近40年來，生物技術尤其是基因工程技術的發展和應用為藥用植物的合理開發利用提供了強有力的革命性武器，基因工程技術在增強藥用植物抗性、提高其有效成分含量和保護藥用植物野生資源等方麵進行了一些開創性的研究並取得了可喜的成績。
植物是自然界中最好的化工廠，目前超過十萬種化合物被從植物中鑒定並以每年約4000種新化合物的速度增加。植物次生代謝物質大多具有生物活性，被廣泛用作醫藥品、化妝品、食品添加劑等。像紫杉醇、長春新堿、紫草寧、人參皂苷等著名的藥物均是植物次生代謝物質，它們分別具有抗腫瘤、抗菌、治療心腦血管疾病等重要療效。這些植物藥每千克的價格高達數十萬，甚至上百萬美元。
獲得植物次生代謝物的傳統方法是直接從野生植株中分離提取，但是這種方法大量的破壞自然資源。在尋求一種對環境友好的開發方式的同時，帶動了近幾十年來植物細胞培養技術的蓬勃發展。它的優點是不破壞自然資源；不受季節、氣候和地域限製；不占用耕地。但是植物細胞生長緩慢；次生代謝物含量低；生產能力不穩定；難以工業化等問題嚴重製約了其進一步的發展。在探索解決植物細胞培養過程中出現的上述問題的同時，另一種新的培養技術——植物毛狀根培養（發根培養）在最近十幾年引起了人們越來越多的重視。
1934年，Hildebrand報道了發根農杆菌感染蘋果樹產生發根，自此開始對其致病機理進行研究並與根癌農杆菌一起作為基因工程的載體。但是直到80年代後期，發根培養技術才真正應用中植物次生代謝物生產上。
本章將著重介紹近年來基因工程技術在藥用植物研究和應用方麵所取得的一些成果，同時對其在藥用植物中的應用前景作進一步的展望。藥用植物在人工引種栽培的過程中，病蟲害以及逆境脅迫（如低溫、高鹽、雜草等）都將對藥用植物的產量與品質產生嚴重負麵影響，不利於其大規模的栽培與質量控製。通過基因工程技術對藥用植物進行品質改良可以從根本上提高藥用植物的抗病蟲及抗逆能力，減少化學農藥的施用和栽培管理成本的投入，從而為建立GAP基地生產無公害“綠色藥材”提供源頭保障。
一、藥用植蟲基因工程
抗植物蟲害的基因有許多種，目前經常使用而且效果顯著的主要有：微生物來源的抗蟲基因，如從蘇雲金杆菌分離出的蘇雲金芽孢杆菌殺蟲結晶蛋白基因（Bacillusthuringiensisseeticidalcrystalprotein，Bt-toxin）；從植物中分離出的昆蟲的蛋白酶抑製劑基因，如豇豆抑肽酶抑製劑基因（cowpeatrypsininhibitor，CpTI）、澱粉酶抑製劑基因、外源凝集素基因等，以及動物來源的抗蟲基因，如來自哺乳動物和煙草天蛾的蛋白酶抑製劑基因。
(一)蘇雲金芽孢杆菌殺蟲晶體蛋白基因
蘇雲金芽孢杆菌是一種革蘭陽性芽孢杆菌，在芽孢形成過程中產生的伴胞晶體被稱為δ-內毒素，或殺蟲晶體蛋白（insecticidalcrystalprotein，ICP），屬於一種堿溶性蛋白，具有毒殺鱗翅目、雙翅目、鞘翅目等昆蟲的特性，是目前世界上應用最為廣泛、最有效的微生物殺蟲劑。
(二)蛋白酶抑製劑基因
蛋白酶抑製劑（proteinaseinhibitor，PI）是一類存在於某些植物中的蛋白質，它能抑製昆蟲或動物消化係統的蛋白酶活性，對植物起著天然保護作用。
1.蛋白酶抑製劑基因的抗蟲原理
20世紀50年代，Birk等發現含有大豆抑肽酶的大豆浸提物可抑製擬穀盜（Triboliumconfusum）幼蟲的生長。用某些純化的蛋白酶抑製劑喂養昆蟲發現，具有明顯的抗蟲作用。至今抗蟲機製仍不完全清楚，通常的解釋是PI與昆蟲消化道內的蛋白消化酶相結合，形成酶抑製劑複合物（EI），從而阻斷或減弱蛋白酶對於外源蛋白質的水解作用，導致蛋白質不能被正常消化；同時EI複合物能刺激昆蟲過量分泌消化酶，這一作用使昆蟲產生厭食反應。這樣，由於昆蟲缺乏生理代謝中所必需的一些氨基酸，必然會導致昆蟲發育不正常或死亡。此外，PI分子可能通過消化道進入昆蟲的血液淋巴係統，從而嚴重幹擾昆蟲的蛻皮過程和免疫功能，以致昆蟲不能正常發育。
