遗传转化是药用植物分子生物学研究的基本工具，是指将目的基因通过某一方法导入植物基因组中，使其在受体组织或植株中表达，最终达到植物品质改良、功能基因解析和分子育种的技术。建立高效的药用植物遗传转化技术有助于深入解析药用成分积累机制、推进药用植物遗传改良。然而，这一技术在药用植物领域面临着诸多挑战，如转化效率低下、遗传稳定性差等问题，严重制约了药用植物分子研究的深入发展。近日，湖北中医药大学中药资源生态学创新团队建立了艾、半夏、白前、菊花等多个湖北道地药材遗传转化体系，相关系列研究成果在多个高水平学术期刊上发表。

艾（Artemisia argyi）是我国传统民俗植物和著名中药材，湖北的蕲艾更是“十大楚药”之首，富含挥发油、黄酮类、苯丙素类、萜类等有效成分。研究人员利用农杆菌介导的遗传转化技术，通过筛选外植体、优化预培养时间、农杆菌浓度、侵染方式、侵染时间和共培养时间等条件，首次建立了艾愈伤组织遗传转化体系，转化效率高达60%以上。利用该体系在艾愈伤组织中超表达甜菜红素合成基因（RUBY），可高效生产甜菜红素和甜菜黄素，含量分别可达535.79 mg/L和640.90 mg/L。除此之外，研究人员还建立了艾愈伤组织细胞悬浮培养体系。通过优化初始接种量、培养基激素比例、培养基体积、光照条件等参数，确定了最佳培养条件，细胞鲜重在第20 d左右达到146.98 g/L。特别是，异绿原酸A的含量可达321.06 mg/L，约为艾叶原植物的258.92倍。该研究不仅建立了高效的艾愈伤组织遗传转化技术和细胞悬浮培养技术，还通过体外培养显著提高了艾叶中活性成分的含量，为艾叶药用成分的工业化生产提供了有力的技术支持。相关研究成果以“Establishment of cell suspension culture and genetic transformation systems for production of bioactive metabolites of medicinal plant Artemisia argyi Lévl. et Vant”于2025年3月12日发表在Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC)杂志，并申报两项国家发明专利《一种艾悬浮细胞培养的方法及悬浮体系的建立》、《一种根癌农杆菌介导的艾愈伤组织遗传转化方法》。

图1 艾愈伤组织悬浮培养体系及遗传转化体系建立

此外，研究人员还首次建立了艾的毛状根遗传转化体系。研究发现，MSU440菌株是诱导艾毛状根形成的最适菌株，诱导效率高达83%。通过将RUBY转化到艾毛状根中，获得了红色的转基因毛状根，阳性转化率为24.3%。研究人员进一步克隆了艾叶中的O-甲基转移酶基因AYFOMT2，并通过体外酶活实验证实AYFOMT2能够催化黄酮类化合物棕矢车菊素B环4′-OH位置发生甲基化反应，生成异泽兰黄素。将AYFOMT2基因通过建立的遗传转化体系转化到艾毛状根中后，异泽兰黄素含量显著增加，达到21.98 μg/g，是野生型毛状根的近20倍。该研究不仅建立了高效的艾毛状根诱导和遗传转化体系，并克隆了关键的O-甲基转移酶AYFOMT2基因，为艾叶的活性成分异泽兰黄素的生物合成提供了遗传资源，为后续深入研究艾的基因功能和活性成分的生物合成途径奠定了坚实基础。相关研究成果以“Functional study of an O-methyltransferase in eupatilin biosynthesis in Artemisia argyi by an efficient hairy roots transformation system”于2025年5月19日发表在International Journal of Biological Macromolecules杂志，并申报一项国家发明专利《一种艾毛状根的诱导及遗传转化体系的建立方法》。

