次生代谢产物生产
植物次生代谢产物的生物合成途径和调控机制
植物次生代谢产物的生物合成途径和调控机制植物次生代谢产物是植物细胞中特异性的化学物质，通常不参与生理代谢，而是用于植物的防御、营养、诱导和吸引昆虫等功能。
这些物质具有广泛的生物活性，在医学、农业和工业等领域有着重要的应用价值。
因此，研究植物次生代谢产物的生物合成途径和调控机制具有重要意义。
一、生物合成途径植物次生代谢产物的生物合成途径通常包括两个主要步骤：前体物质合成和特定的酶催化反应。
前体物质是次生代谢产物的合成基础，也是酶催化反应的产物。
因此，前体物质和酶催化反应的选择和调控对于次生代谢产物的合成至关重要。
1. 前体物质的合成前体物质是次生代谢产物合成的基础，它通常来源于多种生物合成途径。
一般来说，苯丙酮途径或葡萄糖酸途径是最重要的产生芳香族化合物的途径，而异戊二烯途径和二萜类途径则是主要的产生次生代谢产物的途径。
苯丙酮途径是合成芳香族化合物的主要途径之一。
它的前体物质是苯丙氨酸，在植物细胞中，苯丙氨酸不仅被用于生产芳香族化合物，还被用于生产白藜芦醇、黄酮类化合物和异黄酮类等次生代谢产物。
葡萄糖酸途径则是合成芳香族酸类化合物和苯丙素类化合物的重要途径。
它的前体物质是葡萄糖酸或其衍生物，葡萄糖酸途径中，该物质的利用率非常低，只有少数植物物种能够使用葡萄糖酸途径生产异鼠李糖苷和异鼠李糖苷。
异戊二烯途径和二萜类途径则是合成次生代谢产物的重要途径。
异戊二烯途径产生异戊二烯基前体物，其后可以转化为不同种类的次生代谢产物。
二萜类途径是另一个重要的产生次生代谢产物的途径，庞大而丰富的二萜类代谢物对植物在逆境条件下的适应性、成长、繁殖和防御等方面具有重要的作用。
2. 酶催化反应酶催化反应是植物次生代谢产物合成的第二个核心步骤。
酶催化反应涉及到一系列酶，它们的作用是将前体物质转化为次生代谢产物，并将其在植物细胞内进行转运和储存。
植物次生代谢产物的转化主要通过两种方式实现：单一酶催化和特异性酶基组合催化。
任何一种转化都需要相应的酶的存在和配合。
植物次生代谢产物的生物合成与作用
植物次生代谢产物的生物合成与作用近年来，生物科技的发展日新月异，人类对生物的研究已经迈入了一个新的阶段。
生命是自然的奥秘，而植物则是自然界中最为丰富的生物之一。
植物不仅是天然的食物来源，也是制药和化妆品等工业生产的主要原材料之一。
然而，除了我们日常所见的众所周知的营养价值外，植物还有更多令人惊叹的神奇之处。
其中之一就是植物次生代谢产物，也就是植物所产生的化学成分，是植物繁衍生息和适应环境的关键。
一、次生代谢产物的概念一般来说，植物的生物合成过程会产生两种类型的代谢产物，一种是必须的基本代谢产物，如蛋白质、脂肪和碳水化合物等；另一种是非必需的次生代谢产物，例如植物色素、生物碱、黄酮类、鞣质等等。
次生代谢产物多数情况下不会参与植物生长发育，但是它们能够影响植物的生态学和环境适应能力。
二、次生代谢产物的分类次生代谢产物的种类繁多，通常按照其母体代词、化学结构和生物活性等不同方式进行分类。
以下是一些常见的代表性次生代谢产物：（一）生物碱类生物碱类包括各种各样的芳香族和非芳香族化合物，这些化合物在植物中的生物制造和积累的过程中明显与生物生长和发育的特定阶段相关。
这些生物碱类物质的化学结构非常复杂，包括吡啶、喹啉、吖啶、萘、生姜等，常见的包括可卡因和吗啡等。
（二）鞣质类鞣质是一类具有威胁性和回避性质的类黄酮化合物，它们被广泛地应用在广告、传媒和商业宣传中。
鞣质的形成通常是在植物的细胞母细胞中，包括羟肉桂酸、化编号鞣酸、栲酸、山査酚等。
他们通常可被具有还原性的酚类化合物和相应的酸成分通过氧化的过程反应形成。
（三）黄酮类天然黄酮类在植物中的生物合成是通过条理性化合物和硫化物的参与达到的。
而黄酮类的代表性物质基于鲜亮的颜色得到广泛应用。
黄酮类物质不仅具有维生素性功能，还具有抗氧化性质、保健功能、防癌功能等。
常见的有黄酮、异黄酮、酮和酸等。
三、次生代谢产物的生物合成次生代谢产物的生物合成过程远比基本代谢途径复杂得多。
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。
植物次生代谢产物的提取与分离纯化研究
