植物次生代谢物的研究进展

植物次生代谢物的研究进展

植物次生代谢物的种类、合成途径及应用研究进展

摘要：植物次生代谢是植物在长期进化过程中与环境相互作用的结果。由初生代谢派生。萜类、生物碱类、苯丙烷类为植物次生代谢物的主要类型，其代谢途径多以代谢频道形式存在，具有种属、生长发育期等特异性。本文综述了植物次生代谢物的主要类型、合成途径及应用价值，同时对合理开发植物次生代谢资源做了展望。

关键词：次生代谢;生理功能 ; 应用进展

The Type,Biosynthesis and Application Progress of the

Secondary metabolism in Plants

Abstract: Plant secondary metabolism result from the

process that plant is of long-term evolution and the environment

interaction,Derived from primary metabolism.Terpenoids,

alkaloids, benzene propane classes are the main kind of plant

secondary metabolites.Its metabolic pathway mainly depend on

metabolic channels and has the specificity of such as species,

growth development period.Main types of plant secondary

metabolites is reviewed in this paper, the synthesis methods and

application value, at the same time of plant secondary

metabolism resources reasonable development were discussed.

Keywords: secondary metabolism ; physiological functions ;

application progress

0 前言

植物次生代谢(secondary metabolism)的概念最早于1991年由Kossel明确提出，是由初生代谢(primary metabolite)派生的一类特殊代谢所产生的物质。与初生代谢物相比，次生代谢物不是细胞生命活动或植物生长发育所必需的。其在已知的光合作用、呼吸、同化物运输以及生长分化等过程中没有明显的或直接的作用[1]。但随着研究的不断深入，表明植物次生代谢物的形成多与植物的抗病、抗逆有关，在处理植物与生态环境关系上充当着重要的角色。随着次生代谢产物在医药、食品、轻化工等领域的广泛应用，其物质的种类、代谢途径，以及代谢机理等相关问题亦倍受研究者关注。

1 植物次生代谢物的主要种类及合成途径

植物次生代谢物的产生和分布通常有种属、器官组织和生长发育期的特异性。目前其分类方法主要有如下三种：①根据化学结构不同，分为酚类、萜类和含氮有机物等[2]；②根据结构特征和生理作用不同，分为抗生素(植保素)、生长刺激素、维生素、色素、生物碱与植物毒素等；③根据其生物合成的起始分子不同，分为萜类、生物碱类、苯丙烷类及其衍生物等三个主要类型。

1．1 萜类化合物

萜类化合物(perpenoid)是所有异戊二烯聚合物及其衍生物的总称[3]，以异戊烷五碳类异戊二烯为基本单位，又称类异戊二烯(isoprenoid)，以侧链重复连接方式递增，分开链类和环萜类两种。因分子内碳环数的不同，可分为单环萜、双环萜、三环萜等。半萜、单萜及其简单含氧衍生物是挥发油的主要成分；双萜是形成树脂的主要成分；倍半萜是萜类的最大一族，约有7000多种，作用广泛。植物萜类广泛分布于植物、微生物的初级代谢物和次级代谢物中[4]。

萜类化合物有2条合成途径，一条是长期以来被大家公认的甲羟戊酸途径[5,6]，另一条是1993年由Rohmer等[7]通过大量研究证明的丙酮酸/磷酸甘油醛途

径。甲羟戊酸途径是以乙酰辅酶A为原料，经甲羟戊酸这一前体，形成异戊烯基焦磷酸酯（IPP）及其双键异构体二甲基烯丙基焦磷酸酯（DMAPP），进一步缩合形成倍半萜、三萜和甾体，这些反应均在细胞浆（cytosol）中进行，又称胞浆途径（cytosolic pathway）。由于甲羟戊酸（MVA）是该途径的关键前体，故该途径简称MVA途径。IPP形成后,萜类生物合成重要的酶有烯丙基转移酶和萜类合成酶（TPS）[8]。丙酮酸磷酸甘油醛途径则是以丙酮酸和磷酸甘油醛为原料，在转酮酶的催化作用下聚合成1-去氧木糖-5-磷酸（DXP）这一前体，经异构化和还原等反应，形成 2-甲基赤藓糖-4-磷酸（MEP）中间体，再经磷酸化、环化等步骤生成IPP，从而衍生单萜、二萜等萜类化合物。该生物合成途径是在植物特有的细胞器质体中进行的。由于DXP是该途径的关键前体，故该途径简称DXP 途径。

1．2生物碱类

生物碱是植物中广泛存在的一类含氮次生代谢物，分子结构中具有多种含氨杂环。多为药用植物主要有效成分。自然界20％左右的维管植物含有生物碱，其中大多数是草本双子叶植物，单子叶植物和裸子植物很少含生物碱，最深人研究的有烟草的烟碱、毗咯啶生物碱、毒藜碱，毛茛科的小檗碱，曼陀罗的莨菪碱、东莨菪碱等[9]。

生物碱主要由色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、精氨酸等前体物质合成[10]。研究发现，植物生物碱的主要类型为萜类吲哚生物碱、苄基异喹啉生物碱、茛菪碱、烟碱和嘌呤生物碱等，这些生物碱在植物体内均有其特定的生物合成途径[11]。四氢苯基异喹啉类生物碱合成途径的分支点为（S）-网状番荔枝碱，在特异性合酶的作用下可进一步合成黄连素、延胡索碱、吗啡等生物碱；萜类吲哚生物碱分子含有吲哚环和次番木鳖苷，异胡豆苷合酶是该途径关键酶之一，其中产物异胡豆苷是该途径重要的分支点，可进一步转化为长春花碱、奎宁、番木鳖碱等多种同类生物碱；烟碱和茛菪碱等生物碱的合成前体为鸟氨酸，腐胺-N-

