植物代谢调控复习

第一章

植物代谢调控：运用现代生物技术理论和方法研究植物代谢产物,尤其是次级代谢产物的人为调控生产的一门科学,是一门基于生物学和天然产物化学基础的交叉应用学科，旨在对于重要生物资源的再生和利用。

药用植物活性成分代谢调控的目的？①解决濒临灭绝的药用植物资源问题，对这些药用植物可采用人工驯化和规范化种植等方法生产。②特殊生物资源的代谢调控生产技术，为工业化生产提供技术支持，比如采用组织快速繁殖和细胞培养的技术工业化生产紫草素。③寻找不同于传统意义上的天然产物活性成分的生产方式，例如采用生物转化技术对一些植物活性物质结构修饰，得到理想的药用化合物。

第二章

1.一次代谢：维持植物机体生命活动的代谢过程叫一次代谢。糖类、脂肪、蛋白质在植物体内不可以相互转化。糖类，蛋白质和脂肪是初级代谢产物，是植物维持生命活动的基本物质；

2.二次代谢：以某些一次代谢产物为原料，经一系列特殊生物反应生成一些小分子物质的过生物碱、萜类和黄酮等是次级代谢产物，对生物的生存和适应具有重要的作用。

次生代谢物质结构的多样性决定了其生物活性的多样性，被人们作为寻找药物的源泉，例如人参中的人参皂苷，黄花蒿中的青蒿素以及红豆杉中的紫杉醇都被开发成治疗不同疾病的药物。

同位素跟踪/标记技术是早期的生物合成途径探索中采用的标记技术，现在普遍认为生物碱类物质是以氨基酸为合成前体，醋酸-丙二酸途径可以合成脂肪酸、酚类、蒽酮/蒽醌等物质。

1.氨基酸途径：以一些氨基酸为前体，经过一定的生物合成反应生成生物碱的合成途径。不是所有的氨基酸都可以合成含氮类物质。

4.甲戊二羟酸途径：以甲戊二羟酸为前体，经过一定的生物合成反应生成萜类化合物和甾体类化合物的途径。

甲戊二羟酸是合成萜类化合物的前体，15个碳原子的焦磷酸金合欢酯FPP是合成倍半萜的前体，两分子FPP聚合成的30碳的角鲨烯是合成三萜和甾体物质的直接前体。

5. 桂皮酸—莽草酸途径：以莽草酸途径产生的芳香族氨基酸为前体，进一步合成桂皮酸，在经过不同分支途径合成苯丙素类化合物的途径。

莽草酸途径产生的芳香族氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸等除了合成苯丙素类化合物，还可以进一步合成生物碱。

6.醋酸—丙二酸途：以乙酰辅酶A和丙二酸单酰辅酶A为前体经过一定路径合成脂肪酸、酚类、蒽酮、蒽醌类化合物的途径。

复合途径：一些化合物分子中既具有黄酮结构，又具有萜类结构，那么它来源于复合生物合成途径，苯丙氨酸即可以合成生物碱，又可以合成苯丙素类成分，如香豆素、木脂素以及（黄酮等成分。

7. 生物合成前体：处于目的次生代谢产物生物合成途径上游的物质。

了解生物合成的意义有哪些？

了解生物合成的意义在于：

1.可以利用植物亲缘相关性进行化学分类学研究。因为亲缘越相近，越有可能具有相同或相似的合成途径，产生相同的代谢物质，所以可以根据次生代谢产物相似度进行植物分类；相同的道理，也可以从亲缘关系相近的植物资源中寻找共有的活性成分。

2.人为的调控代谢达到提高代谢产物的目的。

如对代谢途径中的关键酶基因研究，调控生物合成的进行，使其朝着目标代谢产物进行，如

仿生合成或者转基因植物。在体外也可以利用前体物质的生物转化达到其生物合成的目的。

3.研制生物农药。

生物的合成途径对于生物的生存非常重要，代谢途径如果受到干扰或阻断，就会直接导致植物的死亡，据此我们在研制除草剂的过程中应该注重药剂对杂草合成途径的抑制和干扰，达到除草的目的，如草甘膦除草的原理在于阻止莽草酸途径的进行。

第三章，次生代谢的生物学作用

论述次生代谢产物对植物生存及生命活动的生物学作用。

次生代谢物质是植物在长期进化过程中对逆境胁迫适应的产物，是基因进化的产物。次生代谢物质是植物通过一定代谢途径将初生代谢产物转化为小分子物质，这些物质对植物细胞生长作用不大，但是对于植物整体具有重要的生物学作用，主要的作用表现在以下几个

①.作为信号物质，调节植物代谢.

