我国药用植物次生代谢产物功能基因研
究概况
（作者:___________单位: ___________邮编: ___________）
【摘要】综述了近年来我国药用植物次生代谢产物功能基因的研究方法和内容，着重介绍了萜类、黄酮类、生物碱类、酚类、多糖类、凝集素等次生代谢产物合成相关功能基因的研究现状，对药用植物次生代谢产物合成相关功能基因的应用前景作了介绍，为今后药用植物功能基因的大规模研究和利用提供借鉴。
【关键词】药用植物次生代谢产物功能基因
Abstract：The content and methods of our country’s latest functional genomics study of medicinal plant secondary metabolism were reviewed, by focusing on the synthesis of terpinoids, flavonoids, alkaloids etc. The research progress and potential application in this new area were also commented.
Key words：Medicinal Plant; Secondary metabolism; Functional genomics; Research progress
1995年生物学家提出“后基因组(postgenome)”的概念，即在基因组静态的作图、碱基序列分析基础上转入对基因组动态的生物学功能
的研究。随着人类基因组计划(HGP)的顺利进行，基因组学的研究从结构基因组学(structural genomics)开始过渡到功能基因组学(functional genomics)，结构基因组学代表基因组分析的早期阶段，以建立生物体高分辨遗传、物理图谱为主；功能基因组学代表基因分析的新阶段，是利用结构基因组学提供的信息，发展和应用新的实验手段系统地研究基因功能，它以高通量、大规模实验方法及统计和计算机分析为特征。目前人类、酵母的功能基因组研究已全面展开，植物的功能基因组研究起步较晚，现正处于结构基因组学和功能基因组学并重的时代，但近几年植物功能基因组学研究得到了迅速发展［1～3］。
1 药用植物次生代谢产物合成相关功能基因组学研究方法
植物在长期进化过程中，逐渐形成了一些适应环境的生理生态功能,其中之一就是根据初生生长的需要产生各种类型的次生代谢产物。次生代谢产物是植物在长期进化中与其生存环境相互作用的结果,既能够在植物体内积累，抵御病原微生物等的侵害，又在植物的整个代谢活动中占有重要地位［4］。
药用植物功能基因研究是从功能基因入手阐明药用植物有效成分的生物合成途径及其调控机制，其中主要涉及到次生代谢产物生物调控的关键酶系的结构编码基因和其他功能基因。研究中可能应用的分子生物技术有植物的表达序列标签(EST)和cDNA文库筛选；药用植物功能蛋白质组研究；特定代谢时期细胞功能簇(CRC)分析和功能蛋白质组表达图谱用于基因组功能提示的可行性；基因表达指纹(GEF)；基
因表达系统分析(SAGE)；cDNA3′端限制酶切片段显示；分子指数的RNA指纹(MI)；消减杂交(SSH)；基因芯片等。这些分子生物技术可应用于药用植物次生代谢调控机制研究，功能基因和次生代谢酶基因的克隆、表达和鉴定等［5］。
2 药用植物次生代谢产物相关功能基因组研究概况
2.1 萜类物质萜类化合物(terpenoid)是一类由异戊二烯(soprene)为结构组成单元的天然烃类化合物的统称，在自然界中分布广泛、种类繁多、结构多样。迄今为止大约有22 000种萜及萜类衍生物的化学结构已被鉴定，它们不仅在植物的生命活动中扮演重要的作用，而且还被广泛地应用于工业、医药卫生等领域［6］。
肖明贵等［7］从曼地亚红豆杉中提取分离出mRNA，然后根据已知植物的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因(GGPPS基因)DNA序列保守区设计特异简并引物。RT-PCR获得了一条大小约600 bp的扩增谱带,回收该特异谱带并进行TA克隆，发现该序列属于GGPP合成酶的片断，与加拿大红豆杉和北美冷杉的GGPP合成酶相应区段的氨基酸序列一致性为98%和86%。蛋白质序列分析发现该序列含有一个特征的异戊二烯合成酶保守的结构域。进化树分析表明，曼地亚红豆杉GGPPS在进化上位于植物类，靠近古细菌类。
冯磊（《中国红豆杉紫杉烷13α-羟基化酶基因的克隆及表达》.曲阜师范大学2006硕士研究生学位论文）从中国红豆杉中克隆得到紫杉烷13α-羟基化酶基因序列，长为1 848 bp，阅读框(ORF)编码区为1 458 bp，编码485个氨基酸，分子量54.7 KD，该基因与东北红
豆杉紫杉烷13α-羟基化酶有97%的相似性。与其他已克隆的红豆杉羟基化酶有54%～60%的相似性。该基因编码一膜锚定蛋白，推断所克隆基因编码一个执行生物合成功能的A类P450蛋白。
周明兵等［8］以杜仲树叶总RNA为模板扩增出杜仲法呢基焦磷酸合酶基因(Farnesyl PyrophasphateSynthase, EuFPS), cDNA序列全长1 271 bp,开放阅读框共编码320个氨基酸残基,其核酸序列与拟南芥、银胶菊和巴西橡胶树FPP合酶的序列同源性分别为81%，87%和82%。
刘彦（《青蒿生物合成相关基因的克隆、大肠杆菌表达与分子分析》.中国科学院研究生院2006博士学位论文）从青蒿高产株系001中克隆出全长1 886 bp的倍半萜合酶cDNA，其氨基酸序列与烟草马兜铃烯合酶、蕊若岩兰螺旋二烯合酶、棉花杜松烯合酶的一致性分别为39%，38%和41%；与青蒿柏木脑合酶、紫穗槐二烯合酶和一个推测的倍半萜合酶克隆cASC125的一致性为50%，48%和59%。克隆了一个1 539 bp全长鲨烯合酶cDNA，青蒿鲨烯合酶氨基酸序列与拟南芥、烟草、人类、酵母鲨烯合酶的一致性分别为70%，77%，44%，39%。
赵玉军等［9］从青蒿高产株系025中的cDNA文库中克隆到了一个编码青蒿法呢基焦磷酸合酶（AaFPS1）的cDNA（af1），序列分析表明，这一cDNA编码一个含343个氨基酸残基的蛋白质，分子量为39 KD，推导出的氨基酸序列与来自其他植物、哺乳动物和酵母的FPS相似，也包含异戊烯基转移酶和聚异戊烯基合酶所共有的5个保守域，此cDNA在大肠杆菌中的表达产物表现出明显的FPS酶学活性。
刘水平等［10～12］从人参根组织中分离总RNA，使用RT-PCR扩增出人参皂苷生物合成相关基因GBR6开放阅读框（ORF）cDNA片断，并将其定向克隆入原核高效表达载体pQE30，阳性克隆经Bam1和Pst1双酶切鉴定、测序验证与已知的GBR6 ORF序列完全一致，成功构建了pQE30- GBR6ORF融合原核表达载体。
陈莉（《三七主要有效成分三萜皂苷合成关键酶FPS基因的克隆及序列分析》.广西医科大学2005硕士研究生学位论文）对三七三萜皂苷合成关键酶法呢基焦磷酸合酶（FPS）的基因进行克隆，cDNA序列全长1 409 bp，开放阅读框共编码343个氨基酸残基，氨基酸序列与积雪草、银胶菊、青篙、山艾树的FPS氨基酸序列的同源性分别为95%，87%，86%和86%，核酸序列同源性则分别为81%，66%，68%和66%。
陈珅（《三七三萜皂苷合成途径鲨烯环氧酶基因的克隆及初步表达》.广西医科大学2006硕士研究生学位论文）对三七三萜皂苷合成关键酶鲨烯环氧酶（squalene epoxidase，SE）的基因进行了克隆， cDNA 序列长1648bp，分子量约为64KD，开放阅读框共编码537个氨基酸残基，氨基酸序列与人参、管状苜蓿、毛曼陀罗、亚洲栽培稻、番茄、拟南芥和甘蓝型油菜的同源性分别为97%，76%，73%，71%，70%，70%和45%；核酸序列的同源性分别为97%，63%，62%，62%，62%，60%和48%。
