药用植物细胞悬浮培养生产次生代谢产物的研究共35页文档
植物细胞悬浮培养及次生代谢产物生产
1.1 植物代谢产物 （1）初生代谢：为维持植物正常的生长发育所必
须的代谢。初生代谢过程中形成的各种产物为初 生代谢产物。初生代谢产物不稳定，在体内容易 发生转化。
（2）次生代谢：建立在初生代谢基础上，对于植
物的正常生长发育非必需的代谢，其代谢产物为 次生代谢产物，次生代谢产物是末端代谢产物， 比较稳定，可以在体内积累。
次生代谢产物的应用：色素、香料、药物、添加 剂、工业原料等。
紫杉醇简介
• 紫杉醇：二萜类化合物 • 最早由太平洋红豆杉Taxus brevifolia的树皮中分
离 • 广泛用于治疗卵巢癌、乳腺癌、非小细胞肺癌
等十几种癌症 • 目前主要来源于红豆杉属植物
市场需求
抗癌一线用药
销售额年增长率5亿美元
480 350
1000 780
620
200
0 2000年
2002年
2004年
需求量
图1：国际紫杉醇原料药需求走势图（单位：公斤）
药源问题
• 红豆杉
主要原料植物 国家一级保护野生植物，全球十大濒危物 种之一
• 生长缓慢 分布有限 Taxol含量低
树皮中Taxol含量:0.00001-0.069% 3000棵树=10吨树皮=1kg Taxol=500病人
理论需求量
2g /人, 500万人/年 1000kg/年
实际销量
350 kg/年
紫杉醇供需相差十分悬殊
30
25 5
12
10 6.6
5
3.4
0.8
0
1992 1994 1995 1998 1999 2000 2001 2002
图2：国际紫杉醇销售额（亿美元）
1000 800 600 400 300
植物细胞培养技术生产次生代谢产物的研究进展
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 Universit y
No . 1 ,2008 Total No 62
产之间的关系 ,研究细胞生长与产物积累的动力 会服务.
学规律 ,使植物细胞培养技术能更好地为人类社
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[2] .
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[3] . 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.
No . 1 ,2008 Total No 62
由于加入直接前体莨菪酸而明显增加 ,用另一种 直接前体莨菪碱饲喂曼陀罗细胞 ,仅产生无药用 价值的乙酰莨菪碱.
2. 2 细胞固定体系
细胞固定体系能保持反应槽内的细胞量 ,提 高反应效率. 固定化使反应活性稳定且能够长期 连续进行生产 ,易于与作为催化剂的细胞分离. 柱 式或槽式反应器能连续运转 ,易于控制生产中的 环境条件 、基质浓度等. Fett - Neto 等人使用玻 璃纤维网固定紫杉细胞 ,得到的紫杉醇含量为干 重的 0. 007 %～0. 012 %.
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.
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。
植物组织细胞培养技术生产此生代谢产物
植物组织细胞培养技术生产次生代谢产物的应用摘要：植物组织细胞培养是现代生物技术应用最重要的一个方面，它是一个应用广泛和快速发展的技术。
植物组织细胞培养技术已应用于植物次生代谢产物的生产，并取得很大成效。
本文讲述组织细胞培养技术在药物、食品、化妆品等方面的次生代谢产物生产的一些应用，以及总结了现在主要植物组织培养技术、植物组织培养技术在实践中的应用。