一些小分子物质，如酚类物质常常起到信号传递作用，水杨酸在植物叶片受到病原菌侵染时会明显提高，通过信号传递，启动相应的次生代谢途径，导致整个植株抗性增强。

②.参与生理代谢

如叶绿素、类胡萝卜素等参与光合作用；吲哚乙酸、赤霉素，脱落酸等植物激素参与植物生长调节。

③.作为结构物质

如组成细胞壁的重要成分木质素、角质、胼胝质、木栓质等，有一定的物理保护作用和支撑④.提高植物的抗逆性

如甜菜碱、脯氨酸、脱落酸、花色素等可提高植物对寒冷、干旱、高温等不良环境的适应性；类黄酮、黄酮醇、类胡萝卜素、树脂物质等可吸收紫外光，保护植物免受强光，尤其是紫外光的伤害。

⑤.作为毒性物质或化感物质增强植物抵抗病虫害和天敌侵袭的能力，同时对传花授粉有一植保素类物质如植物毒素和抗生素可以提高植物对病原菌的抗性；生氰糖苷以及生物碱对害虫有毒杀，拒食和驱避效果，比如烟草中的尼古丁已经被开发成杀虫剂。化感物质往往可以提高植物与其他植物的生存竞争能力，许多外来入侵植物难以控制就是因为他们可以产生化感成分，抑制其他植物生长，有些花青素类物质表现出鲜艳的颜色，可以吸引昆虫传花授。化学生态学:研究物种之间以及其与环境之间以化学物质为媒介的相互关系和作用规律的的科学。

第三章，次生代谢调控技术

中药材的GAP种植实质是基于环境条件对植物代谢的影响，包括生物和非生物因素，非生物因素包括温度，光照，水分，土壤营养等，生物因素包括病原微生物，害虫等。

1．简述影响植物次生代谢的环境因素。

生物因素：病虫害，其他植物，取食性动物以及其他生物等，很多试验证明当植物受到攻击时，次生代谢物质的含量会快速提高。而内生菌则是寄生在植物体内，和植物的关系是互惠共生，对植物的代谢有一定的影响。

非生物因素：气候因子，包括温度，光照，水分等，土壤因子，包括养分，PH值，重金属等污染物等；大气因子包括二氧化碳，臭氧等的浓度等。非生物因素对植物的影响各不相同，但总的来说逆境条件下，往往有利于次生代谢物质的积累。

4. 最佳防御(optimum defense, OD)假说及其理论基础。

答：OD假说认为,植物只有在其产生的次生代谢产物所获得的防御收益大于其生长所获得的收益时,才产生次生代谢产物。

该假说的理论基础是：植物次生代谢产物的产生是以减少植物生长的机会成本为代价的。环境胁迫条件下,植物生长减慢,此时,产生次生代谢产物的成本较低，次生代谢产物的防御收

益增加。因此,环境胁迫条件下,植物会产生较多的次生代谢产物。

植物内生菌：寄生在正常植物组织内部，但对植物的生长发育不产生危害的微生物。

植物-内生菌内共生理论：内生菌与宿主之间形成协同进化,互利共生的紧密联系，这种特殊的关系使其可产生与寄主植物相同或相似的活性成分。

微生物发酵提高活性成分的种类和产量的调控技术

1.培养基优化

2.温度

3.转速(氧气)

4.pH值

5.培养时间（在线监测）

6.激发子和诱导子

7.前体物（小分子有机物）

植物细胞悬浮培养

细胞的全能性原理是植物组织培养的依据，其中植物细胞的液体发酵培养是当前工业生产上普遍采用的方式，如紫草细胞的培养可以获得药用价值极高的成分紫草素。

药用植物细胞悬浮培养生产活性成分的主要调控因素。

①高产细胞系的筛选：通过人工诱导方法，包括化学诱导和物理诱导以及自然变异等方

②悬浮培养细胞的同步化：保持培养细胞的大小一致，这样才能保证细胞生长一致，在一

定的时候收获可以得到最大量的活性成分。

③培养基成分：培养基组成对次生代谢物质的合成具有重要的影响。植物细胞悬浮培养的

培养基成分包括碳源和氮源，碳源常用葡萄糖和蔗糖，氮源分为硝基态氮和氨基态氮。

④植物生长调节剂：一些植物生长激素对细胞的生长和代谢具有较大的影响。

⑤外界因素：氧气，温度，PH，光照等都是可以调节的影响因素。

前体：前体：处于目的次生代谢产物生物合成途径上游的物质。

发状根：植株以及某一器官、组织或细胞受到发根农杆菌的感染所产生的一种病理现象，是细胞中质粒T-DNA插入寄主细胞核基因得到的表现型。

2．毛状根作为生物材料培养生产活性成分具有哪些特点?