朱华（《三七鲨烯合酶基因的克隆及其功能的初步研究》.广西医科大学2006硕士研究生学位论文）对三七鲨烯合酶（SS）基因及
3-磷酸甘油醛脱氢酶（GAPDH）基因进行体外克隆，cDNA序列全长1270bp，开放读码框共编码415个氨基酸残基，氨基酸序列与人参、积雪草、青蒿、拟南芥、水稻的SS氨基酸序列的同源性分别为98%，89%，81%，78%，71%，核苷酸序列的同源性分别为98%，88%，77%，73%，66%。获得了三七GAPDH基因的部分cDNA序列，长627bp，与拟南芥、烟草、人参的GAPDH氨基酸序列的同源性分别为91%，93%，95%。核苷酸序列的同源性分别为82%，84%，85%。
杜鹃（《蹄叶橐吾萜类化合物合成相关基因克隆及功能研究》.吉林大学2007博士学位论文）从野生蹄叶橐吾中克隆出萜类化合物紫菀酮形成关键酶HMG-CoA还原酶家族(HMGR、HMGR2)，成功构建了HMGR 基因植物双元高效表达载体pBSHMGR，获得了转化效率极高的转基因蹄叶橐吾植株。转基因植株及其野生型对照蹄叶橐吾紫菀酮含量HPLC 测定结果表明，HMGR基因的超表达增加了紫菀酮在转基因植株根、茎中的积累。
刘长军等［13］从亚洲棉中分离得到倍半萜棉毒素合成相关酶法呢基焦磷酸合成酶（FPS）的cDNA。序列分析表明，该cDNA全长1280bp，开放阅读框共编码342个氨基酸残基，分子量为39 kD，氨基酸顺序与拟南芥和青蒿的FPP合酶序列同源性为78.9%和80.7%。
2.2 黄酮类物质黄酮类化合物是植物在长期的生态适应过程中为抵御恶劣生态条件、动物、微生物等攻击而形成的一大类次生代谢产物。它们是广泛分布于植物界的碳基本骨架化合物，在许多植物的花、果和叶中大量分布，目前发现的四千余种的黄酮类化合物可以分
为以下几种：黄酮醇(flavonols)、黄酮(flavones)、异黄酮(isoflavones)和花色素苷(anthocyanins)［14］。
程水源等［15］从银杏叶中克隆得到了控制银杏叶中黄酮类化合物代谢途径中关键酶苯丙氨酸解氨酶(Phenylalanine ammo-nia-lyase, PAL)基因的部分序列，长度862 bp，氨基酸序列与长白松、海岸松、火炬松和亮石杉PAL基因的氨基酸同源性分别为93%，93%，91%和90%。Southern杂交结果表明银杏PAL是一个多基因家族。
崔光红等［16］研究丹参毛状根不同时期的基因表达谱,将45, 60 d 丹参毛状根分别与30 d材料进行杂交，得到203个差异基因。测序后得到172条EST，拼接聚类后形成114个Unigene，其中功能已知基因62个。得到一系列次生代谢相关基因如细胞色素P450、二萜合酶等基因片段。
蔡文伟（《海南龙血树血竭生物合成相关基因的分离》.华南热带农业大学2006硕士学位研究生论文）以经诱导物诱导处理刚产生血竭和未经诱导物处理的海南龙血树组培苗为材料，利用抑制消减杂交（SSH）技术构建了龙血树血竭生物合成相关基因的差减cDNA文库，分离到与信号转导相关的cDNA片段5个，转录翻译相关蛋白cDNA片段5个，物质能量代谢酶类cDNA片段12个。
段小瑜等［17］从大豆总RNA中分离了合成异黄酮的关键酶异黄酮合酶(isoflavone synthase，IFS)基因，含1 583个核苷酸,与已报道的大豆异黄酮合酶基因的核苷酸同源性为92%。
杨丽（《百合查尔酮合成酶基因（CHS）及其启动子的克隆与分析》.
西北农林科技大学2006硕士学位论文）从东方百合的花瓣组织RNA 中克隆出查尔酮合成酶基因（CHS），长度约900 bp的目的片段，与已发表的百合中CHS基因的同源性达到91％以上。在获得CHS cDNA 序列的基础上，重新设计CHS基因的引物，以基因组DNA为模板进行PCR扩增，获得了大约1 300 bp的目的片段， CHS基因DNA序列包含两个外显子和1个内含子。通过接头连接PCR，克隆了约898 bp 的百合CHS基因的上游调控序列。
黄艳岚（《马铃薯花青素转录激活基因的克隆与序列分析》.华南热带农业大学2006硕士学位论文）从紫色马铃薯紫皮RNA中扩增了花青素转录激活基因MYC的保守区域片段（Stmyc1），长度为1 106 bp，具有完整的编码阅读框，编码区为10-990 bp，共编码326个氨基酸，与紫苏MYC类基因编码蛋白的一致性达94％。扩增了花青素转录激活基因R2R3 MYB的保守区域片段（Stmyb280和Stmyb211），Stmyb211编码的蛋白与番茄THM27、葡萄抗毒素GNF13、拟南芥At4g38620和MYB转录因子的花青素R2R3-MYB类蛋白有94％的相似性。
2.3 生物碱生物碱代谢研究主要集中在生物碱的储存和合成部位、转运途径、代谢调控因子、生物合成途径、关键酶及其编码基因等方面，生物碱代谢的精确途径和此过程中的关键酶及其编码基因的克隆是研究的焦点。
韩梅等［18］克隆得到长春花萜类吲哚生物碱合成途径中编码重要酶：5-磷酸脱氧木酮糖还原酶(DXR)、次番木鳖苷合成酶(SLS)、牻牛儿醇-10羟化酶(G10H)和异胡豆苷合成酶(STR)的cDNA
基因片段。利用BP重组酶将扩增片段克隆到Gateway化的入门载体pDONR201中，并进行测序验证。测序后的基因通过LR重组酶的作用转移到带有HIS标签的目标载体pETG10A中，构成重组表达质粒，转化大肠杆菌BL21(DE3)，经IPTG诱导得到了高效表达，通过Ni-TED 树脂纯化方法得到了高纯度的蛋白。
黄海滨等［19］克隆了播娘蒿的甜菜碱醛脱氢酶(DsBADH)基因，cDNA 序列全长1 653 bp，其中开放阅读框长1 503 bp，编码一个由501个氨基酸残基组成的蛋白质，推测的蛋白质相对分子质量为54 KD。播娘蒿的DsBADH与其它物种的BADHs无论在核酸水平还是在蛋白质水平上都表现较高的同源性，表明BADH基因家族具有较高的保守性。DsBADH基因的氨基酸序列在进化上与同属十字花科植物BADH基因距离较近。蛋白质序列存在一个编码十肽的高度保守序列，该结构在醛脱氢酶中是高度保守的，这些残基可能包含NAD+结合位点及酶催化位点，而且含有与酶功能有关的醛脱氢酶高度保守的氨基酸残基Cys，表明DsBADH可编码活性蛋白。
2.4 酚类物质段艳冰（《丹参中迷迭香酸生物合成途径的苯丙氨酸支路基因的克隆及研究》.第二军医大学2006硕士学位论文）克隆出丹参迷迭香酸生物合成途径中苯丙氨酸支路上的肉桂酸-4-羟化酶SmC4H (einnamate-4-hydorxylase)基因以及苯丙氨酸解氨酶SmPAL(phenylalanine ammonia-lyase)基因。SmC4H基因cDNA序列全长1 800 bp，包含一个完整的1512bp的开放阅读框，编码504个氨基酸组成的前体蛋白，该基因与藿香的C4H基因相似性达到94.7%，
一致性达到89.7%。SmPAL基因cDNA序列全长2 354 bp，包含一个长度为2 133 bp的ORF区，编码含有711个氨基酸残基的蛋白，氨基酸水平比对结果以及蛋白空间结构预测表明，该基因为丹参中的PAL基因。
王冰梅等［20］从花生中分离出白藜芦醇合酶(resveratrol synthase, RS) 基因，将其克隆到pMD18-T和pBluescript II KS (+)载体，获得全长1 537 bp的片段，含有2个外显子和1个内含子，编码区由389个氨基酸组成，其相对分子质量为42.8 KD，该白藜芦醇合酶氨基酸368 ～ 378位点上存在芪合酶家族的特征位点GVLFGFGPGLT。