图2 艾毛状根遗传转化体系建立及AYFOMT2基因功能研究

半夏（Pinellia ternata (Thunb.) Breit）为天南星科半夏属多年生草本植物，其干燥块茎具有止咳化痰，降逆止呕的功效。然而由胡萝卜果胶软腐杆菌（Pectobacterium carotovorum）引发的软腐病严重危害半夏产业，亟需开展半夏抗病育种研究。课题组通过优化侵染方式和提前预培养外植体，在单子叶植物半夏中建立了高效的遗传转化和再生体系，转基因植株阳性率高达70%，突破了单子叶植物遗传转化困难的瓶颈。通过对抗感种质接种软腐病菌后的转录组分析，挖掘到了抗病关键基因凝集素合成基因（PtPTA）和感病关键基因DMR6-like oxygenase 1（PtDLO1）。利用遗传转化体系获得超表达PtPTA基因的半夏转基因株系，接种实验表明过表达PtPTA可显著增强半夏对软腐病菌的抗性，而过表达PtDLO1则会降低半夏对软腐病菌的抗性。这些发现揭示了PtPTA和PtDLO1在半夏抵御软腐病菌中的关键作用，为半夏抗病关键基因的功能解析及抗病分子育种提供了理论依据。相关成果以“Functional study of PtPTA and PtDLO1 in disease resistance of Pinellia ternata to soft rot by an efficient Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation system”于2025年5月28日发表在Plant Physiology and Biochemistry杂志，并申报一项国家发明专利《一种半夏高效遗传转化方法》。

图3 半夏遗传转化体系建立

柳叶白前（Cynanchum stauntonii）是一种具有止咳祛痰功效的重要药用植物，其根和根茎是主要的药用部位。柳叶白前含有多种化学成分，其中C21皂苷被认为是其主要活性成分。研究人员利用农杆菌Ar.A4菌株和20 d龄的茎段作为外植体，成功诱导了柳叶白前的毛状根，诱导成功率达到79.5%。研究发现，幼嫩的茎段比培养时间较长的茎段更适合用于毛状根的诱导。通过代谢组学分析，研究人员发现毛状根中的甾体生物碱含量（如皮质酮、番茄碱等）显著高于白前根茎，表明毛状根在生产活性成分方面具有优势。该研究还测试了三种诱导子（壳聚糖、松节油和茉莉酸甲酯），发现10 mg/L的壳聚糖可以将白前毛状根中的活性成分含量提高两倍以上。此外，该研究还建立了白前毛状根的遗传转化体系，转化率达到56.36%。通过该体系，白前毛状根可产生高达1.24 mg/g干重的甜菜碱，这为未来利用毛状根生产其他活性成分提供了技术支撑。相关研究成果以“Establishment of high-efficiency hairy root and genetic transformation system in Cynanchum stauntonii”于2025年3月8日发表在Journal of Biotechnology杂志，并申报一项国家发明专利《一种白前毛状根遗传转化方法及其应用》。

图4 柳叶白前毛状根代谢组学与柳叶白前毛状根遗传转化体系建立

研究人员还建立并优化了艾、柳叶白前和菊花的无需组培遗传转化体系。研究发现，通过机械损伤和物种适配的农杆菌菌株的筛选，可以显著提高转化效率。农杆菌A4菌株适用于柳叶白前的无需组培遗传转化体系，而MSU440菌株适合于艾和菊花的无需组培遗传转化体系，通过菌液侵染机械损伤的幼嫩茎段，直接播种到营养土中，无需无菌操作且不受基因型限制，在艾、柳叶白前和菊花中的转化效率分别达到了9.3%、51.7%和16.7%。相关研究成果以“Establish methods to improve the efficiency of tissue-free genetic transformation of medicinal plants through mechanical damage”2025年5月20日发表在Medicinal Plant Biology杂志，并申报一项国家专利《一种菊、艾和白前无需组织培养的毛状根遗传转化方法》。

图5 艾、白前、菊花无需组织培养的遗传转化

该系列研究由湖北中医药大学药学院博士后罗鸣，博士研究生张婧怡、彭赛男和硕士研究生李宇琨为第一作者，药学院刘大会教授和苗玉焕副教授为论文共同通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家中药材产业技术体系黄冈综合试验站专项、湖北省自然科学基金等项目支持。