药用植物种质资源迁地保护与利用

专稿

中国药用植物种质资源迁地保护与利用

肖培根

1*

, 陈士林, 张本刚, 魏建和,

4

1

1

111

周庆年, 缪剑华,

3

3

2

陈伟平, 张昭, 杨世林, 李学兰

(11中国医学科学院中国协和医科大学药用植物研究所, 北京 100193; 21中国医学科学院药用植物研究所广西分所, 广西 南宁 530023;

31中国医学科学院药用植物研究所云南分所, 云南 景洪 666100; 41中国医学科学院药用植物研究所海南分所, 海南 万宁 571533)

[摘要] 项目研究创新建立了我国药用植物种质资源迁地、离体保护技术体系, 在我国热带、亚热带和温带地区建立了全世界规模最大的药用植物种质迁地保护专业平台, 建立运行了中国第一座国家药用植物种质资源库。迁地和离体保护的药用物种达7000余种, 其中珍稀濒危物种200余种, 种质数量近3万份, 居世界首位。调查整理并编写完成5中国本草图录6, 为国际上药用植物资源方面最大型彩图科学专著。实现砂仁、肉豆蔻、白豆蔻大规模引种, 选育北柴胡、桔梗新品种, 上述引种选育的品种累计推广应用近1313万h m 2, 产生了重大的社会经济效益。创新建立了药用植物资源多级遥感调查方法技术体系, 项目成果获2009年度国家科技进步奖二等奖。

[关键词] 药用植物; 种质资源; 迁地保护; 利用

实现资源可持续利用、促进农村社会进步是我国重大的社会和经济发展需求。药用植物种质资源是国家重要生物战略资源, 是中医药可持续发展基础, 其开发利用是很多农村经济的支柱; 作为新药开发的重要来源, 珍贵的药用基因资源也是世界各国的争夺对象。但长期的过度开发利用、生态环境恶化等导致大量药用基因灭绝。为此, 加强药用基因资源的保存、保护和可持续利用是中国医药学发展迫在眉睫的重要任务。

我国是世界药用植物起源、分布和生产的核心国。以肖培根院士为首的研究人员, 率领中国医学科学院药用植物研究所北京总所和云南、海南、广西3个分所的科研人员, 几十年如一日, 以保护和合理利用我国药用植物种质资源为己任, 围绕种质资源保护最重要的方式之一) ) ) 迁地保护(广义上包含了离体保护), 开展技术研发、平台构建、种质调查收集保存、种质利用等方面艰苦卓绝的研究, 构建了药用植物种质资源迁地保护的理论、技术和平台体系, 树立了药用植物种质引种和选育利用的典范, 取得了一系列创新研究成果, 奠定了中药资源学科的基石。1 药用植物种质迁地保护技术研究

针对我国药用植物种质迁地保护技术落后现状,

[通讯作者]

*

以集成创新方式, 突破了上千种药用植物迁地、离体保护的技术难题, 建立了我国主要药用植物迁地保护的技术体系, 奠定了5000个物种迁地保护的基础。

111药用植物种质迁地保护技术体系构建

迁地保护技术是物种异地引种成功的关键, 药用植物的研究基础非常薄弱。本项目研究组的北京、广西、云南、海南课题组, 在几十年药用植物种质引种中, 攻克了一个个药用植物迁地保护的技术难题, 形成了一套适应温带、亚热带、热带地区迁地

[1]

保护药用物种的技术体系。针对每个物种的生物学特性、生长特点, 形成了一套技术方法, 包括:调整植物生长发育节律技术、改变植物生长习性技术、繁殖器官越冬保护技术、树形修整与包扎技术、营造合适小生态环境技术、种子保鲜贮藏技术等, 见图1。该技术已成功地应用到了5282个药用物种的迁地保护。

112药用植物种质离体保护技术体系构建

已往离体保护技术研究重点关注农作物、园艺植物等, 本项目研究组种质库课题组建立了药用植物种子入库保存关键环节的技术) ) ) 活力检测、干燥方法等。

肖培根, E -m a i:l x i aopg @publi c 1bta 1ne t 1cn

图1 项目构建的药用植物迁地保护技术体系

大部分药用植物种子存在休眠、发芽检测时间长、操作复杂等问题, 生活力检测是有效的快速检测方法, 但需针对每种植物种子建立标准流程。本

项研究建立了白术、白芷、板蓝根、半支莲、北沙参等药材种子生活力TTC 快速检测规范流程, 为大批种质入库时活力监测提供了有效、方便、快捷方法。

快速安全将种子含水量降至可长期保存安全值, 是种质入库的核心环节。通过比较研究, 国家药用植物种质资源库确定采用38e 低温鼓风干燥方法。通过逐个物种研究, 掌握了将药用植物种子含水量安全降至5%~7%的干燥时间, 如连翘015h 、南沙参1h 、荆芥3h 、丹参6h 、黄芪15h 、王不留行25h 、牛膝45h 。

2 药用植物种质资源迁地、离体保存研究

在北京、广西、云南、海南四大药用植物园迁地引种药用物种5282种, 离体保存种质2万份, 保存的药用植物种质数量居世界前列, 首次形成了对我国大量珍稀濒危及有重要潜在利用价值的药用基因资源的保护。

