、生理特點(diǎn)及安全性等方面開(kāi)展了大量研究。

1 航天育種的特點(diǎn)

航天育種是利用衛(wèi)星、飛船等返回式航天器將植物種子、組織、器官或生命個(gè)體搭載到宇宙空間，在太空誘變因子作用下，使其發(fā)生形狀變異，利用有益的變異選育出植物新品系的技術(shù)［1］。在太空中，空間宇宙射線、微重力（10-6～10-3g）、高真空、超潔凈和交變磁場(chǎng)等特殊環(huán)境可影響作物或種子的生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化特性、遺傳變異［2-3］。這種育種技術(shù)的特點(diǎn)是：（1）突變具有廣譜性，變異頻率高、變異幅度大，有益變異較多，大多數(shù)變異性狀穩(wěn)定較快；（2）育種周期縮短，穩(wěn)定快，變異性狀一般在3、4 代開(kāi)始穩(wěn)定；（3）不存在轉(zhuǎn)基因的潛在安全隱患，即植物損失輕，航天搭載對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)顯著影響，更無(wú)顯著的限制作用，但對(duì)植株的生育進(jìn)程、器官和果實(shí)大小等數(shù)量性狀有一定影響，其中對(duì)植物生育進(jìn)程的影響最顯著［4］；（4）易出現(xiàn)特殊突變體，能夠創(chuàng)造自然界所沒(méi)有的新性狀和新基因［5］。

2 航天育種對(duì)藥用植物的影響

2.1 生物學(xué)性狀影響 航天育種可影響藥用植物種質(zhì)資源的育種進(jìn)程，有利于優(yōu)良的新品種的選育。航天誘變后大多數(shù)植株會(huì)在植株高度、品質(zhì)、產(chǎn)量、葉片、生育周期等方面發(fā)生變異。航天搭載丹參植物特征相較于對(duì)照組地面丹參，具有莖桿較矮、葉片增大、表型差異明顯等特點(diǎn)［6］。黃西洋等［7］將航天育種羅漢果的生長(zhǎng)周期、果實(shí)含量、形態(tài)特征和授粉雄性選擇等特性與傳統(tǒng)羅漢果和野生羅漢果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示羅漢果航天早熟突變體雌株，具有整個(gè)生育期長(zhǎng)，高甜苷含量，果實(shí)大、重、早熟性的優(yōu)勢(shì)性狀。Mao 等［8］研究發(fā)現(xiàn)航空搭載后決明子，植株的成熟時(shí)間、分枝數(shù)、株高、株莖、地莖和產(chǎn)量均有所增加。太空誘變引起的變異大多是可遺傳的，且變異影響高于地面其它誘變因素所誘發(fā)的變異，王曾珍等［9］用3 種不同誘變方式，60Co-γ 射線、NaN3和航天誘變，以不同劑量處理普那菊苣，航天誘變后的種子在發(fā)芽指數(shù)、主根長(zhǎng)度和莖葉、根系鮮質(zhì)量上都與對(duì)照組差異巨大，并且比輻射和化學(xué)誘變的種子的差異明顯，尤其是航天育種發(fā)芽率高，葉片寬大，根系生長(zhǎng)速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照組。研究表明，航天誘變能夠擴(kuò)大夏枯草各株型表型的變異譜，加快了夏枯草的育種進(jìn)程［10］。

2.2 生理生化變化 航天育種對(duì)藥用植物的生理生化特征產(chǎn)生明顯影響。植物經(jīng)太空輻射后會(huì)產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng)，檢驗(yàn)輻射誘變生理生化效應(yīng)的主要指標(biāo)是光合色素量、酶蛋白活性的檢測(cè)和酯酶同工酶譜的分析。高文遠(yuǎn)等開(kāi)展了太空環(huán)境對(duì)甘草生理生化影響的工作［11］，衛(wèi)星搭載后的苜蓿愈傷組織對(duì)干旱和鹽具有較強(qiáng)的抵抗能力［12］。經(jīng)太空環(huán)境處理后的“太空人參酵母”，可對(duì)由模擬微重力引起的人原代成纖維細(xì)胞損傷起到保護(hù)作用［13］。王曦茁等［14］研究分析淡紫擬青霉在航天誘變前后對(duì)線蟲(chóng)卵寄生和殺線蟲(chóng)的相關(guān)因子（包括胞外酶和次生代謝產(chǎn)物），發(fā)現(xiàn)太空誘變菌株在盆缽實(shí)驗(yàn)中，與原始菌株相比較，表現(xiàn)出良好的防治效果。研究發(fā)現(xiàn)太空中的微重力作用于植物細(xì)胞，能夠影響細(xì)胞胞質(zhì)膜、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組、細(xì)胞壁和Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)狀態(tài)［15］。嚴(yán)碩等人經(jīng)返回式衛(wèi)星搭載甘草種子實(shí)驗(yàn)得到，經(jīng)搭載后的甘草種子，其主要活性成分甘草酸的合成和表達(dá)受到影響［16］。