2.5 多糖曾宇等［21］以藏青稞QB09基因组DNA为模板，构建DNA步移文库，并通过步移技术克隆出β-1,3-葡聚糖酶基因（BGHⅡ）起始密码子上游调控序列BGHP，BGHP具有大多数高等植物启动子的保守元件，对青稞BGHⅡ基因表达的调控具有多种时间性和空间性。
2.6 凝集素朱亚然等［22］克隆了海芋凝集素的全长cDNA，长度为1 124核苷酸，分析表明它是一个编码270个氨基酸残基的蛋白质，其等电点为pH 5.7，相对分子量为29.7 kD。同源性分析结果表明，海芋凝集素与其他来源于天南星科的甘露糖凝集素以及相似蛋白具有高度同源性。在海芋凝集素序列中发现了2个B型凝集素功能区域和3个甘露糖的结合位点，认为海芋凝集素cDNA是一个编码甘露糖识别凝集素的基因序列。
2.7 泛素陆小平等［23］克隆出蒙古桑树的泛素基因(mUb)，克
隆片段序列为泛素基因的阅读框架，其中有2个起始密码子(ATG)和1个终止密码子(TAA)，长度为459个碱基，序列与菠萝、三叶胶树、烟草等物种的泛素基因有84%以上的同源性。
王利芬等［24］克隆出丰驰桑的植物泛素基因，得到1条690 bp的泛素基因片段。该片段5’端为编码156个氨基酸残基的阅读框，3’末端有219 bp的非翻译区。桑树泛素延伸蛋白与马铃薯、烟草、陆地棉、黄瓜的泛素延伸蛋白以及苜蓿的核糖体S27A蛋白的同源性都在96%以上。
3 展望
“中药基因组计划”是将分子生物学、生物信息学等现代生物技术与其他现代科学技术相结合研究开发中药，美国相继提出“人类基因组计划”(HGP)、“植物基因组计划”(PGP)、“微生物基因组计划”(MGP)都取得了突破性进展。我国提出和实施“中药基因组计划”是中药现代化研究与开发政策的重大战略措施，其中功能基因的研究是“中药基因组计划”中最重要的研究内容之一。在植物中药功能基因研究中，与基因组测序相比，药用植物次生代谢功能基因的研究是药用植物基因研究中最为活跃的领域，进展较快，并在一些领域中取得较大进展，植物次生代谢基因的发现、蛋白功能的确定、代谢途径的阐明、代谢物谱与微量代谢物的鉴定对特殊天然产物生产将带来巨大变革。我国的药用植物次生代谢功能基因克隆工作应增强原创性研究，体现我国传统中草药的深刻内涵，开展具有中国特色的药用植物功能基因研究，建立和完善药用植物重要功能基因组研究与发现的技术体系，获
得具有我国自主知识产权、功能明确和有应用前景的重要基因, 在了解中药遗传信息表达和调控规律的基础上，对次生代谢产物的关键基因进行调控，促进其表达，从而提高目的产物的含量，同时通过控制遗传信息来分析和合成中药有效成分，为世界医药卫生事业发展作出贡献［25～26］。
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生物技术与药用植物次生代谢产物 谢静 (成都医学院药学系,四川成都610083) 作者简介:谢静(1979-),女,四川眉山籍,硕士,从事天然药物教学和研究工作。 【关键词】 药用植物;次生代谢产物:生物技术 【中图分类号】 R282.71 【文献标识码】 A 【文章编号】 1672-7193(2007)03-0089-02 药用植物在我国传统医学中具有重要地位。目前我国药用植物有11118种,市售中成药中,从植物中提取的药物或经半合成的药物占商品的20%[1]。药用植物体内的次生代谢产物是细胞生命活动或植物生长发育非必需的一类小分子化合物,其产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性。自然界许多药用植物的有效成分都是其次生代谢产物,萜烯、酚、生物碱三类化合物是植物中最重要的次生代谢产物。 20世纪50年代药用植物次生代谢产物的工业化生产开 始利用植物细胞大量培养作为主要手段。目前药用植物的生物技术研究主要集中在药用植物资源学研究、药用植物栽培学研究、药用植物生态学研究、药用植物化学研究、质量控制和药效评价等领域,近年已经取得了一定的进展[2]。下面就生物技术应用于药用植物次生代谢产物方面的研究情况进行综述。 1 细胞培养技术和药用活性成分生产 我国传统药材中88%为植物药。植物单个细胞在适宜的环境下可分化发育成植株,并具有整株植物所具有的合成化合物的能力,也即植物细胞具有全能性,这为通过植物组织和细胞培养来获得其药用活性成分提供了有效途径。 目前利用细胞培养技术生产药用植物有效成分主要有三种方法:液体悬浮培养、固定化细胞培养和发酵工程技术[3]。液体悬浮培养主要用于生产细胞内的有效成分,利用该方法生产植物来源药物最成功的是紫杉醇和紫草宁色素的生产。 紫杉醇是20世纪70年代从短叶红豆杉树皮中提取出来的具有独特抗癌作用的天然产物,被认为是治疗卵巢癌的首选药物,近年不断发现它对其它癌症的治疗作用,是有发展前途的抗癌新药。到目前为止,发现紫杉醇只存在于裸子植物红豆杉科的红豆杉属Taxus L 和澳洲红豆杉属种中。由于红豆杉类植物多属珍稀物种,数量稀少,生长缓慢,紫杉醇的含量又非常低,而全球每年需要紫杉醇200～300kg,所以靠砍伐提取的方法远不能满足人们对紫杉醇的需要[4]。为了克服这一问题研究人员从各个方面探索解决紫杉醇的来源问题,1991年美国研究人员用75000生物反应器生产紫杉醇获得成功 [5] 。 紫草宁色素是一组蒽醌类色素,主要是作为染料和在化妆品中的生产,还兼有抑菌消炎作用,在国际市场上价格十分昂贵[6]。日本三井石化公司1983年用细胞培养法生产紫草宁色素投入市场,成为药用植物细胞工程产品化和商业化的先例[7]。 我国的细胞培养始于20世纪50年代,在我国研究比较成功的例子是人参,1964年中国科学院上海植物生理研究所的罗士韦研究员首先成功地进行了人参的组织培养,随后我国和其他国家的学者将人参的细织培养过渡到工业化生产。目前人参的10L 体积的大规模培养在我国已实现,对其培养细胞进行化学成分和药理活性比较分析,表明与种植人参无明显差异,中国药科大学丁家宜等已将其作为美容保健品投放市场,这是我国药用植物生物技术产品商品化的第一个范例[3]。 据不完全统计,目前已经从400多种植物中建立了组织和细胞培养物,从中分离出600多种代谢产物,其中40多种化合物在数量上超过或等于原植物[8]。其中代表性的研究成果如:紫草、红豆杉、人参、黄连、毛地黄、长春花、曲洋参等细胞培养,但是至今只有少数品种(紫草、人参等)达到了生产规模[9]。和植物栽培比较,尽管它有许多优点,如不受地域及气候条件的影响,可进行特定的生物转化反应,生产人们需要的活性成分、缩短生物合成周期、产量大、不污染环境等[10,11],但由于增殖率不够高,产物不稳定,常低于原植物的水平,导致成本高不能与栽培植物和微生物发酵竞争,成为阻碍细胞培养技术进入商业性开发的主要因素。因此,多年来研究方向一直集中在提高培养物的增殖速度和保持产物的稳定和高产上。 植物组织和细胞培养的工业化生产遇到的主要问题[12]: (1)利用植物组织和细胞培养成本高于采集野生植物或 种植的生产方式,限制了此技术的发展。 (2)植物组织和细胞培养与微生物发酵相比,生长速度 慢、活性物质产量低。利用链霉菌发酵生产抗生素的发酵周期为72～96h,其最终产物高达8000mg/I 。,而植物组织和细胞培养的周期在18天以上,有效成分的含量也较低。 (3)适合植物组织和细胞培养的生物反应器尚有待研究 解决。问题的关键不是受制造生物反应器工程技术的制约,而是人们对植物组织和细胞在离体培养条件下的生长与发育的规律了解甚少。 (4)对植物次生代谢产物合成途径及所参与反应的各种 酶的了解不多,有的甚至连有效成分的化学结构尚未明确,因此对次生代谢的调控存在着很大的盲目性。 2 毛状根培养 利用发根农杆菌感染双子叶植物形成毛状根,是近10年来继细胞培养后又一新的培养系统。发状根的培养对中草药 9 8