211药用物种的迁地保护

本项研究启动前, 没有针对药用植物种质资源的专项、系统研究, 一些物种和重要基因资源几近灭绝, 如苋桥地黄、野生当归、石牌藿香等。在创建了迁地保护技术体系基础上, 研究组科研人员通过几十年艰苦努力, 从全国各药材分布区及世界各地, 引种并保护的药用物种达280科5282种, 居国内首位, 其中国家一级保护植物62种, 二级保护植物181种, 国外引进物种150种以上, 见表1。

212药用植物种质资源的离体保存

药用植物离体保护工作非常薄弱。国家作物种质资源库只保存了红花、紫苏等药用植物种质1000余份(作为油料或蔬菜作物), 其他绝大部分药用植4[2-5]

物种质没有保存。项目组系统收集了我国野生、栽培药用植物种质2万份, 其中188个科1017个属2981种已完成数据标准化, 见表2。该项研究实现了一批珍稀濒危野生种质和有重要利用价值栽培药材种质的50年的长期保存。

表1 收集并实现了迁地保护的药用植物种质资源统计

物种总量

迁地保护平台

科数

北京药用植物园广西药用植物园海南南药园云南南药园

汇总合并重复后汇总

[**************]

物种数[***********]895282

濒危物种数量一级保护

物种数[1**********]

二级保护物种数

[1**********]181

合计[**************]

表2 国家药用植物种质资源库入库保存的种质(部分)

科学名L egum inosae Co m positae Um belliferae Lab iatae Rosaceae C ru ci ferae Gra m i neae C ucurb itaceae L iliaceae C a m panulaceae Am aran t haceae Euphorb iaceae Pol ygonaceae Solanaceae Rutaceae M al vaceae

种质数[***********][***********][1**********]82

科学名Caryophy ll aceae Convolvu l aceae Verbenaceae O leaceae Rub i aceae Caprif o li aceae Chenopod i aceae

Iri daceae Ranuncu laceae Lau raceae A rali aceae M oraceae Anacard iaceae Fagaceae Zi ngiberaceae Plan t agi naceae

种质数[***********][***********]06867

3 药用植物种质资源迁地、离体保护框架体系构建311专业药用植物园体系构建

根据我国药用植物种质资源迁地保护和引种栽培的要求, 结合我国气候资源特点, 项目组在我国热带、亚热带、温带分别建立了专门用于药用植物种质资源迁地保护的平台) ) ) 药用植物园:北京总所的药用植物园, 广西南宁的广西分所药用植物园, 云南西双版纳的云南分所南药园, 海南兴隆的海南

2

分所南药园, 总面积33313hm ; 各药用植物园按照保存种质的类别特点建设。该体系已成为全国乃至世界规模最大、体系最完整的药用植物种质迁地保护专业平台。

312专业化药用植物种质资源库构建

虽然20世纪90年代浙江杭州建立了我国第一座药用植物专业种质库, 但因缺乏种质搜集费用及运行维持费用(浙江高温、高湿种质库运行成本高), 该库难以运转使用。本项目成功建立运行了中国第一个国家药用植物种质资源库

[6]

在1988年就获得了卫生部科技进步一等奖。此后云南西双版纳州成为我国砂仁的主产区, 累计至今种植砂仁1218万hm , 产生经济效益412亿元。

针对我国不产白豆蔻、肉豆蔻的现状, 攻克了在海南规模化引种东南亚产肉豆蔻、白豆蔻结实产果的技术难题, 为我国新增了2个国外产南药种植品种。/南药) 白豆蔻引种研究0于1986年获卫生

部科技进步乙等奖。/肉豆蔻引种的研究0获中国医学科学院科技进步二等奖, 412北柴胡、桔梗新品种选育

本项目研究育种课题组在离体种质搜集评价中, 大力开展优良种质的品种选育研究。首次发现了浅休眠、高萌发率、生长快的北柴胡种质, 主持培育出国内外第一个北柴胡新品种/中柴1号0, 解决了长期严重限制家种柴胡发展的主要瓶颈问题之一/出苗率极低难题0, 通过多年多点大量试验, 建立了/中柴1号0产业化生产技术体系, 累计推广种植近万亩(66617hm ), 获2005年中华中医药学会科学技术三等奖, 奠定了柴胡药源混乱问题解决的基础。发现国内外第一份稳定遗传桔梗雄性不育材料, 明确了桔梗的雄性不育可以稳定遗传, 利用C M S 不育材料培育出不育率近100%的雄性不育系及相应保持系, 第一次奠定了有性繁殖中药材杂种优势利用雄性不育途径利用的基础。

5 药用植物种质资源调查与整理

首次全面系统开展了我国8000种药用植物种质资源调查、整理

[7-9]22

/肉豆蔻种苗繁殖技

术的研究0获中国医学科学院科技进步一等奖。

, 库容达10万份,

包括了储存年限45~50年的长期库和储存年限25~30年的中期库。该库的建设填补了我国重要生物资源种质库保存系统的重大缺陷, 为我国药用植物种质资源保存提供了一个全国性开放保存平台及种质交流使用平台。

