植物次生代谢产物生产
植物次生代谢产物简介
植物次生代谢产物简介董妍玲 潘学武(华中科技大学生命科学与技术学院生物技术研究所武汉430074) 摘要 阐述了植物次生代谢产物的基本概念、主要功能、主要类型和生成次生代谢产物的主要途径,最后简单介绍了植物细胞大规模培养法生产有用次生代谢产物的现状。
关键词 初生代谢 次生代谢 次生物质 细胞培养1 植物次生代谢产物的概念绿色植物及藻类因为有叶绿素,可以通过光合作用将二氧化碳和水转化成糖类,并放出氧气,生成的糖则进一步通过不同途径(如磷酸戊糖途径,糖降解途径,三羧酸循环),产生核酸合成的原料如核糖等,脂类合成的原料如丙二酸单酰辅酶A(m almyl CoA)等,并通过固氮反应得到一系列的氨基酸(为合成肽和蛋白质的重要原料)。
上述过程因为对维持植物生命活动过程来说是不可缺少的,且几乎存在于所有的绿色植物中,故习惯上称为初生代谢(primary metabolism)。
糖、蛋白质、脂类和核酸等这些对植物有机体生命活动来说是不可缺少的物质,称为初生代谢产物(primary metabo lites)。
植物,尤其是高等植物,除了含有上述初生代谢产物外,还含有丰富的小分子有机化合物,这些化合物有自己独特的代谢途径,通常是由初生代谢派生而来。
1891年,K ossel明确提出了植物次生代谢(secondary metabo lism)的概念。
与初生代谢产物相比,植物次生代谢产物(secondar y metabolit es)是指植物体中一大类并非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。
少数小分子有机物在代谢途径上与次生产物比较相似,但具有明显的生理功能,因而不把它们视为次生代谢产物,如萜类成分赤霉素、脱落酸、均为植物激素,另如胡萝卜素为光合作用所必需。
随着研究的深入,植物次生代谢的概念有待进一步发展。
2 植物次生代谢产物的主要功能2.1 次生代谢产物的生态意义 次生代谢是植物在长期进化过程中对生态环境适应的结果,许多植物在受到病原微生物浸染后,产生并积累次生代谢产物,用以增强自身的抵抗力,这样的小分子物质称为植保素(phy toalex in)。
植物次生代谢产物的生产技术及工艺进展
植物次生代谢产物的生产技术及工艺进展植物次生代谢产物是植物生命活动中的重要组成部分，在生态系统中发挥着重要的作用。
它们除了在自己的生长中起到重要的作用外，还有很多药用价值。
其中有一些物质已经被广泛地用于医药、香料、染料、高级材料等领域。
然而，由于各种因素的制约，植物次生代谢产物的生产一直是相对困难的。
接下来，我会就植物次生代谢产物的生产技术及工艺进展这一话题进行探讨。
一、植物次生代谢产物的生产技术大体分类生产一直是植物次生代谢产物生产的难点。
在过去，传统的化学合成方法被认为是主要的生产途径。
然而，这种方法的成本较高，且仅适用于某些化学物质的生产。
现在，人们发现通过细胞培养建立起的次生代谢产物生产系统是一种新的方法。
这种方法借助植物本身的代谢机制，可以建立高效、连续、大规模的生产系统，从而大大提高了生产效率。
接下来，我们将对这两种方法进行简单的介绍。
1.1 传统的化学合成方法传统的化学合成方法是指通过人工合成的方式，在实验室中根据物质结构和反应机理对物质进行合成。
和传统的制药行业一样，这种方法也存在许多缺陷。
首先，植物次生代谢产物的化学结构较为复杂，需要很多繁琐的反应步骤，耗时耗力，且合成的产物纯度较低。
其次，这种方法长期以来忽视了环境和生态等方面问题，不利于现代可持续发展的趋势。
1.2 细胞培养方法细胞培养技术是指在体外培养细胞，利用细胞本身的基因信息和代谢途径来合成目标产品。