药用植物次生代谢工程研究概况 摘要高等植物的次生代谢产物是许多天然药物的重要来源，随着对药用植物次生代谢合成途径日渐全面的认识，采取有效的代谢工程策略对植物次生代谢途径进行遗传改良，已经取得了诸多研究成果。本文介绍了黄酮类化合物 ( flavonoids )、萜类化合物 ( terpenoids )及生物碱( alkaloid )这三种重要药用植物次生代谢产物的结构及生物合成途径，说明了次生代谢工程在提取高质量药用植物活性物质中的研究现状，为今后药用植物次生代谢产物的大规模研究和利用提供借鉴。 关键词植物药；次生代谢产物；代谢工程 高等植物的次生代谢产物是许多天然药物的重要来源，植物药在国际医药市场中占有重要的地位。由于许多植物的天然活性物质的结构特殊，很难用化学方法完全合成，因此这类物质的生产必须依赖于天然植物资源。针对植物天然药物可持续发展问题，药用植物次生代谢产物的应用吸引了国内外众多研究者的关注。 植物次生代谢的概念最早于1891年由Kossel 明确提出。次生代谢产物(Secondary metabolites) 是由次生代谢(Secondary metablism) 产生的一类细胞生命活动或植物生长发育正常运行的非必需的小分子有机化合物，其产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性。次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、萜类、甾体及其甙、生物碱七大类。还有人根据次生产物的生源途径分为酚类化合物、萜类化合物、含氮化合物( 如生物碱) 等三大类。 代谢工程( Metabolic engineering )是生物工程的一个新的分支，通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径，主要是针对提高某种重要的次生代谢物或其前体的含量，以期在较广范围内改善细胞性能，满足人类对生物体的特定需求。随着现代生物工程技术的发展，充分利用基因组学的研究成果，解析和调控植物次生代谢的生物合成途径，进而利用代谢工程的方法大幅度提高药用植物中目标产
植物次生代谢工程试题 一、简答题（20分） 1. 植物次生代谢产物的概念及分类 2. 植物次生代谢的特点和主要途径 3. 植物次生代谢工程的主要研究策略 二、论述题（40分） 结合近年植物次生代谢的研究进展论述植物次生代谢工程的研究意义。 药用植物次生代谢工程的市场应用前景 植物次生代谢物（plant secondary metabolites）是指植物中一大类并非植物生长发育所必需的小分子有机化合物，其产生和分布通常有种属、器官组织和生长发育期的特异性。植物次生代谢物种类繁多，化学结构迥异。现在，已知大约有10，000种次生代谢物，包括酚类、黄酮类、香豆素、木脂素、生物碱、糖苷、萜类、甾类、皂苷、多炔类、有机酸等，可分为酚性化合物、萜烯类化合物、含氮有机物三大类。植物次生代谢是植物在长期进化中对生态环境适应的结果，对植物在其生态系统中的生存起作用，如抗虫、抗病、异株相克、吸引昆虫授粉、与共生微生物相互作用等。 植物次生代谢物的应用，其历史悠久，各民族传统草药和香料的有效成分大多是植物次生代谢物。现在，这些天然产物仍在人的生活中起着重要的作用，尤其是为医药、轻工、化工、食品及农药等工业的发展所必不可少的。以医药为例，至今人们依赖于从植物中提取的重要的药物就有五十多种。随着“重返大自然”的呼声日益高涨，人们已认识到：现在是从高等植物的次生代谢产物中去寻找、开发新药的
时代。然而，长期不当采集致使生态环境受到破坏，许多野生植物趋于濒危，有些需要特殊环境的植物人工引种困难。能够引种栽培的植物要占用大量的农田，加之人工栽培受环境的制约，次生物的含量和质量不稳定。此外，在通常的情况下，天然植株中目的次生产物含量过低（如紫杉醇），在对资源植物有效成分分析的基础上，采用化学合成的方法，又会遇到工艺流程复杂、成本高、合成过程中形成同分异构体及造成环境污染等许多问题。近年来，随着对植物代谢生理生化及生态适应方面认识的深入，以及分子生物学的渗透，将外源新基因转入植物现在已属常规的操作，基因枪轰击和根癌农杆菌介导是最常用的方法，植物次生代谢分子生物学研究发展迅速。以基因工程大规模生产次生代谢产物，其具有诱人的前景。 应用次生代谢工程改良植物性状的可能性有多种多样：使内源性抗性化合物（如植物抗毒素）在高水平上表达，表现出更高的抗虫抗病能力，提高产量和质量；在花卉栽培中培育出新的花色、花香；提高水果的口感；降低食品和饲料中有毒成分的含量；提高有益成分的含量。药用植物的代谢工程是针对提高某种重要次生代谢物或者其前体的含量的，以期解决药源问题。紫杉醇是获得美国FDA(1992)认证的优良抗肿瘤药物。由于紫杉醇结构复杂，化学全合成步骤多，产量低，而且成本很高。目前，临床上使用的紫杉醇，主要是从红豆杉属植物的树皮、枝叶等组织中分离提取获得的，也有部分是以红豆杉组织粗提液中的紫杉烷类物质为前体，通过化学半合成得到。但是红豆杉植物生长缓慢，紫杉醇的含量非常少，大量砍伐、毁坏，会导致红豆杉资源趋于枯竭。为寻找紫杉醇及其半合成前体的继续稳定供应的渠道，人们纷纷把眼光转向生物技术方法，如组织器官培养、细胞大规模培养、微生物发酵等。阐明紫杉醇生物合成途径及其调控机制，实施次生代谢工程，是应用生物技术方法大量生产紫杉醇的重要措施。为此，各国科学家付出艰辛努力寻找新的药源和替代物，其中对紫杉醇生源途径的研究处于核心地位。红豆杉树皮中紫杉醇的含量为万分之二，其在国际市场上售价为20万美元/kg，远远不能够满足市场需求。如果能够用基因工程的方法提高其含量，将具有巨大的经济效益和社会效益。 2. 3 代谢工程 大量的天然产物都由相似的基本骨架经过不同的结构修饰而成, 催化这些修饰过程的酶大多具有底物特异性。近年来对次生代谢途径的研究有了长足的进展, 但是在代谢途径的总体调控以及次生代谢途径之间的协调等方面, 仍然了解甚少。最近, 科学家非常重视预见性代谢工程[20] , 即利用系统生物学的方法来整合代谢组、蛋白组和转录组的分析数据, 从而在代谢网络的水平上进行反复的系统模拟, 最终得到比较接近真实状态的结果。现有的各种数据库和仪器分析手段已经使这样的系统分析在一定程度上成为可能。近年来通过代谢工程改善植物品质已经有一些成功的例子, 如将胡萝卜素代谢途径在稻米的胚乳中表达, 创制了金色稻米( golden rice) , 为提高某些不发达地区人群胡萝卜素摄入量开辟了一个新的途径[21] 。我国唐克轩课题组通过基因工程显著提高了颠茄毛状根莨菪烷类生物碱的合成与积累。最近, 美国加利福尼亚大学伯克利分校的Jay D. Keasling 等采用一系列的转基因调控方法, 通过基因工程酵母合成了青蒿素的前体物质) ) ) 青蒿酸, 其产量超过100 mg/ L, 为有效降低抗疟药物的成本提供了机遇。此外, 植物次生代谢的酶类还可以用于环境修复[ 23] 、工业生物技术等其他目的[ 20] 。
基因工程在药用植物次生代谢物研究中的 应用