進一步的PI的抗蟲機製要涉及昆蟲腸道內蛋白酶的合成、分泌和調控機製。Broadway等的研究表明：昆蟲在攝食含有PI的食物後，會分泌過量的消化酶來抵抗PI的抑製作用。Hinks等的試驗也證實：提高昆蟲食物中蛋白質的含量，可減輕或消除PI的抑製作用。此外，昆蟲腸道內有多種蛋白酶，由於PI的存在而導致各種酶之間在分泌或功能上的失調，這也可能是PI抗代謝效應的一個原因。
PI與昆蟲之間的相互作用是植物與昆蟲長期共同進化的結果。PI抗蟲的影響因素涉及植物PI的合成、積累、降解和誘導，昆蟲蛋白酶的合成和調控，以及其他分子對PI與蛋白酶兩者互作的影響等諸多方麵。植物生長發育過程中PI的合成是有階段特異性的。即PI隻在某一生長階段合成，隨後便會被降解。種子在發育過程中往往會成為害蟲的攝食對象，PI的合成則早於貯藏蛋白，並在種子成熟的時候與貯藏蛋白同時達到最高值。
PI作用於蛋白消化酶的活性中心。活性中心是酶最保守的部位，產生突變的可能性極小，故可以排除害蟲通過突變產生抗性的可能性。PI對於人、畜是無害的，其原因在於人、畜的消化機製和昆蟲的明顯不同。
2.蛋白酶抑製劑的分類及抗蟲譜
根據作用於酶的活性基團不同及其氨基酸序列的同源性，可將植物中的PI分為4類：絲氨酸蛋白酶抑製劑、半胱氨酸類蛋白酶抑製劑、酸性蛋白酶抑製劑和金屬蛋白酶抑製劑。其中，絲氨酸蛋白酶抑製劑與抗蟲關係密切，因為大多數昆蟲（如大部分鱗翅目、直翅目、膜翅目以及某些鞘翅目）腸道內的蛋白酶是絲氨酸蛋白酶，半胱氨酸類蛋白酶抑製劑則對以半胱氨酸類蛋白酶為主要消化酶的鞘翅目昆蟲防治有價值。
(1)絲氨酸類蛋白酶抑製劑這類蛋白酶抑製劑富含於植物種子和貯藏組織中，在某些情況下可被機械損傷或害蟲的侵害誘導而表達。這類抑製劑具有廣譜的活性位點，對鱗翅目、直翅目及鞘翅目的許多昆蟲有毒殺活性。
(2)半胱氨酸類蛋白酶抑製劑半胱氨酸類蛋白酶抑製劑對於利用半胱氨酸類蛋白酶消化植物蛋白的昆蟲具有特殊的抗性，而這一點是CpTI所不具有的。
3.蛋白酶抑製劑基因的應用
1987年，英國科學家Hilder等利用農杆菌葉盤轉化法把編碼CpTI的cDNA轉入煙草，首先獲得轉CpTI基因的轉基因植株。DNA分子雜交結果表明轉基因植株基因組中整合了多拷貝未重排的CpTIDNA，獲得的轉基因植株能夠正確表達CpTI基因，有的轉基因植株中CpTI的表達量高達9.6μg/mg總可溶性蛋白，轉基因植株對煙芽夜蛾（Heliothisvirescens）、棉鈴蟲（Heliothizarmigera）、黏蟲（Leucaniaseparata）等幼蟲具有明顯的抗性，而且CpTI的表達量和抗蟲能力呈正相關。隨後，美國、英國和我國等研究人員相繼成功地把CpTI基因轉入水稻、油菜、蘋果、楊樹等許多具有重要經濟價值的植物中。中科院遺傳研究所高越峰等克隆了大小約663bp的大豆kunitz型抑肽酶，並構建了此基因的一係列植物表達載體，用於煙草、棉花和水稻等作物的轉化。對獲得的經PCR-Southem雜交實驗證明為轉基因的煙草進行棉鈴蟲抗性測試，結果表明轉基因煙草具有明顯的抗蟲能力。
