中药研究进展药用植物次生代谢产物生产途径的研究概述 王丹,王振月3,王宗权,陈金铭(黑龙江中医药大学,黑龙江哈尔滨150040)摘 要:对药用植物次生代谢产物的生产途径研究进行了综述,分别阐述了直接从植物中选取次生代谢产物、化学合成模拟、利用微生物发酵、利用植物组织和细胞培养以及利用基因工程生产次生代谢产物等五个方面。通过对各方法优缺点比较,有利于其在实践的应用。关键词:植物次生代谢产物;生产途径;微生物发酵;植物组织和细胞培养;基因工程中图分类号:R28216 文献标识码:A 文章编号:1002-2406(2008)01-0029-04
基金项目:国家自然科学基金资助项目(3027156)作者简介:王丹(1982-),女,现为黑龙江中医药大学硕士研究生,主要从事生化教学研究。通讯作者:3王振月(1956-),男,现为黑龙江中医药大学教授,硕士生导师,主要从事中药资源开发与生物技术研究。收稿日期6修回日期 植物次生代谢的概念是在1891年由Kossei首先明确提出的,是指有些生物体利用某些初生代谢产物为“原料”,在一系列酶的催化下,形成一些特殊的化学物质的过程,这些特殊的化学物质即为次生代谢产物(secondarymetabolites),如生物碱、黄酮类、萜类、有机酸、木质素等,它们是植物中一大类并非生长所必需的小分子有机化合物[1],但对于植物自身在复杂环境中的生存和发展却起着不可替代的作用[2,3]。植物次生代谢产物具有一定的生理活性及药理作用,如生物碱具有抗炎、抗菌、扩张血管、强心、平喘、抗癌等作用[4];黄酮类化合物具有抗氧化、抗癌、抗艾滋病、抗菌、抗过敏、抗炎等多种生理活性及药理作用,且无毒副作用,对人类的肿瘤、衰老、心血管疾病的防治具有重要意义[5]。几个世纪以来,人类一直从植物中获得大量的次生代谢产物用于医药卫生。目前,世界75%的人口依赖从植物中获取药物,除化学合成之外,人类大量依赖植物次生代谢产物作为药物[6]。鉴于人们对次生代谢产物的需求,本文介绍了药用植物次生代谢产物的五种生产途径。1 直接从植物中提取次生代谢产物利用传统的提取分离方法结合现代的先进仪器,B12可以直接从植物中提取次生代谢产物。但是,次生代谢产物在植物中含量一般较低,并且由于长期的盲目采挖,已造成了植物野生资源的严重破坏,可利用的资源数量日趋减少,一些濒危动植物的使用又受到国际自然保护组织的关注,有许多原料性药用植物资源目前已面临资源枯竭的威胁,因此,人工栽培就成为中药材生产的主要方式[7]。近年来,我国又实施了中药材生产质量管理规范(GAP),用来规范中药材生产的整个过程,确保中药材的质量。但是,人工栽培中药材还是存在着一些问题,如大量占用耕地,引种困难,生长周期长,栽培过程中各种影响因素不易控制,有效成分含量低,品种品质不稳定,大量使用人力、物力及财力等[8]。2 化学合成模拟在完全了解次生代谢产物在植物体外的反应步骤后,利用化学工业,完全合成或半化学合成次生代谢产物,如用薯蓣(Dioscotea)中的薯蓣皂苷配基为原料,可以生产出可的松,女性口服避孕药炔雌醇甲醚(mestra2no1)和炔诺酮(norethin-drone)。这些药物的半合成仍占很重要的地位,原因是其结构复杂,合成路线长,成本高,所以用从植物中提取的甾体皂甙元提供其基本骨架。广谱抗菌素氯霉素,药用四环素类,维生素B12,维生素D3,水杨醛葡萄糖苷(helicon)的同源物乙酰水杨酸如阿司匹林,合成的吗啡类止痛合剂美散痛,那罗松(naloxone),用于合成去污剂桂酸硫酸钠等,均由化学工业模拟合成或半合成[9]。但是采用化学合成的方法,会遇到收率低、成本高、毒性大[10]、工艺流程复杂、产生同分异构体及环境污染等问题[11]。3 微生物(细菌或真菌)发酵微生物具有惊人的繁殖速度和非常旺盛的生命力,可以在几十分钟内完成一个繁殖周期,且分布广。922008年第25卷第1期Vol125,No11,2008 中 医 药 信 息InformationonTraditionalChineseMedicine
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。