2.3 化學(xué)成分差異 航天育種能夠影響藥用植物的有效成分含量。翁德寶等［17］對(duì)高空氣球搭載雞冠花中黃酮類物質(zhì)化學(xué)成分進(jìn)行研究，結(jié)果表明，搭載的兩個(gè)雞冠花品種花序黃酮醇的含量與對(duì)照組相比，提高了90% 和142%。航天搭載后丹參與地面對(duì)照組丹參有效成分比較，發(fā)現(xiàn)丹參酮ⅡA 含量，丹酚酸B 含量顯著高于對(duì)照。且丹參酮ⅡA、丹酚酸B 含量分別為0.57%、6.84%，與地面對(duì)照相比分別提高了0.22%、2.35%［18］。馮國(guó)亮等［19］在航天誘變夏枯草SP3 代有效成分分析中，發(fā)現(xiàn)太空誘變對(duì)夏枯草SP3 代果穗中總酚、總黃酮、迷迭香酸含量增加有促進(jìn)作用，對(duì)阿魏酸和咖啡酸的含量影響則無(wú)明顯規(guī)律性。關(guān)穎等［20］分析比較第四代太空組、地面組和對(duì)照品3 組防風(fēng)樣品FTIR 圖譜，結(jié)果表明，太空防風(fēng)中多糖和色原酮含量明顯高于其他2 組。芮玉奎等［21］報(bào)道了航空育種牛膝中微量元素和重金屬含量分析，結(jié)果表明太空育種牛膝中含有豐富的對(duì)人體有益的微量元素，同時(shí)重金屬含量也相對(duì)較高，但在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。王志宙、郭西華等［22-23］從整體上對(duì)航天育種和地面組的桔梗、知母等主要組分進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)航天誘變后植物多種活性成分含量有所增加。Zhang 等［24］研究發(fā)現(xiàn)，太空飛行物理技術(shù)使甘草中甘草酸和甘草素的含量增加，航天飛行后甘草化學(xué)成分的種類和次生代謝產(chǎn)物種類發(fā)生了變化。

2.4 藥材品質(zhì)變化 航天育種有利于選育出變異幅度大的特異質(zhì)的新品種。太空誘變能產(chǎn)生其他誘變處理難以誘導(dǎo)的突變類型，故能提供更豐富的選擇材料和雜交親本，為作物的遺傳選育提供了一種新的思路和途徑。屠呦呦等［1］研究發(fā)現(xiàn)，青蒿種子經(jīng)過(guò)太空誘變，具有無(wú)性繁殖速度快、遺傳穩(wěn)定性好、青蒿素含量高、畝產(chǎn)高等特點(diǎn)，適合推廣種植。關(guān)穎等［25］通過(guò)采用聯(lián)用XRF、PXRD 和FTIR 技術(shù)，從多種元素種類及含量、原子和分子層面，對(duì)地面組和太空組桔梗固有成分進(jìn)行表征，結(jié)果顯示太空桔梗中Mn、Zn、Fe、Ca、Mg 元素含量明顯高于地面組；太空組與地面組桔梗相比不含菊糖，但非晶體物質(zhì)的主要活性基團(tuán)成分有所增加。朱艷英等［26］比較航天誘變白芷和地面白芷FTIR 譜及二階導(dǎo)數(shù)譜，發(fā)現(xiàn)太空白芷中香豆素類活性成分含量增加，主組分含量變化明顯。胡海國(guó)等［27］測(cè)定產(chǎn)自昭通的5 種變形天麻和1 種太空選育天麻（太空天麻）中微量元素含量，結(jié)果顯示太空天麻中Zn、Mn、Fe、Ca、K、Mg 等6 種元素的含量均高于其他天麻的含量。彭曦等［28］研究表明，太空誘變的金釵石斛生物堿和多糖含量均顯著高于野生的，大大提升了金釵石斛的品質(zhì)。

2.5 生物安全性 航天育種新品種是誘發(fā)突變的結(jié)果，沒(méi)有外源基因的導(dǎo)入，所以從基因角度，太空誘發(fā)的變異同植物自然變異沒(méi)有本質(zhì)上的差別，航天誘變的新品種是安全的［29］。從輻射遺傳學(xué)角度，航天育種誘發(fā)的突變是空間環(huán)境的綜合因素所引起的，其中宇宙射線起了重要作用，因此，航天育種屬于輻射育種范圍。空間育種突變?cè)诒举|(zhì)上與雜交育種中的遺傳、分離和重組是一樣的，因此不產(chǎn)生有害物質(zhì)。一般輻射育種的劑量范圍在100～300 Gy，而航天育種的返回式衛(wèi)星艙內(nèi)太空輻射水平只有0.0015～0.008 Gy，因此從輻射劑量的角度考慮是安全的。從放射性污染的角度看，將返回式衛(wèi)星搭載下來(lái)的種子進(jìn)行72 h 連續(xù)放射性檢測(cè)，沒(méi)有檢測(cè)到任何放射性［3］。

3 展望

近年來(lái)，航天育種技術(shù)在藥用植物選育、特異種質(zhì)資源的創(chuàng)建和誘變機(jī)理研究方面取得了很大的進(jìn)展和成績(jī)。未來(lái)，隨著對(duì)太空認(rèn)識(shí)不斷深入、航天技術(shù)不斷發(fā)展，加之生物技術(shù)、植物學(xué)、藥學(xué)等方面的研究成果，會(huì)為藥用植物航天育種技術(shù)研究提供更為良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和技術(shù)保障。太空搭載誘變與常規(guī)育種相結(jié)合，將促進(jìn)中藥材資源進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用；開(kāi)展航天育種誘變機(jī)理研究及其航天育種中藥材長(zhǎng)期安全性評(píng)價(jià)應(yīng)該引起更多的關(guān)注。