①生长速度快：发根的生长速度比植物正常组织快很多，而且不依赖激素生长。②有效成分含量高：合成能力强，次生代谢物质产量较植物正常组织高。③稳定性好：连续继代培养不退化，植物细胞往往经过多次继代培养后活性成分的产量降低。④杂质少：发根培养物中往往具有较少的初生代谢产物，植物正常组织中次生代谢物质含量往往较低。⑤分支能力强，比正常植物组织的分支能力强，所以繁殖快。

2. 影响药用植物毛状根液体发酵生产活性物质的因素有哪些？

①发根农杆菌株：不同侵染得到的发根不同

②培养基:碳/氮源,微量元素等对生长和代谢影响较大。

③前体和激素，一些激素和前体的加入也可以促进发状根的代谢。

④培养条件如光,温度,氧气,PH等也可显著影响

⑤激发子等也可以促进生物合成的进行。

生物转化

1．什么是生物转化，根据生物材料不同都有哪些生物转化类型

答：生物转化即利用生物细胞在液体培养基中生长分化过程中产生的酶将底物转化的技目前来说主要的转化类型包括：

①微生物转化，主要采用液体发酵技术转化。

②植物细胞悬浮培养转化，采用液体发酵法

③发根培养转化，也是采用液体发酵法

④酶转化等。

天然化合物生物转化的意义

答：转化的意义：将没有活性的化合物转化为有活性的化合物，将低活性的化合物转化为高活性的化合物，把有活性但是又有毒副作用的化合物转化成没有毒副作用的活性物质，把已知结构的成分转化成新化合物。

微生物转化(Microbial transformation) : 利用微生物在液体培养基中发酵过程中产生的酶将底物转化的技术. 微生物转化技术在药物的代谢研究中具有很好参考价值。

2．微生物转化天然产物需要设置哪些对照，怎样通过TLC分析初步判断是否转化？

答：设置三个对照①培养基+溶剂②培养基+微生物+溶剂③培养基+底物+溶剂。TLC分析：底物和3个对照以及处理（培养基+底物+溶剂+微生物）的提取物分别在TLC上展开，以底物显色剂显色，排除3个对照中的杂质显色点，分析是否有转化产物点，转化产物往往和底物具有相同或者相似的显色效果。

微生物转化影响因素：

1、菌种

2、培养基组成和PH(包括加入生长激素和激发子)

3、转化时间和温度（HPLC跟踪检测）

4.底物的添加方法和量

溶于水的底物—一般剂量不超过50mg/L

不溶入水--有机溶剂溶解加入---溶剂的量尽量少同时产物

及时转移

4.酶的诱导剂

组成酶---酶的总活力与菌丝量以及菌丝的生命力有关

诱导酶---经过诱导可显示活性的酶(底物往往是其诱导剂)

5.底物和产物的毒性

植物悬浮细胞转化：

利用植物细胞在液体培养基中生长分化过程中产生的酶将底物转化的技术。

转化的影响因素:

1.转化细胞的影响

对不同或相同底物,选用不同植物的细胞,或者同一植物不同的组织细胞。

2.细胞系的影响

同一器官可能得到不同的细胞株系.例如绿色和白色的烟草细胞株系转化羟基苄醇类化合物得到的糖基化产物的构型不同,说明了其酶系的差异。

3.细胞生长阶段的影响

不同生长阶段酶的种类和催化能力不同

4.底物浓度,结构,性质以及添加方式的影响

5.培养基组成

对糖基化反应影响较大

6.诱导物,抑制剂的影响

植物发根培养转化

利用植物发根在液体培养基中生长过程中产生的酶将底物转化的技术.

转化的影响因素:

发根来源：不同植物被侵染得到发根所含的酶不同

发根农杆菌：不同的农杆菌得到的同一植物发根转化效果不同

培养基

转化条件

底物和产物的性质

酶转化

利用细胞中分离的酶或者商品酶催化底物转化的过程

生物合成途径及其关键酶研究

苯丙烷类化合物的生物合成途径

桂皮酸途径的第一个限速酶是苯丙氨酸解氨酶，是一种诱导酶，其活性受到病虫害、机械损伤等多种因素影响，第二个限速酶C4H 使得肉桂酸的对位羟基化，是第一个被鉴定的植物P450单加氧酶，其表达与植物木质化进程密切相关。