关键词：次生代谢产物细胞培养代谢产物植物的次生代谢产生的活性物质成分已被人类广泛应用，主要集中在研究制药(如如抗癌药物紫杉醇、疗伤药物紫草宁、保健药物人参皂甙等)、食品添加剂(如生姜、香子兰等)、调味剂(如胡椒、留兰香等)、食用色素(如花青素等)、油料(如如豆寇油、春黄菊油等)、饮料(如咖啡、可可等)、树胶(如阿拉伯胶等)、化妆品、生物杀虫剂和农用化学品等方面。
尽管有些植物次生代谢物质并不是很多，但它们与人类健康密切相关，已成为当前生物领域研究关注的重点。
因此许多植物代谢产物以组织细胞培养技术的方法开发利用，进行大规模生产，使植物次生代谢物质产量和活性提高。
1 植物组织培养技术在实践中的应用[1]21世纪是生物技术迅速发展的世纪，而植物组织培养技术是生物技术中的重要内容，可以用于：植物育种已被越来越广泛的用于扦插难生根植物、引种材料少的植物。
除常规的用器官进行培养，也可以用花药进行花粉单倍体植株育种，这种方法技术简单，对一些植物种来说易于诱导未成熟花粉的分裂，可以进行大群体研究，可以迅速而大量的产生单倍体，具有迅速纯合、选择效率高、排除杂种优势干扰、突变体筛选、消除致死基因等优点。
用于脱毒和离体快繁获得脱除病毒的材料和用于植物材料快速繁殖这方面是目前植物细胞组织培养应用最多最有效的一方面. 世界上受病毒危害的植物很多，而园艺植物受病毒危害更为严重，当植物被病毒侵染后，常常造成生长迟缓、品质变劣、产量大幅度降低等危害，目前，已经在马铃薯、甘薯、草莓、大蒜、苹果、香蕉等多种作物上大规模应用;离体培养的优点就是快速，而且材料来源单一，遗传背景一致，不受季节和地区的限制，重复性好，所以离体快速繁殖已经广泛应用于果树，中药材等的栽培。
植物细胞培养与次生产物生产
第三节 植物细胞规模化培养
概述
规模化培养体系建立
生物反应器
规模化培养的技术问题
一、 概 述
在植物生物技术中，应用培养细胞系统合成有用的 天然产物，很可能发展成为一个广义的化学工业的 一个组成部分。长期以来，植物一直是许多化学品 的主要资源，特别在制药和食品加工业中更是不可 缺少。据不完全统计，至少有20％左右的药物是由 植物衍生而来的，而且每年都可发现许多植物来源 的新化合物。
大规模培养体系建立
种子细胞选择
外植体选择
高产细胞选择
植物类型：植物细胞的遗传基础是天然产物生产的基本 影响因素，不同植物产生的天然产物种类之所以不同， 从根本上来说是因为它们具有不同的遗传基础。在确定 生产某一种化合物以后，首先必须准确选择那些能够产 生目的化合物的植物种类及其品种或单株。
组织器官：由于天然产物一般为次生代谢产物，而植物 次生代谢产物的积累具有组织器官特异性，因此，在起 始细胞培养时应尽量选择自然状态下产生天然产物的器 官、组织为外植体。
悬浮培养与固体培养比较有三个优点：
一是增加培养细胞与培养液的接触面，改善营养 供应；
二是在振荡条件下可避免细胞代谢产生的有害物 质在局部积累而对细胞自身产生毒害；
三是振荡培养可以适当改善气体的交换。
愈伤组织诱导
悬浮系的建立与继代培养
悬浮细胞的生长动态 悬浮细胞同步化
一. 愈伤组织诱导
愈伤组织的要求：松散性好、增殖快、再生能力强。其 外观一般是色泽呈鲜艳的乳白或淡黄色，呈细小颗粒状， 疏松易碎。
单细胞的分离：通过过滤出去大的细胞团，小细胞团一般采用酶分离法，小细胞团不能 超过6个细胞，因此过滤时网筛的网眼要选择合适。
单细胞悬浮液的制备：分离的单细胞经培养基洗涤2次以后，调整密度为
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
植物细胞培养生产次生代谢产物的研究进展
植物细胞培养生产次生代谢产物的研究进展植物细胞培养生产次生代谢产物的研究进展08生物科学081003011 余芸摘要：利用植物细胞培养生产代谢产物具有十分广阔的前景。
对利用植物细胞培养技术生产次生代谢产物的条件控制、生产方法和在制药工业上的应用进行了综述,并对该技术的发展趋势进行了展望。
