植物次生代谢工程试题

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] 。

代谢工程的一个新策略是以信号途径和转录因子为调控靶标。AP2- 域转录因子ORCA3 的高表达导致长春花细胞积累更多的萜类吲哚生物碱[15] 。玉米C1 和R 以及它们的同源基因被广泛应用于提高黄酮类成分生物合成的基因工程。通过RNA 干扰技术在番茄果实中特异性地抑制光信号因子基因DET1 的表达, 明显提高了果实中胡罗卜素和黄酮类成分的含量[24] 。

3 展望

丰富的植物种类, 浩瀚的天然产物宝库, 是人类的珍贵资源。一方面, 高通量筛选当然是多多益善; 另一方面, 次生代谢研究与代谢工程不可能面面俱到, 只能本着/ 有所为、有所不为0 的原则, 把有限的资源集中在一些重要天然产物的代谢途径和调控上。尤其是需要量大、资源紧缺的药用和香料成分, 以及主要农作物中与抗性、品质相关的次生代谢途径, 应当重点研究。我国在植物化学成分的分离和结构测定方面具有很高的水平, 但是在次生代谢和天然产物化学领域存在学科之间、产学研之间脱节的问题。这不仅不利于自主知识产权的产生、保护与产品开发, 也不利于基础研究的开展。代谢组学的发展, 将大大推动植物次生代谢的研究, 已经并将继续孕育新的分析方法、平台与思路。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学也是一个密切关联的整体, 共同成为系统生物学必不可少的成分[ 13] 。从系统生物学的角度来指导代谢工程设计无疑更具有可预见性。进行代谢组学和代谢工程研究需要从不同侧面对代谢过程及其调控加以整合分析, 无论是知识背景、工作量, 还是基因组学、代谢组学、生物信息学等的平台建设, 都不是哪一个实验室能够独立承担的, 需要几个大实验室或研究所、大学甚至企业间的合作, 需要不同背景科学家的共同努力。致谢: 感谢卢山、王凌健、毛颖波在本文撰写过程中所给予的帮助。