细胞培养技术具有高效、连续、规模化生产、高纯度、低成本等优点。
尤其在植物次生代谢产物生产领域已经得到广泛应用，成为一种主要的生产方式。
现有的细胞培养方式大致分为固定化细胞培养、悬浮细胞培养、和器官培养三类。
二、植物次生代谢产物的生产工艺进展近年来，随着生物技术的不断发展，植物次生代谢产物的生产效率有了很大的提高。
这里，我们将分别从遗传工程、代谢工程、转化工程、预处理工程和精制工程等方面来介绍植物次生代谢产物生产的几项技术进展。
植物次生代谢物的生物合成途径分析
植物次生代谢物的生物合成途径分析植物次生代谢物是指植物内部不参与生长、发育和繁殖的产物。
它们通常具有重要的药理活性，因此常用于制药和化妆品等领域。
而这些次生代谢物的生物合成途径，则是近年来植物化学研究的一个热门话题。
植物次生代谢物的生物合成途径受多种因素影响。
例如，植物所处的环境、生长的地域、生长时期等都会影响植物次生代谢物的种类和含量。
此外，植物的基因组组成也会影响植物次生代谢物的生物合成途径。
因为每种植物的基因组都有所不同，所以即使同种植物，它们所生产的次生代谢物也会有差异。
从生物合成途径分类，可以将植物次生代谢物分为两种类型：酚酸类物质和多元酮类物质。
酚酸类物质的生物合成途径，通常是通过糖代谢途径和三羧酸循环进行的。
这种生物合成途径又分为“香草酸途径”和“苯丙氨酸途径”两种。
其中，“香草酸途径”被广泛应用于香料和调味剂的生产，如香草、肉桂、丁香、茴香和草果等。
而“苯丙氨酸途径”则用于生产各种多酚类物质，例如花青素、类黄酮和异黄酮等。
多元酮类物质的生物合成途径则是通过甾体生物合成途径进行的。
这种生物合成途径是植物次生代谢物生物合成途径中比较重要的一种，它包括多个反应步骤和中间体，通常需要多个酶协同作用。
这种生物合成途径被广泛应用于生物制剂中，例如激素、生长素和皂苷等化合物。
从定量角度来看，植物次生代谢物的生成量，往往受到环境因素的影响。
例如，在某些水稻品种中，不同品种的次生代谢物含量存在巨大的差异。
目前，研究者已在已有的基础上，对植物次生代谢物完整的生成途径进行了模拟。
这种方法不仅可以预测植物次生代谢物的生成量，还可以为相关品种的优化育种提供理论支持。
总之，植物次生代谢物的生成途径是一个充满挑战和发展机会的领域。
通过对生物合成途径的研究，可以进一步探索植物的生长规律，提高植物次生代谢物的生成效率，为药物和化妆品等领域的发展提供更多的可能性。
次生代谢产物
1～2
植物细胞培养
3周
14
Examples of enhancement in natural product yield in selected cell lines compare with parent plant material. (After Fowler, 1983)
Chemical product plant Cell yield (% DW) Whole Ratio cell plant yield / yield (% DW) whole plant 0.1 2.1 2.2 3.0 0.3 0.5 2.0 10 2 8 9 7 3 2
外植体的选择
不同外植体的愈伤组织诱导能力和诱导 的愈伤组织合成次级代谢产物能力均不 同 ,所以 ,在利用植物细胞悬浮培养生 产次生代谢产物时 ,选择能诱导出疏松 易碎 ,生长快速且具有较高次生代谢产 物合成能力的愈伤组织的外植体是非常 重要的。 如在茜草愈伤组织培养过程中 ,来源于 叶柄和茎的愈伤组织蒽醌累积量比来源 于茎尖和叶的愈伤组织高。
然而