植物次生代谢产物的提取与分离纯化研究植物次生代谢产物是指植物在生长、发育过程中，为了同周围环境适应而产生的非必需性代谢产物，主要是为了植物自身的防御，吸引授粉者和抑制其它竞争植物的生长等生命活动需要而产生的。
植物次生代谢产物具有药物学、保健品、食品添加剂等广泛的应用前景，如枸杞中所含有的多种拟黄酮类化合物、茶中所含的儿茶素、白藜芦醇等，已被广泛用于人体健康的调节。
因此，对植物次生代谢产物进行提取、分离和纯化研究具有重要价值。
一、植物次生代谢产物的提取方法植物次生代谢产物的提取是与样品的性质和目的有关的。
目前常用的提取方法有超临界流体萃取法、水蒸气蒸馏法、超声波萃取法、微波辅助提取等方法。
超临界流体萃取法是利用超临界流体的特殊性质对样品进行提取，其优点是操作简单、效率高、纯度高和对样品污染小。
水蒸气蒸馏法适用于提取挥发性成分，其原理是利用水蒸气的温度和压力将挥发性成分分离出来。
超声波萃取法是利用超声波的辐射使样品中的细胞壁破裂，使得植物次生代谢产物溶解在溶剂中，提取效率高且操作简单。
微波辅助提取是将样品在微波辐射下提取，其原理是利用样品分子在微波中的高频振动引起样品温度升高，从而达到提取目的。
二、植物次生代谢产物的分离与纯化方法植物次生代谢产物由于结构复杂、含量低，所以需要用分离与纯化方法进行分离纯化，以提高纯度和获得高品质的产物。
色谱技术是其中最常见的分离纯化方法，包括常压柱层析、高效液相层析、气相色谱等。
其中高效液相层析是目前最为常用的方法之一。
其原理是利用样品成分的化学性质在流动相与固定相界面分配不同而实现分离。
电泳技术也是一种常用的分离纯化方法，包括凝胶电泳和毛细管电泳等。
凝胶电泳技术是将样品置于凝胶中，施加电场，通过电泳作用分离样品分子。
毛细管电泳技术是将样品在液相中注入毛细管，施加电场，通过电泳作用分离样品分子。
电泳技术分离效率高，对大分子有良好的分离效果。
三、植物次生代谢产物的应用展望植物次生代谢产物具有重要的生物活性，例如中药汉防己所含的多种次生代谢产物，可以对肝脏疾病、消化不良等多种疾病有较好的调节作用。
植物中次生代谢产物的生产和开发应用研究
植物中次生代谢产物的生产和开发应用研究对于一些植物来说，生长过程中会产生一些次生代谢产物，这些产物不太影响到植物的生长和发育，但却对人类有着重要的价值。
比如说，黄酮类化合物、生物碱、鞣质、单萜类化合物、多糖等，都是一些常见的次生代谢产物。
这些产物在医学、化工、农业、食品工业等方面都有着不同的应用和作用。
一、次生代谢产物的生产研究植物的次生代谢物往往是受到多种因素调节的。
在长期的生长过程中，植物会受到环境、内部调节和外界刺激等多种因素的影响，导致其次生代谢物的产生和含量的变化。
因此，研究植物次生代谢物的生产过程，探究其影响因素，对于优化次生代谢物的提取和生产具有着重要的意义。
研究表明，诸如干旱、盐渍、低温、高温、紫外线辐射等，均可影响植物的次生代谢物的产生。
而与此同时，种植环境的温度、湿度、光照等因素也会影响到植物次生代谢物的产生。
在生产实践中，可以调节这些因素，以达到提高次生代谢物产量的目的。
同时，也可以通过改良植物的育种方式，选择次生代谢物含量高的品种，实现更高效的次生代谢物生产。
二、次生代谢产物的开发应用研究在植物次生代谢产物的开发应用方面，有了进展，但还处于初级阶段。
在医学领域，许多植物次生代谢物被证明具有一定的药理作用。
比如，叶黄素、花青素等化合物有助于促进视力和强化免疫力。
能不能从植物中准确地提取出这些化合物，制成药物，使其具有更好的预防和治疗作用，这是需要做更多的研究。
在食品工业方面，植物次生代谢物的使用也比较广泛。
目前，许多国家的食品行业均有使用天然色素的趋势，这些天然色素往往来源于植物次生代谢物。
比如，从番茄中提取的番茄红素和从甜菜中提取的天然胡萝卜素等，都可以用于食品加工中。
除此之外，植物次生代谢产物的开发还涉及到化工、农业等多个领域。
综合利用这些次生代谢物的研究仍需加强。
三、最新研究进展随着基因定序和研究技术的不断完善，研究人员对植物次生代谢产物的生产和开发应用的研究也越来越深入。
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.