水稻半胱氨酸類蛋白酶抑製劑OC含有典型的保守序列Glu-Val-Val-Ala-G1y，這是其抑製活性不可缺少的區段。由於OC的抗蟲譜與CpTI抗蟲譜具有互補性，其轉基因研究日益受到重視。目前，水稻、小麥、玉米等重要作物的半胱氨酸類蛋白酶抑製劑cDNA已被克隆。用OC轉化煙草和水稻獲得了成功，並高水平表達。國內學者通過農杆菌介導法將OC基因導入毛白楊，為選育抗鞘翅目害蟲的轉基因楊樹打下了基礎。
PI基因用於抗蟲基因工程的不足之處是往往需要大量表達才能產生明顯的抗蟲效果。轉入cryIA基因的棉株中，其表達量占到可溶性蛋白的0.05～0.10％時即有良好的抗蟲性，而轉CpTI基因的煙草，其表達量達到可溶性蛋白的0.5％以上時才有明顯的抗蟲效果，可見提高PI在轉基因植物中的表達量是十分重要的課題。
(三)α-澱粉酶抑製劑基因
α-澱粉酶抑製劑（α-amylaseinhibitor，α-A1）是植物界普遍存在的一類蛋白質，尤其在禾穀類作物豆科植物中含量豐富。它的殺蟲機製就是在於其能抑製昆蟲消化道內。α-澱粉酶的活性，使食入的澱粉不能消化水解，阻斷了主要的能量來源。同時，α-AI和澱粉消化酶結合形成EI複合物，也會刺激昆蟲的消化腺過量分泌消化酶，使昆蟲產生厭食反應，導致發育不良或死亡。與cay蛋白不同，α-AI可以結合到害蟲的腸膜上，對幾個目標昆蟲均有毒性作用，其抗蟲譜較廣，因此在一定程度上可以彌補Bt毒蛋白抗蟲範圍窄的不足。在小麥和大麥中已有多種ai全長基因或cDNA被克隆，Ahabella等把菜豆AI基因編碼區和種子特異性表達的蠶豆植物凝集素基因及其調控區融合在一起，插入Ti質粒中轉化煙草，發現ai在轉基因煙草中能夠準確表達，並在種子發育過程中積累。體外分析表明，它能抑製豬胰α-澱粉酶的活性，對黃粉蟲的腸道α-澱粉酶也有顯著的抑製效果。另有報道轉α-ai基因的豌豆中α-Al蛋白產物可達3％，具有良好的抗蟲活性。短期的研究還顯示轉基因豌豆可以在300g/kg食物的水平上喂養而不會對小鼠的生長、代謝和健康有害，但其長期的安全性仍有待於進一步檢驗。
(四)植物凝集素基因
植物凝集素（lectin）是非免疫來源的能可逆特異結合單糖或寡糖的蛋白質，在自然界廣泛存在，主要存在於細胞的蛋白粒中，其抗蟲機製是當被昆蟲吸食之後，外源凝集素在昆蟲的消化道中與腸的糖綴合物（也有認為是腸道圍食膜上的幾丁質或糖基化的消化酶）相結合，從而影響營養的吸收；同時還可能在昆蟲的消化道內誘發病灶，促進消化道內細菌的繁殖對害蟲造成危害。植物凝集素不但具有抗蟲作用，而且對病源微生物（如真菌、細菌、病毒）也具有拮抗作用，它在植物中與α-澱粉酶抑製劑及表殼蛋白（arcelin，ARL）一起組成了植物防衛蛋白質（plantdefenceprotein）家族。
隨著人們對於植物凝集素研究的不斷深入和發展，發現凝集素在植物的防禦反應中扮演著重要的角色。許多研究表明植物凝集素對昆蟲的生長、生存有顯著的抑製作用，因此有關其抗蟲功能的研究備受國內外學者的關注。近年來一批植物凝集素基因已被分離克隆出來，並在馬鈴薯、小麥和水稻等多種作物中得到表達，增強了轉基因作物的抗蟲性，顯示出非常廣闊的應用前景。
二、藥用植物抗病及其他抗性基因工程
病毒、真菌和細菌病害一直是威脅農業生產的大敵，爆發流行時損失巨大，一般年份的損失及化學農藥防治造成的汙染亦相當嚴重。防治該類病害的根本措施是使用抗病品種。同時，藥用植物在其整個生長周期中經常會受到各種不利於生存與生長的環境因子的脅迫（如重金屬、低溫、高鹽、除草劑等），這些逆境條件導致種植的藥材不能正常生長甚至死亡。隨著分子生物學的迅猛發展，運用基因工程手段提高植物的抗病、抗逆性，為培育具抗病、抗逆的新品係開辟了一條嶄新途徑。
(一)病毒外殼蛋白基因及其應用