关键字：植物细胞培养次生代谢产物工业应用植物细胞培养始于本世纪初，并不可争议地具有工业化潜力。
目前植物细胞培养生产的化合物很多，包括糖类、酚类、脂类、蛋白质、核酸以及帖类和生物碱等初生和次生代谢产物，植物细胞培养的应用主要包括以下3个方面：有用物质（次生代谢产物）的生产；植物无性系的快速繁殖和遗传突变体的筛选；植物细胞遗传、生理、生化和病毒方面的深入研究。
但是由于植物细胞大规模培养技术的局限性使得植物细胞仍难以实现大规模工业化生产，迫切需要进一步研究和发展细胞培养条件的优化控制及其工艺。
1 植物细胞培养技术生产次生代谢产物的研究历史及现状植物次生代谢的概念是在1891年南KOSS—ZEL首先明确提出的[1]。
植物细胞培养技术源于德国著名植物学家HABERLANDT(1902)提出的细胞全能性学说。
植物细胞具备生物合成的全能性，即每个培养细胞保留着完整的遗传信息，能生产所有母体植物中合成的化学物质。
1．1植物细胞培养技术特点与其它的方法相比，应用植物细胞培养技术生产次生代谢产物爨有以下优点：(1)能够保证产物在一个限定的生产系统中连续、均匀生产，不受病虫害、地理和季节等各种环境因素的影响；(2)可以在生物反应器中进行大规模培养，并通过控制环境条件得到超过整株植物产量的代谢产物；(3)所获得的产物可从培养体系内直接提取，并快速、高效的回收与利用，简化了分离与纯化的步骤；(4)有利于细胞筛选、生物转化，合成新的有效成分[2]。
；(5)有利于研究植物的代谢途径，还可以利用某些基因工程手段探索与创造薪的合成路线，得到价值更高的产品；(6)节省大量用于种植原料的农田，以便进行粮食作物的生产。
药用植物悬浮细胞培养技术研究进展
DOI ：10.19904/14-1160/s.2021.18.003药用植物悬浮细胞培养技术研究进展胡珊群，梁汝黛，李彤，王晨，刘长利*（首都医科大学中医药学院，北京100000）摘要：近年来，随着我国中医药事业的持续发展，药用植物次生代谢产物的应用途径逐渐增多，药用价值和经济价值逐年上升，其市场需求量也持续增长，而药用植物野生资源蕴藏量下降、生态环境破坏等问题使得药用植物面临着严重的市场供需矛盾。
药用植物人工栽培面临着栽培困难、品种退化、成本高昂等难题。
采用植物悬浮细胞培养技术，可快速获得成熟的植物细胞、积累植物中的活性成分，为获得药用植物资源开辟了新途径。
简要介绍了悬浮细胞的最优培养条件和方法、大规模生产悬浮细胞的研究以及悬浮细胞培养技术的前景。
关键词：药用植物；悬浮细胞；培养条件；植物生长物质；诱导子文章编号：1005-2690（2021）18-0007-06中国图书分类号：S567文献标志码：B药用植物的次生代谢产物有极高的药用价值，比如柴胡皂苷可抗病毒、甘草甜素有免疫调节作用[1]。
此类化合物除药用外也可作为良好的保健品、农药及化妆品原料，需求量与日俱增。
而人工栽培药用植物对种子、土壤、气候等条件要求较高，栽培过程中易感染病害、栽培时间长、管理成本高等问题都使药用植物次生代谢产物供需关系紧张。
植物悬浮细胞培养是一种快速获得成熟植物细胞及其代谢产物的新技术，运用悬浮细胞培养技术，可以大量生产药效成分[2]。
目前已运用悬浮细胞技术成功获得包括人参、甘草、厚朴[3-5]等大宗药材的次生代谢产物。
植物悬浮细胞不仅可用于生产药用活性物质，还能用于遗传多样性分析、研究转基因植物和探究代谢产物生物合成路径等方面[6]。
目前已有200余种植物进行悬浮细胞培养，中国、日本、德国已成功进行人参、紫草等植物的大规模生产，能够满足人参、皂苷等植物次生代谢产物的市场需求[7]。
植物悬浮细胞培养技术可在人工精确设计下获得药用植物细胞及其代谢产物，不仅能缓解药用植物资源紧缺的问题，还能减少对土地资源的占用，是获取药用活性成分、保护药用植物资源的重要手段。