甲基转移酶、托品酮还原酶、东茛菪胺羟基化酶等为该类物质生物合成的关键酶[12]。

1.3苯丙烷类

苯丙烷类化合物(phenylpropanoid)或其衍生物分布于约250000种维管植物中，结构迥异，种类繁多，广泛参与调节生长发育、繁殖和防御等各种生理活动。黄酮类化合物泛指由2个芳香环(A和B)通过中央三碳链相互连接而成的以苯色酮环为基础结构的一系列化合物。目前已发现的有异黄酮类化合物(防御产物或信号分子)、查尔酮、橙酮、黄酮、黄酮醇等。简单酚类为含有一个羟基的苯环化合物，按其结构可分为3类，即简单苯丙酸类(phenyl pro-panoid)化合物、苯丙酸内酯(phcoyl propanoic lactone)类化合物、苯甲酸(benzoid acid)衍生物类。许多简单酚类化合物在植物防御食草昆虫和真菌侵袭中起重要作用，某些成分还具有调节植物生长的作用。醌类化合物是一类由苯式多环烃碳氢化物衍生的芳香二氧化物，是植物呈色因子之。根据其环系统可分为苯醌、萘醌和蒽醌。

苯丙烷类化合物生物合成的起始分子为芳香族氨基酸，即苯丙氨酸和酪氨酸。研究表明，在大多数植物苯丙烷类化合物代谢途径中包含两个基本途径，即莽草酸(shikimic acid)途径和丙二酸(malonic

acid)途径[13]。莽草酸途径主要参与高等植物的苯丙烷类代谢，丙二酸途径则为真菌或细菌的合成途径。在高等植物体中，通过莽草酸途径可将赤藓糖-4磷酸(磷酸戊糖途径)与磷酸烯醇式丙酮酸(糖酵解途径)结合经中产物莽草酸转化为芳香族氨基酸—苯丙氨酸和酪氨酸。这两种芳香族氨基酸为苯丙烷类化合物生物合成的起始分子。由苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammo-nia lyase，PAL)催化苯丙氨酸脱氨形成肉桂酸，进而转化为木质素单体(monolignol)的一系列过程被公认为苯丙烷类化合物代谢的中心途径[14]。

1．4其他

除了上述的主要3大类外，植物还产生多炔类、有机酸等次生代谢物质，多炔类是植物体内发现的天然炔类，有机酸广泛地分布于植物各个部位。

2 植物次生代谢物的功能

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。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能力、抵御天敌的侵袭、增强抗病性等方面起着重要作用[9]。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贵的原料[15]。

植保素是植物受病原微生物侵染后产生的一系列相对分子量比较低的抗病

原微生物的次生代谢物，其产生速度和积累的量与植物的抗病性有关。Muller Burger最早提出植保索的存在，第一个被分离的植保素是异黄酮豌豆索。植保素多为一些有毒物质如棉酚，其大量的积累能导致病原微生物的死亡或生理功能的紊乱。

木质化作用是植物的一种特殊防御反应，为阻止病原菌的进一步侵染提供了防护层。木质化增强了细胞抗酶溶的作用，同时增强细胞壁抗真菌穿透能力。

信号分子作用--植物受病原微生物侵染后，引起局部防御反应和过敏反应，导致植物侵染部位附近积累抗病物质，既限制或杀伤病原菌，又破坏自身细胞结构，最后变褐生成枯斑。这种局部防御反应还导致信号分子产生，信号分子传输又使植物其他部分引发抗性，如水杨酸等。

3 植物次生代谢物的应用价值

3.1医药价值

目前，世界75%人口依赖从植物中获取的药物，除化学合成之外，人类大量依赖植物次生代谢物作为药物[16]。在我国，也有利用植物治疗疾病的传统，如新疆紫草根中含有多种萘醌类化合物可用于烧伤、冻伤以及因细菌、真菌和病毒引起的各种皮肤病，此外还具有抗肿瘤活性[17]。再如三七、人参中的皂甙、红豆杉中的紫杉醇和萝芙木中的生物碱等等都是疗效极佳的植物次生代谢物。我国植物资源丰富，从植物中寻找高效、低毒和价廉的药物已越来越受到人们的重视。

3.2农用价值

长期的协同进化过程中，植物通过次生代谢途径产生植物次生代谢物质以抵御病虫害的侵入，抑制其他物种的生长，从而在竞争生长过程中处于相对有利的地位[18,19]。利用植物次生性化合物制成的植物源杀虫剂、杀菌剂等可以减少化学农药在环境中的投入，有利于害虫防治的可持续发展[20,21]。

3.3食用价值

在天然植物次生代谢物中，很多具有生物活性，它们的活性功能是合成物质无法替代的，随着人们生活水平的提高，人们便转向从自然界的植物材料直接获取天然绿色物质，应用于食品工业。如从甜菜汁中提取色素用于冰淇淋，留兰香油中提取香精用于口香糖。花青素作为食用色素，香兰素作为食品调味剂，辣椒素用于辛辣食品添加剂