肉桂酸4-羟基化酶(C4H) 是第一个被鉴定的植物P450单加氧酶， C4H 的表达与植物木质化）进程密切相关

萜类物质及其生物合成途径关键酶 大部分植物挥发油属于单萜和倍半萜类，二萜类以上的也称“高萜类化合物”,一般不具挥发性。 SCoA O O SCoA O

乙酰乙酰辅酶A

乙酰辅酶A HMG-CoA HOOC OH H 3C

O

SCoA 萜类化合物生物合成的四大阶段：

（1）中间体异戊烯基焦磷酸(IPP)及其异构体二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)的生成。

（2） IPP 与其异构体DMAPP 在异戊烯转移酶催化下不断缩合生成萜类的直接前体物质。

（3）直接前体在萜烯合酶作用下进一步生成萜烯。

（4）在修饰酶作用下，萜烯进一步合成各种萜类和甾体。

植物体中萜类次生代谢产物种类多种多样，这种多样性的产生一方面是由于TPS 种类的多样性，另一方面因为有大量的修饰酶类的存在。

在三萜(C30)系列发生环化之前，两分子的FPP(C15)首先通过“头对头”的方式缩合连接成

鲨烯，该反应由鲨烯合酶催化。

含氮化合物合成途径关键酶

烟碱和茛菪碱等合成前体为鸟氨酸或精氨酸。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烟碱、莨菪碱生物合成的关键酶。

植物次生代谢的基因工程

关键酶基因工程

[1]转基因技术

[3]增加代谢途径中限速酶编码基因的拷贝数。

[4]在不影响细胞基本生理状态的前提下,阻断或抑制与目的途径相竞争的代谢流;

[5]利用已有的途径构建新的代谢旁路,合成新的化合物等。

了解生物合成的意义有哪些，并以上图为例说明植物次生代谢途径关键酶基因工程在活性物质的定向调控中的应用。

1.可以利用植物亲缘相关性进行化学分类学研究。因为亲缘越相近，越有可能具有相同或相似的合成途径，产生相同的代谢物质，所以可以根据次生代谢产物相似度进行植物分类；相同的道理，也可以从亲缘关系相近的植物资源中寻找共有的活性成分。

2.人为的调控代谢达到提高代谢产物的目的。

如对代谢途径中的关键酶基因研究，调控生物合成的进行，使其朝着目标代谢产物进行，如仿生合成或者转基因植物。在体外也可以利用前体物质的生物转化达到其生物合成的目的。

3.研制生物农药。

生物的合成途径对于生物的生存非常重要，代谢途径如果受到干扰或阻断，就会直接导致植物的死亡，据此我们在研制除草剂的过程中应该注重药剂对杂草合成途径的抑制和干扰，达到除草的目的，如草甘膦除草的原理在于阻止莽草酸途径的进行。

对于植物次生代谢关键酶基因工程在活性物质定向调控方面的应用近年来成为热点，主要是通过分子手段和基因工程技术对代谢途径进行调控，定向的促进或者阻止某些代谢流的进行。

以下图（A）为例，前体物质经过代谢可以合成产物1和2，如果产物2为我们所需的活性成分，我们可以通过抑制产物1合成途径中的关键酶表达，减少产物1的合成，增加产物2的代谢流。下图（B）,可以在产物2的代谢途径中引入外源基因，构建新的代谢旁路，合成新的代谢产物3，下图（C）,也可以在代谢产物3后通过引入外源基因，让代谢产物3继续转化，合成新的代谢产物4。例如，人们对油菜的代谢途径进行改造，将编码长春花的色氨酸脱羧酶的基因转入油菜中，色氨酸合成方向由吲哚芥子油苷转向色胺。这种转基因油菜植物的成熟种子中基本不含吲哚芥子油苷，并且也不积累色胺，这样使它更适合作动物饲料。

2. 第一届植物次生代谢国际会议的主题是“人类健康和植物次生代谢产物”。第二届植物代谢国际会议以“植物代谢与现代农业”为主题，运用所学知识论述植物次生代谢基因工程技术在提高农作物抗性和改善农产品品质方面的应用。

答：次生代谢物质是植物通过一定代谢途径将初生代谢产物转化为小分子物质，这些物质对植物细胞生长作用不大，但是对于植物整体具有重要的生物学作用，主要的作用表现在以下几个方面：

①.作为信号物质，调节植物代谢.