随着人们对植物资源尤其是药用植物的利 用度日益增加，使不少植物资源处于濒危 状态。面对着植物有限的蕴藏量，如何进 行合理有效地开发利用是我们亟待解决的 问题。 自从20世纪50年代提出用植物细胞大量培 养作为工业化生产植物次生代谢产物的一 条途径以来，实践表明，采用植物细胞培 养技术生产次生代谢产物是解决资源问题 的较为有效的途径。
Glutathione Nicotine Anthraquinones Rosmarinic acid Ajmalicine SErpentine Diosgenin
N. tabacum N. tabacum M.citrifolia C. blumei C.roseus C. roseus D.deltoidea
【生物技术】第五讲(3)植物代谢产物的生产
2 植物细胞规模化培养体系的建立 2.1 种子细胞的选择
(1)准确选择能产生目的化合物的植物种类; )准确选择能产生目的化合物的植物种类; (2)尽量选择自然状态下产生天然产物的组织器官 ) 为外植体; 为外植体; (3)高产种子细胞克隆的方法:单细胞培养后, (3)高产种子细胞克隆的方法:单细胞培养后,将 高产种子细胞克隆的方法 单细胞扩增形成的愈伤组织分2份 单细胞扩增形成的愈伤组织分 份,1份成分含 份成分含 量分析, 份保留培养. 量分析,另1份保留培养. 份保留培养
长春花碱 治疗白血病 奎宁 致热素 毛地黄 治疗疟疾 杀虫剂 心脏病药
植物细胞大规模培养的技术要求: 植物细胞大规模培养的技术要求:
从工程的角度讲必须要进一步研究和开 发适宜于植物细胞生长和次生代谢产物生产 的生物反应器,建立最佳的控制和调节系统. 的生物反应器,建立最佳的控制和调节系统.
从细胞生长与培养技术方面讲必须满
4 利用细胞培养生产有用物质
4.1 利用细胞培养生产有用物质的一般程序 4.1 (1)选材 应注意以下条件: 应注意以下条件: 药效肯定; ①药效肯定; 对其有效成分有充分的了解; ②对其有效成分有充分的了解; 有测定有效成分和药理的可靠方法; ③有测定有效成分和药理的可靠方法; 市场短缺或价格昂贵; ④市场短缺或价格昂贵; 取有药效成分的部位, ⑤取有药效成分的部位,且该部位较 易形成愈伤组织. 易形成愈伤组织.
筛选出的高效, 高产细胞株系, 筛选出的高效 , 高产细胞株系 , 有 的植物细胞系其高效, 的植物细胞系其高效 , 高产性能稳定 多年, 但有的植物细胞系不稳定, 多年 , 但有的植物细胞系不稳定 , 因 此 , 还需要定期检测 , 更新细胞株系 . 还需要定期检测, 更新细胞株系.
植物次生代谢产物合成途径的分子机制
植物次生代谢产物合成途径的分子机制植物次生代谢产物是植物体内不参与生长和发育、光合作用、呼吸和物质转运的化合物，它们大多数是含氮、含氧、含硫或含酸的可挥发或不挥发有机化合物。
植物次生代谢产物具有多种生物活性，如抗氧化、抗菌、消炎、抗癌、防蚊、吸引昆虫、保护植物等活性，是抗病害性能、香味、色彩和药用价值的来源。
植物次生代谢产物的合成受到多个因素的调控，包括生物、生理、环境和遗传等因素。
其中最关键的是激素和基因调控。
激素调控通过激素信号途径和转录因子的参与来促进或抑制次生代谢产物的合成。
基因调控通过调节转录因子和调节元件的参与来调节次生代谢产物合成的基因表达水平。
植物次生代谢产物合成途径的分子机制主要有以下几种：1. 植物酚氧化酶通路植物酚氧化酶(PO)是参与植物嫁接、切口愈合和木材硬化等过程的关键酶。
PO 催化多酚类物质的氧化反应，使其发生氧化聚合，并形成大分子化合物。
PO参与多酚类物质的聚合反应，生成花青素和类黄酮等次生代谢产物。
PO通路的产物包括儿茶酚、花青素、黄酮类、暗紫色素和信号分子等。
2. 多酚类代谢途径多酚类化合物是一类重要的次生代谢产物，包括花青素、儿茶素和类黄酮等。