植物次生代谢产物的合成和调节机制
植物次生代谢产物的合成和调节机制植物是地球上最早出现的生命形式之一，与外界环境之间的相互作用使植物体内的化学反应继续进行着。
次生代谢产物是植物体内的一种重要化学物质，依靠这些物质，植物在适应环境中起着关键性的作用。
本文将通过对植物次生代谢产物的合成与调控机制的阐述，来加深大家对植物生长发展的认识。
一、植物次生代谢产物的定义和分类植物通过从原料分子中合成一系列次生代谢产物，这些产物不同于植物生长发育必需的一些基本代谢产物，而是为了植物与环境的适应性而合成的。
这些次生代谢产物可分为多种类型，包括生物碱、赖氨酸、黄酮类、酚类化合物等，它们具有重要的药理学和生理学价值。
二、植物次生代谢产物合成机制植物次生代谢产物在植物体内的合成过程受到多个因素的影响，其中最主要的因素是植物的基因组。
基因组中包含了植物合成多种化合物所需的基因，掌握基因即可掌握植物次生代谢产物的合成机制。
除此之外，次生代谢产物合成还受到植物的内部环境影响，包括植物的生长状态、营养状况、光周期、温度、土壤配比以及植物有无病虫害等因素。
因此，获得特定化学结构的次生代谢产物通常需要满足多种生物学需求。
三、植物次生代谢产物调节机制在植物的次生代谢物中，一类特殊的物质被称为信号分子，它们是植物内部信息传递的承载者，对于调节植物次生代谢产物的合成和积累具有决定性的作用。
植物的信号分子主要包括植物激素，这些激素能够促进或抑制植物次生代谢产物的合成过程。
除此之外，植物体内还存在多种外界信号分子，如光、温度、水分等，这些信号分子能够通过光信号传导途径、激素信号传导途径和色素信号传导途径等途径调节植物次生代谢物的合成。
四、结论植物次生代谢产物是植物应对外界环境变化的重要策略。
次生代谢产物的合成和调节机制紧密相连，合适的合成和调节机制可以提高植物的适应性，使其对环境变化作出快速反应。
随着对植物次生代谢产物研究的深入和扩展，不断探索植物次生代谢产物的合成和调控机制，将有助于推动植物的高效栽培和利用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
18.0
2.2
8
Rosmarinic acid C. blumei
27.0
3.0
9
Ajmalicine
C.roseus
2.20.3Fra bibliotek7SErpentine C. roseus
1.8
0.5
3
Diosgenin D.deltoidea
3.5
2.0
2
植物次生代谢产品的市场潜能
产品成分 长春花碱 阿吗灵 奎宁 致热素 毛地黄
• 细胞培养结束后，根据次生代谢产物分 布的情况，分别收集细胞和培养液，选 用相应的生化分离技术对次生代谢产物 进行分离、纯化，并对所得的次生代谢 产物的含量进行测定，对其活性进行鉴 定。
• 如果次生代谢产物存在于细胞内，则要 经过细胞破碎，然后再进行提取和分离 纯化。
• 植物细胞培养进行有效成分的生产发展 到现在,已经取得令人瞩目的成就。
• 然而在植物细胞培养过程中普遍存在的 细胞系不稳定、细胞生长缓慢、不耐剪 切力及代谢物产量低等问题又成为其实 现规模化生产的瓶颈。在目前已经研究 过的植物中，仅有 1/5左右种类的培养 物中目的产物的含量接近或超过原植物， 多数情况下培养细胞合成某些次生代谢 物的能力下降甚至消失。
• 因此充分利用基因工程的手段，筛选高产 细胞系，深入研究特定代谢产物的生物合 成途径，对培养条件进行优化，研究和开 发适合植物细胞培养的生物反应器是解决 这些问题的根本途径。
紫草宁含量（％干重） 1～2 14
Examples of enhancement in natural product yield in selected cell lines compare with parent plant material. (After Fowler, 1983)