一些小分子物质，如酚类物质常常起到信号传递作用，水杨酸在植物叶片受到病原菌侵染时会明显提高，通过信号传递，启动相应的次生代谢途径，导致整个植株抗性增强。

②.参与生理代谢

如叶绿素、类胡萝卜素等参与光合作用；吲哚乙酸、赤霉素，脱落酸等植物激素参与植物生长调节。

③.作为结构物质

如组成细胞壁的重要成分木质素、角质、胼胝质、木栓质等，有一定的物理保护作用和支撑作用。

④.提高植物的抗逆性

如甜菜碱、脯氨酸、脱落酸、花色素等可提高植物对寒冷、干旱、高温等不良环境的适应性；类黄酮、黄酮醇、类胡萝卜素、树脂物质等可吸收紫外光，保护植物免受强光，尤其是紫外光的伤害。

⑤.作为毒性物质或化感物质增强植物抵抗病虫害和天敌侵袭的能力，同时对传花授粉有一定作用

植保素类物质如植物毒素和抗生素可以提高植物对病原菌的抗性；生氰糖苷以及生物碱对害虫有毒杀，拒食和驱避效果，比如烟草中的尼古丁已经被开发成杀虫剂。化感物质往往可以提高植物与其他植物的生存竞争能力，许多外来入侵植物难以控制就是因为他们可以产生化感成分，抑制其他植物生长，有些花青素类物质表现出鲜艳的颜色，可以吸引昆虫传花授粉，增强其繁殖能力。

传统的农作物育种是以提高粮食、蔬菜以及水果的产量为主要目的，也就是以提高初级代谢产物的产量为目的，为了追求高产，人们往往提供优良的生长条件，水肥充足，同时喷施大量的杀虫剂、除草剂以及杀菌剂来保证作物的正常生长。传统的耕种方法和育种方法造成了农作物抗性基因的丧失，只能依赖大量农药和化肥，最终也导致了食品污染，化感基因

的丧失也造成了农产品中许多保健成分缺乏，因为代谢产物”决定了粮食、蔬菜、水果的营养、色泽、口感、抗病性等不同品质许多农产品中的黄酮类成分、花青素、甾体类以及维生素成分对人体健康非常重要，这些成分缺乏也导致农产品质量降低。

将野生种或者直系祖先中的化感特征基因转移到现代的作物商品种中，既保留了商业品种的高产性,又提高了其抗逆性和品质．目前筛选小麦,大豆，燕麦，荞麦，大麦，玉米，水稻和其他水果,花卉的化感资源，通过杂交和转基因的方法开发新一代的抗性品种和保健品种，特色品种正在欧美国家紧张的进行。

相关生物技术的发展在天然活性成分代谢调控和生产中的应用前景，并举例说明。

答：传统的天然产物活性物质的获得主要是直接来自于自然界的资源，但是从自然界获得有用物质存在许多问题，比如受到资源的限制，许多药用植物因为人类的过度利用和环境的破坏濒临灭绝，还有天然成分在自然界含量很低，给这些活性物质的利用造成困难。但是生物技术的发展是我们发现了解决问题的方法，现在，生物技术在天然活性成分研究中的作用越来越大，并且已经取得了非常显著的成就，比如：

微生物发酵技术生产有用物质具有很多优点，不受资源环境限制，可以无限扩大培养，而且不受季节限制，容易通过菌种改造，发酵工艺优化提高活性成分的产量，容易工业生产生产，抗生素工业的蓬勃发展就说明了他的重要性，比如青霉素，链霉素等大多抗生素的生产都是采用液体发酵法。

植物组织培养技术通过对植物组织，尤其是细胞的快速和大规模繁殖来生产有用的活性成分，细胞悬浮培养是最有希望解决稀有资源问题的手段，目前许多药用植物，比如紫草和人参的细胞悬浮培养生产紫草素和皂苷规模已经达到5000升以上水平，但是因为细胞悬浮培养依然收到产物水平限制，加上培养条件，尤其是对反应器要求较高，所以目前在工业上的应用还不是很广泛。

生物转化技术目前是最为科学工作者看好的技术，通过生物产生的酶对天然化合物进行结构修饰，得到活性更好，毒副作用更低的化合物用于新药开发。包括微生物转化法，发根培养转化法，植物细胞悬浮培养转化法以及用从植物中分离得到生物酶或者商品酶进行定向的转化和修饰，如甾体工业上的许多催化反应都是在微生物作用下完成，表现出良好的应用前景。

生物合成途径中关键酶的研究也是国际上最为热门的研究领域之一，通过对关键酶基因的研究，通过基因工程技术使其在植物体内或者在其它生物体内过量表达，生产活性成分，最终提高目标代谢产物的含量，目前紫杉醇和青蒿素等重要天然成分的生物合成途径已经研究的比较清楚，途经中各种关键酶的研究已经取得可喜的进展。

总之，生物技术在这个领域的应用具有无穷的潜力，他的重要性才刚刚被人们认识。