多酚类代谢途径包括酚酸途径和乙酰化途径两个部分。
酚酸途径的主要产物是花青素和类黄酮，乙酰化途径的主要产物是儿茶素。
多酚类代谢途径的合成依赖于多酚类祖先物质、PO酶和乙酰化酶等酶的参与。
3. 萜类化合物代谢途径萜类化合物是一类广泛存在于植物中的次生代谢产物，包括萜烯类、三萜类和四萜类等。
萜类化合物代谢途径包括异戊烷酸途径和甲基异戊烷酸途径两个部分。
异戊烷酸途径的主要产物是萜烯类和三萜类，甲基异戊烷酸途径的主要产物是四萜类。
萜类化合物的合成依赖于异戊烷酸脱氢酶、三萜醇合酶和四萜合酶等酶的参与。
4. 黑曲霉素途径黑曲霉素途径是一条参与生产丰富的次生代谢产物的途径。
黑曲霉素被广泛应用于医学、农业和食品等领域。
在该途径中，黑曲霉素由腺苷酸往复转移酶(AdoHcy转移酶)和甲基转移酶等酶参与，在新开发产物方面得到了广泛应用。
植物次生代谢通路
植物次生代谢通路植物次生代谢是指植物在生长发育过程中，除了进行基本的生物合成以外，还合成一些与生长发育无直接关系的化合物。
这些化合物通常具有特定的生物活性，能够帮助植物适应环境的变化、抵御外界的伤害以及吸引传粉者等。
植物次生代谢通路是指植物合成这些次生代谢产物的一系列化学反应步骤。
植物次生代谢通路可以分为三大类：异烟酸途径、黄酮途径和生物碱途径。
1. 异烟酸途径异烟酸途径是植物合成维生素B3（烟酸和烟酰胺）的重要途径。
这个途径的起始物质是鸟嘌呤核苷酸（NAD+和NADP+），经过一系列的反应，最终合成烟酸和烟酰胺。
异烟酸在植物中具有抗氧化、抗逆境和抗病等多种生物活性，对植物的生长发育和适应环境起着重要作用。
2. 黄酮途径黄酮途径是植物合成黄酮类化合物的途径。
黄酮类化合物是一类具有广泛生物活性的次生代谢产物，包括黄酮、异黄酮、黄酮醇等。
在植物中，黄酮类化合物参与植物的防御机制、抗氧化反应以及花色的形成等。
黄酮途径的起始物质是苯丙氨酸，经过一系列酶催化反应，最终合成黄酮类化合物。
3. 生物碱途径生物碱途径是植物合成生物碱类化合物的途径。
生物碱是一类具有广泛生物活性的次生代谢产物，包括吗啡、生物碱生物碱、生物碱生物碱等。
在植物中，生物碱起到防御捕食者、抗逆境和抗病等多种生物活性。
生物碱途径的起始物质是酪氨酸，经过一系列酶催化反应，最终合成生物碱类化合物。
总结起来，植物次生代谢通路是植物合成一些与生长发育无直接关系的化合物的途径。
这些化合物具有特定的生物活性，能够帮助植物适应环境的变化、抵御外界的伤害以及吸引传粉者等。
植物次生代谢通路可以分为异烟酸途径、黄酮途径和生物碱途径，每个途径都有特定的起始物质和一系列酶催化反应。
研究植物次生代谢通路有助于我们深入了解植物的生长发育和适应机制，为植物的应用研究提供理论指导和技术支持。
植物次生代谢产物的分离与纯化
植物次生代谢产物的分离与纯化植物次生代谢产物是植物自身为了适应环境、保护自身和与其他生物进行互动而产生的化学物质。
其中有些具有生物活性，如药用成分、抗氧化剂和天然色素等。
因此，研究植物次生代谢产物的分离与纯化具有重要的意义。
植物次生代谢产物的分离植物材料中含有不同种类的次生代谢产物，因此需要使用特定的实验方法将其分离出来。
分离方法通常包括提取、分配、分离和纯化过程。
提取过程是将植物中的次生代谢产物从材料中转移到溶剂中的过程。
常见的提取剂有乙醇、丙酮、乙酸乙酯、苯和氯仿等。
对于粗提取物，需要通过浓缩和洗涤等处理来减少杂质的干扰。
分配过程是将粗提取物可溶的组分分配到不同的相中，以实现对组分的选择性分离。
通常使用的分配剂有正庚烷、正丁醇、丙酮和乙醇等。
常用的方法有萃取、分液、萃取柱和薄层色谱等。
分离过程是指将混合物中的目标组分在一定条件下从其他组分中分离出来。