Chemical product
提高次生代谢产物生产效 率的途径和方法：
• 选择合适的外植体 • 筛选得到高产细胞系（株） • 寻求合适的培养条件和培养技术
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。
筛选得到高产细胞系（株）
• 获得高产株系从选择富含目的产物的植 物品种开始，通过其愈伤组织的诱导， 异质种群的筛选，即从不同的无性繁殖 系中筛选出富含目的产物的品系做种子 细胞。
• 次生产物在植物中的合成与分解过程称为 次生代谢。
次生代谢过程被认为是植物在长期进化 中对生态环境适应的结果，它在处理植 物与生态环境的关系中充当着重要的角 色。许多植物在受到病原微生物的侵染 后，产生并大量积累次生代谢产物，以 增强自身的免疫力和抵抗力。
植物次生代谢途径是高度分支的途径， 这些途径在植物体内或细胞中并不全部 开放，而是定位于某一器官、组织、细 胞或细胞器中并受到独立的调控。
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。
次生代谢产物生产
• 植物次生代谢产物的概述 • 研究现状 • 植物细胞大规模培养生产次生代谢
产物的基本程序
• 提高次生代谢物生产效率的途径与 方法
• 应用实例 • 前景展望
概述
• 植物次生代谢产物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。
plant
Cell yield (% DW)
Whole plant yield (% DW)
Ratio cell yield /
whole plant
Glutathione N. tabacum
1.0
0.1
10
Nicotine N. tabacum
5.0
2.1
2
Anthraquinones M.citrifolia
植物次生代谢产物在医药、食品、轻化工业等领域 具有重要意义：
• 李时珍（1593）在《本草纲目》中所开列 的1892种药物绝大多数是植物药物，目前 仍有约25％的法定药品来自植物。其药物 的有效成分均为次生产物。
• 许多植物次生代谢产物是优良的食品添加 剂和名贵化妆品原料。有些是生物毒素的 主要来源，可以用于杀虫、杀菌，而对环 境和人畜无害，是理想的环保产品。
• 诱导植物产生旺盛生长的愈伤组织 和悬浮细胞系
• 筛选高产细胞系 • 在生物反应器中进行大规模培养 • 次生代谢产物的提取、纯化和测定
Stages in the development and operation of a plant cell biotechnology process
次生代谢产物的提取、纯化与测 定
植物次生产物种类繁多（据保守估计已超过2万 种），根据分子结构不同大致分为：
酚类化合物－黄酮类 单酚类 醌 类（苯醌、萘醌、蒽醌）
萜类化合物－三萜皂甙 甾体皂甙 单萜、倍半萜、二萜
含氮化合物－生物碱（真生物碱、伪生物碱、 原生物碱） 胺类（伯、仲、叔、季胺） 非蛋白质氨基酸 生氰甙
多炔类、有机酸等
研究现状
• 迄今为止，人们已从培养的植物细胞中 分离出六百多种次生代谢产物，已使包 括紫草、毛地黄、黄连、彩叶紫苏和人 参在内的多种植物细胞培养达到工业化 生产的规模，并且有的已经生产成商品 投入市场。
来自于植物体和细胞培养的紫 草宁含量比较
生产方式 完整植株 植物细胞培养
生产周期 2～3年 3周
用途 治疗白血病 循环系统障碍药 治疗疟疾 杀虫剂 心脏病药
年销售额（亿美元） 18～20（美国） 5～25（全世界） 5～10（美国） 20（全世界） 20～55（美国）
规模化细胞培养是生产植物次生 产物的理想途径：
• 保护生态环境 • 提高生产效率 • 发展新型生物技术产业
植物细胞大规模培养生产次 生代谢产物的基本程序：