基因工程在药用植物次生代谢物研究中的应用 摘要： 目的：药用植物遗传背景基础资料缺乏，对其次生代谢途径及其调控机制的认识不够深入，阻碍了细胞或组织培养、代谢工程等在获取高价值次生代谢物上的广泛应用。功能基因组学方法，尤其cDNA-AFLP 转录轮廓分析和代谢组学的整合运用，将次生代谢物的变化与相关基因的表达相关联，在挖掘次生代谢物生物合成相关基因、探索次生代谢途径方面展现出广阔的应用前景，是植物次生代谢物研究的新趋势和重要手段之一，将有力地促进药用植物资源更好的开发利用。植物在长期进化过程中与环境相互作用，产生大量不同种类的小分子有机化合物——次生代谢物(secondarymetabolites)。 【关键词】次生代谢物；功能基因组学；转录组学；代谢组学；代谢工程 植物在长期进化过程中与环境相互作用，产生大量不同种类的小分子有机化合物——次生代谢物(secondary metabolites)。次生代谢物在植物适应特殊生态环境、对抗生物或非生物压力等方面发挥着重要作用，如抵御病虫害、适应生态环境变化、诱导授粉或防紫外线灼伤等[1-2]。很多次生代谢物化学结构复杂而独特，具有特殊的生物活性，是药用植物的主要活性成分[3]。药用植物在药物研发中应用广泛，是传统中药主要来源，其次生代谢物是新药、新先导化合物(drug leads)、新化学实体(new chemical entities，NCEs) 的重要来源[4-5]。 从生物合成的起源来看，药用植物次生代谢物可分为5大类：多聚酮类(polyketides)、异戊二烯类(isoprenoids)、生物碱类(alkaloids)、苯丙烷类(phenyl propanoids)、黄酮类(flavonoids)。多聚酮类由乙酸-丙二酸途径(acetate-malonate pathway)产生；异戊二烯类（包括萜类和固醇类）由五碳前体异戊烯焦磷酸(isopenteny l diphosphate，IPP）经过经典的甲羟戊酸途径(mevalonic acid pathway，MVA pathway)或MEP 代谢途径 (methyl-erythritol phosphate pathway)产生；生物碱类由不同种类的氨基酸合成；苯丙
植物次生代谢产物造福人类的研究 1.植物次生代谢产物的作用 次生代谢过程被认为是植物在长期进化中对生态环境适应的结果，它在处理植物与生态环境的关系中充当着重要的角色。许多植物在受到病原微生物的侵染后，产生并大量积累次生代谢产物，以增强自身的免疫力和抵抗力。 2.植物次生代谢产物分类 这些次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、类萜、甾 体及其甙、生物碱七大类。还有人根据次生产物的生源途径分为酚类化 合物、类萜类化合物、含氮化合物(如生物碱)等三大类，其中像单宁类、类黄酮又都属于酚类化合物，酚类化合物占植物次生代谢产物的70%。 3.植物次生代谢产物研究成果 对于植物次生代谢产物，多数专家教授都对此做过深入的研究，研究成果广泛用于人类生活。造福人类的最显著成果，当属诺贝尔奖获得 者：屠呦呦女士，屠呦呦女士研究的抗击疟疾的青蒿素，为我国赢得了 荣誉、为世界的医学研究以及疟疾治疗都做出了突出贡献。也让我国的 其他研究专家和研究成果受到了世界瞩目，其中通过特定的提取技术， 将植物的次生代谢产物也就是植物在生命活动中受到威胁而产生的抗体 运用到人类生活各个方面的研究是未来重点研究课题，这个利用植物代 谢抗体做研究的已有开发立项，可换称之为一种植物抗生素及其应用， 已列为国家发明专利。 4.植物次生代谢产物对人类的可用之处 一篇植物酚类物质研究文献中提到酚类物质在人和动物中的营养功能，
由于酚类物质结构中含有较多的羟基，因此表现出很强的抗氧化作用，在流行病学上发现类黄酮投入的量和心脏病、中风、肺癌、胃癌发生率成反比，所以有所谓的“法兰西困惑”现象，法国人经常饮用葡萄酒，而红葡萄酒中含有大量的多酚类物质如原花色素、儿茶素等，这些物质能预防冠心病，抑制血管动脉粥样硬化，从而延长人的寿命。而此研究专利利用植物次生代谢产物中：酮类、醌类的杀菌复合机理，酚酸的杀菌作用以及祛味、滋阴功效，类黄酮的抗炎症、抗变性、抗肿瘤、抗病毒的作用已运用于生物医学板块抗击HPV病毒、子宫癌、宫颈与阴道炎症等女性生殖道疾病，滋养保护女性生殖道。 多聚体单宁类与蛋白质发生聚合反应产生收敛作用可使粗大毛孔收缩、绷紧而减少细纹，单宁对紫外线光区有强烈的吸收作用，对紫外线的吸收达98%以上，是天然防晒佳品，单宁有它特有的分子结构及功能集保湿、除皱、美白、防腐作用于一体运用于化妆品板块皮肤护理，缓解因环境及敏感肌自身问题带来的各种皮肤问题。 5.展望 植物的次生代谢产物，由于其具有的多种活性，在医药化工，农家肥，化妆品等领域都得到了广泛的应用。随着基因组学，蛋白质组学等现代生物技术的快速发展，植物中各种次生代谢产物的种类、结构、含量以及他们的代谢途径、互作方式等研究将逐步得以深入，有助于未来各种植物代谢产物的定向合成和利用。进而使植物代谢产物呈现出更加广阔的应用前景。 以下是国家发明专利： 专利号：zl200610044372.x
植物次生代谢物质种类及结构 次生代谢产物的化学结构差异很大，通常归为萜类化合物（萜类、甾体类）、酚类化合物（苯丙烷类、醌类、黄酮类、鞣质）、含氮化合物（生物碱、氰苷、芥子油苷、非蛋白氨基酸）和其他次生代谢产物四大类。 （1）酚类 广义的酚类分为黄酮类、简单酚类和黄酮类。黄酮类是以一大类苯色同环为基础，具有C3、C6、CH6结构的酚类化合物，其生物合成的前体是苯丙氨酸和乌龙基辅酶A。根据在B环上的连接位置的不同可分为2-苯基衍生物（黄酮、黄酮醇类）3-苯基衍生物（异黄酮）和4-苯基衍生物（新黄酮），很多黄酮类成分用于心血管疾病的治疗，如槐树槐米中的芦丁是用于治疗毛细血管脆性引起的出血症及辅助治疗高血压，许多异黄酮是植保素。 简单酚类是含有一个被烃基取代苯环的化合物，某些成分有调节植物生长的作用，有些是植保素的重要成分。 醌类化合物是有苯式多环烃氢化合物（如萘、蒽等）的芳香二氧化物。醌类的存在是植物成色的主要原因之一，有些醌类是抗菌、抗癌的主要成分，如胡桃醌和紫草宁。 举例 （1）苦荞麦中含有黄酮类物质，主要成分是芦丁。芦丁含量占总黄酮的70～90%，芦丁又名芸香甙、维生素P，具有降低毛细血管脆性和异常通透性，改善微循环的作用，在临床上主要用于糖尿病、高血压、高血糖等的辅助治疗。而芦丁在其它谷物中几乎没有。 （2）胡桃醌作为氢化胡桃醌（三羟基萘）的苷存在于胡桃科植物胡桃及其同属植物黑核桃的未成熟的外果皮（青皮）中。可从天然物质中分离，也可化学合成。桃醌具有止血和抗菌活性，也曾用于治疗湿疹、牛皮和发癣。 （2）萜类化合物
萜类化合物是由异戊二烯单元（5碳）组成的化合物，通过异戊二烯途径（又称甲羟戊酸途径），由2个、3个或4个异戊二烯单元分别组成产生的单萜、倍半萜和二萜称为低等萜类。单萜和倍半萜是植物挥发油的主要成分，也是香料的主要成分，许多倍半萜和二萜化合物是植保素。一些萜类成分具有重要的药用价值，如倍半萜成分青蒿素是治疗疟疾的最佳药物，抗癌药物紫杉醇是二萜类生物碱，存在于裸子植物红豆杉中。 甾类化合物和三萜的合成前体都是含30个碳原子的鲨烯，高等萜类。甾类化合物由1个环戊烷并多氢菲母核和3个侧链基本骨架组成植物体内三萜皂苷元和甾体皂苷元分别与糖类结合形成三萜皂苷如人参皂苷和薯蓣皂苷等。 举例 （1）青蒿素来源主要是从青蒿中直接提取得到；或提取青蒿中含量较高的青蒿酸，然后半合成得到。除青蒿外，尚未发现含有青蒿素的其它天然植物资源。主要用于间日疟、恶性疟的症状控制，以及耐氯喹虫株的治疗，也可用以治疗凶险型恶性疟，如脑型、黄疸型等。亦可用以治疗系统性红斑狼疮与盘状红斑狼疮。 （2）紫杉醇是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物, 也是目前所了解的惟一一种可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物。通过Ⅱ-Ⅲ临床研究，紫杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌，对肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌、淋巴瘤、脑瘤也都有一定疗效。 （3）含氮有机物 含氮有机化合物中最大的一类次生代谢物质是生物碱,是一类含氮的碱性天然产物,已知的达5500种以上。按其生源途径可分为真生物碱、伪生物碱和原生物碱。真生物碱和原生物碱都是氨基酸衍生物,但后者不含杂氮环。伪生物碱不是来自氨基酸,而是来自萜类、嘌呤和甾类化合物。许多生物碱是药用植物的有效成分,如小檗碱、莨菪碱等,还有些是植保素。 含氮有机化合物还有胺类、是NH3中的氢的不同取代产物;非蛋白氨基酸,即蛋白质氨基酸类似物;生氰苷,即植物生氰过程中产生HCN的前体物质如苦杏仁苷和亚麻苦苷。 举例