分离方法主要包括柱层析、逆向高效液相色谱、气相色谱、超高压液相色谱和电泳等。
其中，柱层析是植物次生代谢产物分离中最常用的方法之一，根据不同的分离原理和特点，可以分为Gel层析、分配层析和大小排阻等。
逆向高效液相色谱是一种在高压下进行的液相色谱技术，具有分离效率高、分离范围广等特点。
气相色谱和超高压液相色谱能够快速分离高纯度的次生代谢产物，并可以进行结构分析。
纯化过程是指将收集的目标组分进行纯化，以得到高纯度的次生代谢产物。
纯化方法主要包括重结晶法、溶剂萃取法和石油醚再结晶法等。
纯化过程对于分子量较小的次生代谢产物比较易于实现，对于较大分子量的次生代谢产物则需要经过多个分离和纯化过程，成本较高。
植物次生代谢产物的纯化植物次生代谢产物的纯化过程是一项非常繁琐的工作，但其应用价值很高。
纯化过程是在经过分离后，通过物理或化学的方法，将目标组分从混合物中得到，以达到高纯度和高质量的目的。
植物次生代谢产物的纯化过程中，可以借助各种色谱技术。
其中，分子筛层析、紫外吸收和荧光检测等技术可用于检测和确定目标化合物的位置和分离性。
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4.2 添加诱导子
诱导子，是指能够诱导植物细胞中一个反应，并形成细
胞特征性自身防御反应的分子。 目前使用的激发子可分为两类：
➢非生物诱导子（abiotic elicitor） 辐射、金属离子等。 ➢生物诱导子（biotic elicitor） 生物激发子根据其来源 不同又可分为外源性诱导子（exogenous elicitor）和 内源性诱导子（endogenous elicitor）。外源性激发 子多来源于微生物，包括经处理的有机体如菌丝，或微 生物机体浸提物以及由微生物产生的多糖类、蛋白质类 以及脂肪酸类等。内源激发子是来源于植物结构的化合 物。如降解细胞壁的酶类、细胞壁碎片、寡聚糖以及其 它有机分子。
提高植物细胞培养中次生代谢 产物产量的方法
前言
初生代谢(primary metabolism)是指能使营养物质转换成细
胞结构物质、维持细胞正常的生命活动或能量的代谢，初 生代谢的产物称为初生代谢产物(primary metabolites)， 如糖、蛋白质、脂类、核酸等。它们是维持细胞生命活动 所必需的。
接种量：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。
4. 化学因素
4.1 培养基成分
培养基的营养成分：一方面要满足植物细胞的生物量 增长，另一方面要使细胞能合成和积累次生产物。
一般来说，增加培养基的N、P和K的浓度能促进细胞生 长，而适当增加糖浓度则有利于次生产物的合成。
生长调节剂的种类、浓度对细胞的生长、分化和次生 产物的合成起着重要的作用。
次生代谢产物(secondary metabolites)是指植物体内的一大
类细胞生命活动或植物生长发育正常运行非必需的小分子 有机化合物，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，次生产物在植物中的合成与分解过 程称为次生代谢(secondary metabolism) 。
提高次生代提谢高物次的生产代量谢的物方的法产量的方法
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。
pH值：植物细胞培养的最适宜pH 值在5-6 之间,但也存在
• 向东北红豆杉悬浮细胞体系中加入前体物苯丙氨酸和醋酸 钠，可显著提高紫杉醇含量且在实验范围内, 随前体物浓 度的增加促进作用加强.