病毒外殼蛋白（coatprotein,CP）是一種存在於絕大多數病毒中的結構蛋白，且是其中含量最多的一種蛋白。病毒上存在一種交叉保護現象，即當一種弱浸染性病毒浸染植株後，該植株就獲得了一種抵抗強浸染性病毒浸染的抗性。1986年，美國的RogerBeachy研究組利用此原理將煙草花葉病毒（tobaccomosaicvirus,TMV）的外殼蛋白基因導入煙草，首次獲得了抗TMV的煙草植株，開創了抗病育種的新紀元。在轉外殼蛋白基因的植物中表達這種蛋白以後，就可以產生類似交叉保護的效果，大大減弱了以後病毒對轉基因植物的浸染及進行係統性傳播的能力。這種抗病毒作用存在於病毒複製的早期，並能導致病毒的重要成分的合成受阻。
Beachy等（1990年）認為，CP介導的抗性是由於轉基因植物表達的病毒外殼蛋白幹擾了病毒浸染早期的脫殼過程所致。然而，隨著研究的深入，越來越多的證據表明這一認識還比較狹窄，比如，在苜蓿花葉病毒（ALMV）CP介導的抗性研究中，低水平表達的CP隻具有對完整病毒粒子的抗性，而高水平表達突變型CP，則不僅對完整的病毒顆粒具有抗性，還對裸露的RNA具有抗性；在馬鈴薯病毒X組（PVX）的實驗中發現，CP的反義RNA具有保護效果。可見，CP介導抗性的作用機製是很複雜的。目前，主要有以下幾種觀點：其一，CP的表達抑製了病毒的脫殼，轉基因植物細胞內大量遊離的外殼蛋白亞基的存在，使病毒基因組端難以釋放，從而阻礙了病毒的脫殼；其二，CP幹擾了病毒RNA的複製，當入侵病毒的裸露核酸進入植物細胞後，它們立即被細胞中的自由CP所重新包裹，阻止了核酸的複製；其三，CP限製了病毒粒子的擴展與轉運；其四，抗性的產生是由於CP基因所表達的mRNA與侵入病毒RNA之間相互作用的結果，這類抗性被稱為RNA介導的病毒抗性。
近幾年來，“病毒外殼蛋白基因”法被用來提高植物對多種病毒的抵禦力，包括TMV、黃瓜花葉病毒（CMV）、苜蓿花葉病毒（ALMV）、煙草條紋病毒（TSV）、煙草脆裂病毒（TRV）、馬鈴薯X病毒（PVX）、PVY、煙草蝕刻病毒（TEV）等12個屬近20種病毒。另外，國內還成功地克隆了水稻和小麥黃矮病毒的外殼蛋白基因。采用這一方法培育成功的抗病毒轉基因植物有煙草、苜蓿、番茄、馬鈴薯等。盡管用這種方法不能獲得對病毒的完全抗性，但可獲得高水平的抗性。而且，來自於一種病毒的外殼蛋白基因有時對不相關的病毒可提供廣譜抗性。通過轉基因植株所進行的田間試驗和實驗室研究證明了這種方法的可行性。
盡管CP介導的抗病毒植株已獲得了成功，但還存在很多問題。其一，迄今所獲得的基因工程植株多數隻表現為延遲發病和降低發病嚴重度，免疫類型和高抗類型較少；其二，具有潛在危險性。導入植物中的外源CP基因的表達產物可能包裝另外一種病毒或其他致病因子的基因組而形成一種新的致病因子。因此，CP介導的抗病毒植株離推廣應用尚有一段距離。
(二)核糖體失活蛋白基因及其應用
1.核糖體失活蛋白的作用原理
植物核糖體滅活蛋白（ribosomeinactivatingprotein,RIPs）能夠破壞真核或原核細胞的核糖體大亞基RNA，使核糖體滅活而不能與蛋白質合成過程中的延伸因子相結合，從而導致蛋白質合成受到抑製。根據RIPs的作用機製不同又分為兩類：大多數植物和細菌的RIPs是通過其RNAN-糖苷酶（RNAN-glycosidase）活性來實現其抑製蛋白質合成的功能，而真菌中的RIPs則以其核酸酶（RNase）活性來起作用。RIPs的N-糖苷酶活性具體表現為它可以特異水解28SrRNA的第4323位核苷酸的腺嘌嶺與核糖之間的N-C糖苷鍵，幹擾核糖體與延伸因子EF-Tu和EF-G的結合，從而抑製蛋白質合成。