光对药用植物次生代谢产物形成与积累影 响的研究进展 植物次生代谢的概念最早于1891 年由Kossel 明确提出，它是相对于初生代谢或基本代谢而言的。植物的次生代谢是植物在长期进化中与环境相互作用的结果，次生代谢产物在植物提高自身保护和生存竞争能力、协调与环境关系中充当着重要角色。 植物生长发育过程中经常受到各种环境胁迫。植物次生代谢产物（Secondarymetabolites）是由次生代谢（Secondarymetablism）产生的一类细胞生命活动或植物生长发育正常运行的非必需的小分子有机化合物，是植物对环境的一种适应。次生代谢产物通常也是中药的主要药效成分，次生代谢产物在药用植物体内的分布和代谢及次生代谢产物的分类、化学、药理药效等已进行了大量研究，但对研究环境胁迫对中药次生代谢产物积累的影响刚刚起步。 研究逆境条件下药用植物次生代谢产物的产生和积累变化以及药效成分变化的机制，可为药用植物栽培环境的选择以及相适应的栽培技术制定提供理论依据，这将有利于传统中药药源植物的标准化和目标化种植，并对中药材质量控制及可持续利用具有重要意义。 光照对药用植物次生代谢的影响 首先，光强不同对药用植物次生代谢的影响也不同。将虎杖愈伤组织分别于暗光、弱光和强光3个条件下进行培养，结果在弱光条件下培养的虎杖愈伤组织中白藜芦醇的含量最高；遮阴条件下培养的长春花叶片中生物碱和黄酮的合成呈下降趋势，单层遮阴条件下2种双吲哚生物碱（长春碱和长春新碱）含量最高，双层遮阴条件下 2 种单吲哚生物碱（文多灵和长春质碱）含量最高；全光照条件下培养的
长春花叶片中总黄酮含量最高。其次，光质对药用植物次生代谢也有很大影响。与同等光合有效辐射强度的白光相比，白光补充蓝光处理和白光补充红光处理均能使丹参根系中丹酚酸B的含量提高。而将冬凌草再生植株置于不同光质的培养箱中培养30d后，绿光照射条件下冬凌草体内冬凌草甲素和迷迭香酸积累量最高，其次为白光，而红光条件下2种次生代谢产物的积累量最低。 此外，光照时间是影响药用植物次生代谢的另一个重要因素，因此根据药用植物开花所需时间的长短将其分为长日照植物、短日照植物和中间性植物。对于某些药用植物来说，适当缩短或延长光照时间，其药用次生代谢物的含量也随之改变，如长日照可提高许多药用植物酚酸和黄酮类化合物的含量。 光照胁迫对次生代谢产物的影响 光照是植物生长所必需的，在植物生长发育及初生代谢中起重要作用。在植物化学生态研究中，光照也是广泛受到重视的生态因子，它影响着许多植物次生代谢过程。很多情况下适当改变光照强度、光照时间及光质，在一定程度上可刺激药用植物体内次生代谢产物的合成和积累。王洋等研究发现喜树幼苗叶片的喜树碱含量随着遮阴程度的增加而增加，当光强为全光照的40％时喜树碱含量显著增加，但光强为全光照的20％时（严重遮阴），喜树碱含量降低，分析认为喜树碱含量的变化是喜树幼苗通过次生代谢过程对不良环境（遮阴）的一种适应性反应。广西莪术为阳生植物，陈旭等研究发现，通过人为的遮阴使其光照强度减少至自然光照强度的85％，该环境条件下莪术挥发油和莪术醇含量最高。王华田等有相似的报道，银杏叶片中的黄酮和内酯含量受光照强度的影响，人为遮阴处理后叶片黄酮和内酯含量发生变化，在42％的自然光照强度条件下，黄酮含量和内酯含量最高。
2 植物次生代谢产物的主要类群 2.1 萜类 (terpene) 2.2 甾体类 (steroid) 2.3 苯丙烷类 (phenylpropanoid) 2.4 醌类 (quinonoid) 2.5 黄酮类 (flavonoid) 2.6 鞣质 (tannin) 2.7 生物碱 (alkaloid) 2.8 氰苷、芥子油苷、非蛋白氨基酸 (cyanogenic glycoside, glucosinolate, nonprotein amino acid) 次生代谢产物的化学结构差异很大，通常归为萜类化合物（萜类、甾体类）、酚类化合物（苯丙烷类、醌类、黄酮类、鞣质）、含氮化合物（生物碱、氰苷、芥子油苷、非蛋白氨基酸）三大类 除以上三大类外，植物还产生多炔类、有机酸等次生代谢物质 多炔是植物体内发现的天然炔类，主要分布于菊科及伞形科植物，现已发现1000种左右 有机酸广泛分布于植物各部位，一些有机酸如茉莉酸在植物信号传递中起重要作用 根据结构特征和生理作用也可将次生代谢产物分为抗生素（植保素）、生长刺激素、维生素、色素、生物碱与毒素等不同类型 3.1 萜类 terpene ?萜类或类萜在植物界中广泛存在，由异戊二烯组成，有链状的，也有环状的，一般不溶于水 ?萜类种类依异戊二烯数目而定，有单萜、倍半萜、双萜、三萜、四萜和多萜之分 ?萜类的生物合成有两条途径：甲羟戊酸途径和丙酮酸/磷酸甘油醛途径，前者研究得比较清楚，后者仍有些未明，两条途径都是经过异戊烯基焦磷酸（IPP）进一步合成各种萜类化合物 3.1.1 单萜（monoterpene） ?单萜广泛存在于高等植物中，多分布于樟科、松科、伞形科、姜科、芸香科、桃金娘科、唇形科、菊科的植物中?单萜常温下一般是挥发性液体，沸点140-200℃。有的单萜与糖结合成苷，则不具有挥发性 ?单萜依据碳架可分为链状、单环、双环和三环4个大类 3.1.1.1 链状单萜 ?月桂烯（杨梅烯，myrcene）广泛存在于植物界，杨梅叶、松节油、黄柏果油、桂油、柠檬草油、啤酒花油和芫荽油等挥发油中含有；是香料工业中重要的反应中间体 ?芳樟醇（linalool）(里哪醇、沉香醇) 化学名：3,7-二甲基-1,6-辛二烯-3-醇，具一个手性碳原子，有一对对映异构体。(-)-(R)-芳樟醇存在于香紫苏油、香柠檬油、芳樟油中， (+)-(S)-芳樟醇存在于芫荽油、桔油及素馨花挥发油中。芳樟醇具有抗菌、抗病毒和镇静等作用。芳樟醇对正常人体的心脏和呼吸功能具有较明显的抑制作用，具降压作用；具有优美而偷快的花香香气不同旋光性的芳樟醇具有不同的香气。用于多种香型的香精调配，如百合、丁香、橙花等各种香精。是合成芳樟醇类香料化合物和维生素E、A的重要原料。世界上每年耗用量数万吨，产值数亿美元。我国每年需要量达400吨，主要依靠进口（林耀红，1997）。西南化工研究院于1997年底投资1000余万元，建设年产1000t芳樟醇生产装置，该装置1999年已建成投产 芳樟醇与茶叶：茶叶中的芳樟醇具铃兰香气，系阿萨姆种及我国大叶种茶香气中含量最高的物质，其含量在新梢各部位的分布表现为芽>第一叶>第二叶>第三叶>茎，各季含量以春茶最高，夏茶最低，加工过程中，芳樟醇大量产生于揉捻及发酵工序 芳樟醇还有四种顺式和反式毗喃型及呋喃型氧化物。 ?柠檬醇，顺式异构体称为橙花醇（nerol），反式异构体称香叶醇或牦牛儿醇（geraniol），均有玫瑰香气。橙花醇的香气更为柔和，常用于香水配方。 ?柠檬醛（citral），反式的习称香叶醛（geranial），顺式的称橙花醛（neral）。柠檬醛通常为混合物，以橙花醛为主，具有柠檬香气 ?香叶醇（ geraniol ）：香叶醇是玫瑰中的主体花香成分，是中小叶种茶叶中的主要香气成分，具典型玫瑰香型。祁门红茶中香叶醇含量极高。香叶醇在新梢各部分的含量分布及其季节和加工变化与芳樟醇相似。1990年，Yano 指出香叶醇的前体为香叶基-β葡糖甙；1993年，Guo相继在乌龙茶的研究中分离并鉴定出了香叶基-6-O-R-D-吡喃木糖-β-D-吡喃葡糖甙，第一次发现单萜烯醇配糖体的糖体部分存在非单糖结构。 3.1.1.2 单环单萜 ?柠檬烯（limonene），(+)-柠檬烯在芸香科桔属植物果皮的挥发油中约含90%，(-)-柠檬烯存在于薄荷、土荆芥、缬草的挥发油中 ?萜品醇（terpineol），也称松油醇，存在于樟脑油、八角茴香油及橙花油中，用于香料配制 ?薄荷醇（menthol），又称薄荷脑。由于有3个不对称碳原子，应有4对不同的立体异构体