4 药用植物种质资源引种与选育

首次攻克了在云南西双版纳引种阳春砂仁, 海南引种国外南药白豆蔻、肉豆蔻的产业化种植技术难题, 大规模推广种植取得显著经济效益。利用优良种质选育出了第一个北柴胡新品种/中柴1号0和桔梗不育系并推广应用, 树立了我国中药材种质引种、选育利用的典范。

411阳春砂仁、白豆蔻、肉豆蔻引种

在药用植物种质迁地保护研究中, 率先突破了一批药材大规模引种应用于生产的技术难题。针对阳春砂仁在西双版纳引种前, 只有广东阳春县等少数地区有产, 种植面积和产量均有限, 药用砂仁大部分依赖进口缩砂的问题, 研究组云南课题组从20世纪60年代起经10余年攻关研究, 突破了阳春砂仁仅限于广东阳春种植的地域限制, 攻克了砂仁在云南西双版纳引种栽培的适宜地选择、传粉、营养管理、叶斑病防治等技术瓶颈, 研发出了一套成本低、效益高、品质优、便于在西双版纳山区推广的砂仁栽培技术体系。从此使砂仁在西双版纳大面积推广开来, 结束了我国砂仁货源长期主要依赖进口的局面。/阳春砂仁在西双版纳引种推广0的成果

, 发现多个新物种并被5中

国药典6收载, 创新提出了/药用植物亲缘学0理论。

项目研究组在资源调查中, 发现并命名了暗紫贝母、蒙古黄芪、三角叶黄连、湖北贝母等新物种, 且均已收载入5中国药典6(2010年版) 。在长期研究药用植物亲缘关系-化学成分-疗效(药理活性及传统疗效) 间的相关性过程中, 创新提出了/药用植物亲缘学0理论, 有效指导了药用植物化学成分分布规律的探索工作以及药用植物资源的开发和新药寻找。

针对我国药用植物种质资源缺乏调查现状, 首次全面系统开展我国药用植物种质资源调查研究, 系统调查记录了8000种药用植物种质的形态特征及分布特点, 形成了5中国本草图录6中药志6鉴6

[12]

[11]

[10]

、5新编

、5中草药大典) 原色中草药植物图

等。5中国本草图录6整理了包括两岸三地

(大陆、台湾、港澳) 的药用植物种质资源4509种, 其中被子植物门184科4102种, 地衣植物门7科20种, 褐藻门1科1种, 蕨类植物门33科130种,

菌类植物门29科174种, 绿藻门2科4种, 裸子植物门11科67种, 苔藓植物门10科11种; 被译成日文及韩文, 首次全面系统向世界展示了我国药用植物种质资源, 获得了国家中医药管理局的科技进步一等奖(1998年) 、莱比锡国际图书奖、台湾立夫中医药学术一等奖。

6 药用植物资源调查新方法的建立

创新引进高空遥感和低空遥感的方法, 并应用于药用植物资源调查, 创建了快速、高效药用植物资源调查新方法。

长期以来我国中药资源的调查以实地样方调查方法为主。该法调查的数据可靠, 但效率低、费时长, 难以适应中药资源种类多、分布广、资源变动大的特点。研究组遥感课题组首次针对中药材资源品种多、群落特点复杂、分布区域广、资源变动速度快的特点, 引进遥感技术, 创新建立高空遥感和低空遥感相结合的快捷、高效药用植物资源调查新方法, 为以较短周期、高效、快速开展重点药用植物品种的资源调查奠定了基础, 同时也为实时监控药用植物资源变化、合理利用药用植物资源提供了切实可行方法, 见图2

。

7 结语

本项研究在我国药用植物种质资源迁地保护技术体系研究和构建上取得了重大突破, 收集保存

7000种30000份药用植物种质资源, 建成了目前世界规模最大的药用植物种质资源迁地保护平台。迁地保护药用植物种质资源、珍稀濒危药用基因资源居世界前列, 优良种质的引种和选育产生显著的经济效益。研究成果对我国中药种质资源保存、防止中药种质资源大量灭绝、丧失, 掌握中医药发展的战略资源, 推进具有自主知识产权中药现代化的发展产生了深刻、长远影响, 推动了发展山区医药经济的发展, 促进了生态环境保护

参考文献

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[14-15]

。

图2 中药资源多级遥感调查图

利用该技术体系, 采用中等分辨率的高空卫星影像ETM (15m ) 为底图布设高分辨率低空遥感的调查样地, 再以低空遥感影像判读出的不同群落类型布设地面调查样地, 计算出甘草分布的面积和蕴藏

[13]

量, 判读精度可高于90%。人参调查样区的人工判读精度, Landsat7ET M 图像(地面分辨率为15m ) 达90%, ETM 与SPOT 融合图像(地面分辨率为5m ) 达97%, QuickB ird 图像(地面分辨率为0161m ) 达100%。三七卫星遥感影像与实地勘测比较调查研究表明相对判对率、相对面积、相对产量精度可分别达到9217%、911181%和8517%。6