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。
4.4 抑制剂的使用
• 植物次生代谢是多途径的, 是植物体内一系列酶促反应的 结果, 在离体培养条件下有初生物质向次生物质的转化, 也 有次生物质之间的相互转化. 抑制剂可抑制支路代谢和其 它相关次级代谢途径，使代谢过程有利于目的次生代谢物 的产生。
差异。研究表明,南方红豆杉( Tax us chinensis ) 的愈伤组 织生长及紫杉醇的含量受pH 值的影响较大,pH 5.5 对愈 伤组织生最为有利,达接种量的3.84 倍,但紫杉醇的含量 较 低,pH 7.0 时,愈伤组织的生长量仅为接种量2.80倍,而 紫杉醇含量却达pH 5.5 时的2 倍多。
诱导子能增强细胞的呼吸作用, 提供产生次生代谢产物的 能量, 使细胞结构发生变化, 利于代谢物的形成、运输和积累。 目前应用最广、研究最多的是真菌诱导子, 如张长平等在红 豆杉细胞悬浮培养体系中加入真菌诱导子, 结果发现, 紫杉醇 的合成被加强, 产量得到了显著提高。 除真菌诱导子外, 目前在提高植物次生代谢产物方面研究得 较多的还包括寡糖素、茉莉酸类、金属离子和紫外光等.金属 离子作为诱导子主要有Cu2+ 、Ca2+ 、Mg2+等。 孙彬贤等以南方红豆杉悬浮细胞为材料, 在悬浮细胞中加入 茉莉酸甲酯, 紫杉醇含量提高了10倍。
4.3 前体饲喂
前体指处于目标代谢物代谢途径中上游的物质。上游化合 物作为酶的底物，其浓度高低决定了催化反应速度的大小 ，浓度高则反应速度大。加入前体可以消除关键酶的阻碍 或阻断内源性中间体的分隔和有效贮存，利于次生代谢物 的生产。
• 向银杏培养基中添加异戊二烯等前体物质, 有效地提高了 银杏内酯B 的产量.
温度：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30 ℃, 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。
通气状况：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。
1.外植体选择 2.高产细胞系选择 3.物理因素：光照、pH、通气、接种量 4.化学因素：培养基种类及激素
诱导剂 前提物质添加 抑制剂添加
1. 外植体选择
首先必须选择能够高效合成目的产物的植物种类。
起始培养材料还应考虑器官和组织特异性，通常选取自 然状态下能够积累次生产物部位的细胞，这样的细胞经 过培养以后常常具有合成目的产物的能力，或比较容易 诱导合成目的产物。
• 解决植物细胞培养生产次生代谢物含量低的最有效的手段之一是 筛选高产细胞株。用来筛选的细胞来源可以是有足够生理和形态 异质性的细胞群，也可以是通过物理或化学因子诱变处理产生的 突变体群。
• 筛选方法:目测法,放射免疫法、酶联免疫法、流动细胞测定法、生代谢产物的合成有重要影响. 不同植物细胞生
➢东北红豆杉幼嫩茎、叶片以及芽三种外植体的愈伤组 织中紫杉醇含量比较显示，以叶片为外植体的愈伤组 织，其紫杉醇含量是其它两种外植体形成的愈伤组织 的3倍。
➢在茜草（Rubia cordifolia）愈伤组织培养中，来源 于叶柄和茎的愈伤组织蒽醌的积累量比来源于茎尖和 叶的愈伤组织高。
2. 高产细胞株的筛选