植物次生代谢产物在生产生活中的应用 作者：唐璐(2011015292) 地址：西北农林科技大学创新生技113 导教师：韩锋 摘要：次生代谢是植物重要的生命活动, 与植物的生长发育及其对环境的适应密切相关。同时次生代谢产物也是重要的药物和化工原料来源。植物次生代谢物的种类繁多,与初生代谢物相比虽不是植物生长发育所必需的,但其在植物防御、作物改良、医药生产及人类疾病的防治等方面具有重要意义. 关键词：次生代谢，研究意义，类型，功能，应用。 １.植物次生代谢产物 植物次生代谢产物是植物对环境的一种适应，是在长期进化过程中植物与生物和非生物因素相互作用的结果。在对环境胁迫的适应、植物与植物之间的相互竞争和协同进化、植物对昆虫的危害、草食性动物的采食及病原微生物的侵袭等过程的防御中起着重要作用。次生代谢过程被认为是植物在长期进化中对生态环境适应的结果，它在处理植物与生态环境的关系中充当着重要的角色。许多植物在受到病原微生物的侵染后，产生并大量积累次生代谢产物，以增强自身的免疫力和抵抗力。植物次生代谢途径是高度分支的途径，这些途径在植物体内或细胞中并不全部开放，而是定位于某一器官、组织、细胞或细胞器中并受到独立的调控。它们是细胞生命活动或植物生长发育正常运行的非必需的小分子化合物，其产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性。这些次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、类萜、甾体及其甙、生物碱七大类。还有人根据次生产物的生源途径分为酚类化合物、类萜类化合物、含氮化合物(如生物碱)等三大类，据报道每一大类的已知化合物都有数千种甚至数万种以上。 ２. 植物次生代谢研究的意义 植物和微生物能够合成大量次生代谢产物 (secondary metabolites) , 又称天然产物。这些小分子有机物在植物类群中特异性分布, 往往不是细胞正常生命活动所必需的。据估计,植物次生代谢产物在10 万种以上, 包括萜类、酚类( 黄酮类、花色苷) 、生物碱、多炔等, 它们都是由初生代谢途径衍生而来的。次生代谢是在植物长期演化过程中产生的,与植物对环境的适应密切相关, 并非可有可无。从功能上看, 许多物种的生存已离不开这些天然产物。例如虫媒植物的生长并不需要昆虫, 但离开了昆虫授粉则无法完成世代交替。而吸引昆虫的往往就是这些次生代谢产物) ) ) 具有气味的挥发性物质或表现出颜色的花色苷类或胡萝卜素类。由此可见, 植物天然产物在功能上并不总是处于次要地位。越来越多的工作显示, 次生代谢与植物的抗性与品质紧密相关, 植物对病害和虫害的抗性在很大程度上取决于细胞内植保素的合成调控。 ３.代谢产物在生产生活中的应用 植物次生代谢是植物在长期进化中对生态环境适应的结果。产物其代谢产物具有多种复杂的生物学功能，在提高植物对物理环境的适应性和种间竞争力、抵御天敌的侵袭，增强抗药病性等方面起着重要作用。植物次生代谢物也是人类生活、生产中不可缺少的重要物质。为医药、轻工、化工、食品及农药等工业提供了宝
一．（3:15分）1.初生代谢指所有生物的共同的代谢途径。合成糖类，氨基酸类,普通的脂肪酸类，核酸类以及由它们形成的聚合物(多糖类、蛋白质类、RNA、DNA等等)。 2.次生代谢物生物在一定时期或者一定阶段，在一定的活着特殊的环境条件下，合成分泌一些特殊的化合物，这些化合物对于生物细胞而言，是完全没有必要的，但对于整个个体而言，则又是必须的，这就是次生代谢 3.植物化感作用植物在其生长发育过程中，通过排除体外的代谢产物而对另一种植物产生促进或者抑制作用这种现象称为植物的化感作用，简称化感作用 4.类黄酮类化合物（flavonoids）凡两个苯环（A环、B环）通过三碳链相互连接而成的15碳化合物，即具有C6-C3-C6基本骨架的一类化合物的总称 5.发根培养技术利用发根农杆菌感染植物的外植体使其产生毛状根，并对所产生的毛状根进行无菌培养的技术 二．（1：25分）1.初生代谢产物（乙酰辅酶A）、（氨基酸）、莽草酸、丙二酸甲酰辅酶A作为原料或前体，又进一步经历不同的次生代谢过程，生成（萜类）、酚类等化合物。 2.花色素多以苷的形式存在于（细胞液）中，被称为（花色苷）。 3.萜类是由（异戊二烯单元）组成的重要化合物，通过（异戊二烯）途径合成。 4.次生代谢生物种类繁多，主要有（微生物）、（动物）和（植物）。它们能进行次生代谢，产生次生代谢产物。 5.北美的黑胡桃产生的（葡萄糖苷胡桃醌）能抑制其他植物的生长，它被称为黑胡桃所产生的化感物质。 6.近来研究表明，植物类异戊二烯的生物合成至少存在两条合成途径：（甲羟戊酸途径）和（丙酮酸/磷酸甘油醛）合成途径。 7.萜类合成的前体物质（IPP ）（GPP ）和（FPP ）。 8.（糖酵解）、（TCA循环）、（卡尔文循环）和戊糖磷酸是有机物代谢的主干，筑成了生命活动的舞台，是各种有机物代谢的基础，这个主干来源于光合作用。 9.水溶性植物色素包括（黄酮类）（花色素）（蒽醌）。 10.（莽草酸途径）途径和（丙二酸途径）途径是酚类物质合成的两条主要途径。 三．1.简述初生代谢和次生代谢的关系。（10分） 答：①次生代谢必须从出生代谢获取原料才行，初生代谢的产物是次生代谢的底物； ②初生代谢是次生代谢的基础。影响初生代谢的因素也会影响次生代谢 ③次生代谢是初生代谢的补充性扩展。次生代谢反应进行与否反应速度反过来又影响初生代谢。这是生物代谢的反馈调节 2.化感物质释放的途径有哪些？（12分） a)挥发：植物向体外释放挥发性物质，一些挥发性化感物质通过植物的体表进入环境而发 挥作用 b)淋溶：由于雨水或者雾滴的租用，一些有机酸、氨基酸、萜类物质等水溶性化合物易被 从植物表面淋溶下来，对周围的植物产生影响 c)植物残株或凋落物的腐烂释放：植物及其器官死亡后，其中的复合物或者聚合物被微生 物分解而释放某些化合物，对周围植物产生影响 d)根的分泌：很多化感物质从根中分泌出来影响环境中的植物的 3.事实上，有一些次生代谢物质为植物自身生命活动所必需，如何理解？（12分） 答：按照生物进化的原理，植物既然花费一定的物质和能量来合成次生代谢物，就必然存在
我国药用植物次生代谢产物功能基因研 究概况 （作者:___________单位: ___________邮编: ___________） 【摘要】综述了近年来我国药用植物次生代谢产物功能基因的研究方法和内容，着重介绍了萜类、黄酮类、生物碱类、酚类、多糖类、凝集素等次生代谢产物合成相关功能基因的研究现状，对药用植物次生代谢产物合成相关功能基因的应用前景作了介绍，为今后药用植物功能基因的大规模研究和利用提供借鉴。 【关键词】药用植物次生代谢产物功能基因 Abstract：The content and methods of our country’s latest functional genomics study of medicinal plant secondary metabolism were reviewed, by focusing on the synthesis of terpinoids, flavonoids, alkaloids etc. The research progress and potential application in this new area were also commented. Key words：Medicinal Plant; Secondary metabolism; Functional genomics; Research progress 1995年生物学家提出“后基因组(postgenome)”的概念，即在基因组静态的作图、碱基序列分析基础上转入对基因组动态的生物学功能