２００８年第１期 （总第６２期） 牡丹江师范学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｕｄａｎｊｉａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｎｏ．１。２００８ ＴｌｏｔａｌＮｏ ６２
植物细胞培养技术生产次生代谢产物的研究进展
高 亚，于丽杰 （哈尔滨师范大学生命与环境科学学院，黑龙江哈尔滨１５００２５） 摘要：对利用植物细胞培养技术生产次生代谢产物的务件控制、生产方法进行了综述，并对该技术的发 展趋势进行了展望． 关键词：植物细胞培养；次生代谢产物；技术 ［中图分类法＂］Ｑ９４９．０３ ［文献标识码］Ａ ［文章编号，］１００３－－６１８０（２００８）Ｏ１—００２５一Ｏ３ 植物细胞培养技术经过近百年的发展，已经 成为一门精细的实验科学，在选材消毒、接种培 养、诱变筛选、继代保存、分离鉴定以及深层培养 发酵生产次生代谢产物方面，已建立了标准的操 作流程． １ 生产次生代谢产物的条件调控 １．１高表达细胞系的选择 筛选高产而稳定的细胞系，可以大大增加次 生代谢产物的产量和质量．目前，使用转基因技术 中的稳定表达系统和瞬时表达系统［１］，生产出带 有目的基因的高产细胞系，然后进行大量筛选，可 获得能生产特定次生代谢产物的目的细胞系． 转基因技术生产细胞系目的投资小，成本低， 使用安全，植物细胞的培养条件简单，易于成活， 便于进行遗传操作．经转化后的目的细胞系易于 储藏，方便生产．杨振泉等通过选择和改造启动 子、改造和优化目的基因、进行合适的亚细胞定 位，增加了目的细胞系获得的概率瞳］． 转基因技术获得目的细胞系的主要方法有： 土壤农杆菌介导转化法、重组病毒感染植株、基因 枪转化法和花粉管通道转化法Ｌ３］．细胞工程技术 与分子生物学技术结合后，人工可设计出目的基 因，使其控制细胞系的某些特定的生理性状，再进 行筛选，这将引起细胞培养技术的新突破． １．２合适的环境条件 光照对次生代谢产物的合成有重要影响．不 同植物细胞生产次生代谢产物时，对光质和光量 的要求是不同的，如玫瑰茄悬浮细胞合成花青素 时，蓝光是促进玫瑰茄细胞产生花青素的最有效 单色光，产量为４１６ ｍｇ／Ｌ，和全色光差不多，红光 和橙光无效，其他单色光随其波长接近蓝光，正效 应增强Ｌ｛］． 植物细胞培养的最适宜ｐＨ值在５～６之间， 收稿日期：２００７－１０—３１ 但也存在差异． 不同种类的植物细胞培养对温度的要求是不 同的，最适的温度为２５℃左右，超过３Ｏ℃，对生 长有明显的抑制作用．较低的温度有利于生物碱 的合成，而高温则会导致次生代谢产物的合成基 本停止嘲． 接种量影响次生代谢产物的有效积累，接种 时必须满足一定的接种量． 在植物细胞生物反应器及其放大的生产类型 中，还要考虑通气状况对次生代谢产物生产的影 响．国外学者研究发现：利用生物反应器培养长春 花细胞生产阿玛碱时，溶解氧在２９ ～４３ 时， 溶解氧与阿玛碱的产量显著相关． 激素通常作为诱导和调节愈伤组织生长的重 要因素而用于次生代谢产物的生产，当然也有特 殊不需激素的情况，如Ｒｉ质粒诱导的毛状根在无 激素培养基上培养，可迅速增殖． １．３合适培养基的选用 改良的Ｂ 培养基利于愈伤组织的诱导和以 后的培养．培养基中糖浓度直接影响某些细胞的 干重和次生代谢产物的产量，不同植物细胞对培 养基成分的需求也各不相同． ２ 生产次生代谢产物的方法 ２．１前体物饲喂及生物转化 前体化合物的供应不足影响次生代谢产物在 植物体内的合成代谢．植物体内可发生皂化、酯 化、去甲基化及双键还原等反应，如在雷公藤细胞 培养物中添加法尼醇（１Ｏ０，ｕｇ／ｍＬ），可使雷公藤羟 内酯产量增加３倍以上，在紫草细胞培养物中添 加Ｌ一苯丙氨酸，可使紫草素产量增加３倍． 添加的前体物种类、浓度和时间对次生代谢 产物的影响在很多细胞培养中也得到体现．如在 山莨菪和曼陀罗培养物中，莨菪烷生物碱的产量
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。