的研究。随着人类基因组计划(HGP)的顺利进行，基因组学的研究从结构基因组学(structural genomics)开始过渡到功能基因组学(functional genomics)，结构基因组学代表基因组分析的早期阶段，以建立生物体高分辨遗传、物理图谱为主；功能基因组学代表基因分析的新阶段，是利用结构基因组学提供的信息，发展和应用新的实验手段系统地研究基因功能，它以高通量、大规模实验方法及统计和计算机分析为特征。目前人类、酵母的功能基因组研究已全面展开，植物的功能基因组研究起步较晚，现正处于结构基因组学和功能基因组学并重的时代，但近几年植物功能基因组学研究得到了迅速发展［1～3］。 1 药用植物次生代谢产物合成相关功能基因组学研究方法 植物在长期进化过程中，逐渐形成了一些适应环境的生理生态功能,其中之一就是根据初生生长的需要产生各种类型的次生代谢产物。次生代谢产物是植物在长期进化中与其生存环境相互作用的结果,既能够在植物体内积累，抵御病原微生物等的侵害，又在植物的整个代谢活动中占有重要地位［4］。 药用植物功能基因研究是从功能基因入手阐明药用植物有效成分的生物合成途径及其调控机制，其中主要涉及到次生代谢产物生物调控的关键酶系的结构编码基因和其他功能基因。研究中可能应用的分子生物技术有植物的表达序列标签(EST)和cDNA文库筛选；药用植物功能蛋白质组研究；特定代谢时期细胞功能簇(CRC)分析和功能蛋白质组表达图谱用于基因组功能提示的可行性；基因表达指纹(GEF)；基
2015年春季学期植物生理学课程论文 植物次生代谢产物的研究应用概况 系别： 专业： 姓名： 学号： —2015.6.18—
一、植物次级代谢产物概况 植物次生代谢产物是植物的次生代谢产生的各种小分子有机化合物。次生代谢由初生代谢衍生而来。初生代谢是生物共有的代谢途径合成糖类、脂类、核酸和蛋白质等初生代谢产物。初生代谢产物经一系列味促反应转化成为结构复杂的次生代谢产物其产生和分布通常具有种属、器官、组织和生长发育期的特异性。次生代谢产物广泛参与植物的生长、发育和防御等生理过程在植物生命活动过程中发挥着重要作用。植物次生代谢产物种类丰富、来源多样根据其基本结构特点可分为萜类、酚类和含氮化合物三大类。植物次生代谢产物是天然药物和工业原料的重要来源。中国是世界上使用和出口中药材最多的国家，而其中80% 以上的中药材来自药用植物。本文介绍一些重要植物次生代谢产物的生理功能及应用。 植物次生代谢产物被广泛应用于药物、香料、化妆品、染料等领域，但它在植物中的含量一般较低。通过对植物次生代谢产物合成途径的解析，在体外可通过化学合成法或半合成法对其有效成分进行合成，但在实际工业生产中仍存在各种各样的问题，如工艺流程复杂、成本高昂、排放物对环境造成污染等，因此研究植物次生代谢产物的代谢工程成为生命科学领域的热点问题之一。 二、萜类化合物的应用 萜类化合物是植物界中广泛存在的一类次级代谢产物，一般不溶于水。萜类是由异戊二烯组成的，萜类化合物的结构有链状的，也有环状的。萜类化合物的种类是根据异戊二烯的数目二确定的：有单萜、倍半萜、双萜、三萜、四萜和多萜之分，是自然界分布广泛、种类最多的一类植物天然产物，具有重要的生理学和社会学功能。迄今已从动物、植物和微生物中分离了4 万多种萜类化合物。在植物细胞中，低相对分子质量的萜类是挥发油，相对分子质量增高就成为树脂、胡萝卜素等较复杂的化合物，更大相对分子质量的萜则形成橡胶等高分子化合物。 植物中的萜类化合物按其在植物体内的生理功能可分为初生代谢物和次生代谢物两大类。初生代谢萜类化合物包括赤霉素、甾体、胡萝卜素、植物激素、多聚萜醇、醌类等。这些化合物在保证生物膜系的完整性、光保护、植物生长发育进程及细胞膜系统上的电子传递等功能方面具有重要作用。次生代谢萜类化合物通常具有重要的商业价值，常被用作食品添加剂、农药和药物等。 2.1除虫菊酯 除虫菊酯是单萜类的髙效天然杀虫剂，存在于菊科植物除虫菊的根、茎、叶和花等部位。天然除虫菊酯最主要的杀虫成分为除虫菊酯和除虫菊酯图对蚜虫、菜靑虫、棉铃虫等几乎所有农业害虫均有极强的触杀作用并且易分解不污染环境对人畜等哺乳动物安全无毒。用除虫菊的花、叶做成蚊香可以杀蚊驱蝇对奥虫、虱子及跳蚤均有特效
姓名：王刚班级：中草药121 学号：1209010468 光对药用植物次生代谢产物的形成与积累的研究进展 光作为一个重要的环境因子,对植物生长发育有广泛的调节作用。它不仅能够通过影响植物的光合作用,把光能转变为化学能贮存起来,为植物的生长提供能量。同时,光还以环境信号的形式作用于植物,通过光敏色素等作用途径调节植物生长、发育和形态建成,使植物更好地适应外界环境。 一、光照强度药用植物对次生代谢产物积累的影响。 光是植物生命活动中重要的环境因子之一，它不仅是植物生长发育的能量来源，而且作为信号因子调控植物的生长发育。光对植物次生代谢产物的合成和积累产生重要的影响。适宜的光照强度能促进植物同化产物的积累，进而有利于次生代谢产物的合成。研究表明，减弱光照强度可诱导积累生物碱，从而增加植物组织中生物碱的含量[31-32]；适度遮荫条件下，红豆杉中的紫杉醇[33]、雷公藤（Tripterygium wilfordii）愈伤组织中的二萜内酯[34]、银杏（Ginkgo biloba）叶中的黄酮[35]、参根中人参皂甙[36]、绞股蓝（Gynostemma pentaphyllum）中的总皂甙[37]等次生代谢产物的含量都有不同程度的提高。叶和春[38]通过研究发现，光照对新疆紫草（Arnebia euchroma）愈伤组织紫草宁衍生物的形成有强烈抑制作用。然而，有些研究发现，增加光照强度有利于生物碱等一些次生代谢物的合成[32]，如充足的光照能提高金银花（Loniceraferdinandii）中氯原酸[39]、麻黄（Ephedra sinica）生物碱[40]等有效成分的含量。 目前，关于光强对萜类物质影响的研究结果也并不一致。有研究表明，强光照促进单萜类物质的积累，低光照条件下其含量降低。萜烯类物质也会受到光强的影响。遮荫处理后的幼苗也表现出较低水平的丹宁酸。因此，在生产实践中，可以通过调整植株的种植密度、进行适当的遮荫处理等措施来改变光强，从而达到最佳的种植效果，获得最大收益。 二、光质对药用植物次生代谢产物积累的影响。 光质对次生代谢的影响较为复杂，不同波段对不同种类的次生代谢物质积累的影响不同，相同波段的光对同一类次生代谢物质的影响在不同植物的表现不同。绿光对冬凌草（Rabdosia rubescens）再生植株体内的冬凌草甲素和迷迭香酸的合成有明显地促进作用，而红光培养下植株体内次生代谢产物的形成受到了明显的抑制[41]。郑珍贵等[42]研究发现，红光比蓝光更利于长春花（Catharanthusroseus）细胞中生物碱的合成；赵德修等[43]发现，蓝光对水母雪莲（Saussurea medusa）愈伤组织黄酮合成的促进作用最强，其次是远红光和白光，红光最低。另外，还有研究发现，红膜使根部红景天（Rhodiolasachalinensis）甙含量提高[44]；黄色薄膜下茶树（Camelliasinensis）的花青素含量较高[45]，黄色薄膜下茶多酚含量仅次于红薄膜覆盖的含量[46]；紫膜和黄膜覆盖下人参总皂甙含量明显提高，深蓝膜下人参总皂甙含量明显下降[47]；。可见，不同的光质对不同种类次生代谢物的影响存在差异。这是因为植物界存在着红光、远红光调节的第一光形态建成反应，以及蓝光、近紫光调节的第二光形态建成反应。这两类反