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植物次生代谢产物的生产
日期:2010年4月1日 来源:互联网 作者:植物组培网 点击:9488
 
     主要用于药物、色素、芳香原料等生产。目前主要是针对一些经济价值高的药用植物进行研究,如人参、三七、红豆杉等。

     植物次生代谢的概念是在1891年由Kossei首先明确提出的,是指有些生物体利用某些初生代谢产物为“原料”,在一系列酶的催化下,形成一些特殊的化学物质的过程,这些特殊的化学物质即为次生代谢产物(secondary metabolites),如生物碱、黄酮类、萜类、有机酸、木质素等,它们是植物中一大类并非生长所必需的小分子有机化合物,但对于植物自身在复杂环境中的生存和发展却起着不可替代的作用。植物次生代谢产物具有一定的生理活性及药理作用,如生物碱具有抗炎、抗菌、扩张血管、强心、平喘、抗癌等作用;黄酮类化合物具有抗氧化、抗癌、抗艾滋病、抗菌、抗过敏、抗炎等多种生理活性及药理作用,且无毒副作用,对人类的肿瘤、衰老、心血管疾病的防治具有重要意义。几个世纪以来,人类一直从植物中获得大量的次生代谢产物用于医药卫生。目前,世界75%的人口依赖从植物中获取药物,除化学合成之外,人类大量依赖植物次生代谢产物作为药物。鉴于人们对次生代谢产物的需求,本文介绍了药用植物次生代谢产物的五种生产途径。

1直接从植物中提取次生代谢产物

利用传统的提取分离方法结合现代的先进仪器, B12可以直接从植物中提取次生代谢产物。但是,次生代谢产物在植物中含量一般较低,并且由于长期的盲目采挖,已造成了植物野生资源的严重破坏,可利用的资源数量日趋减少,一些濒危动植物的使用又受到国际自然保护组织的关注,有许多原料性药用植物资源目前已面临资源枯竭的威胁,因此,人工栽培就成为中药材生产的主要方式。近年来,我国又实施了中药材生产质量管理规范(GAP),用来规范中药材生产的整个过程,确保中药材的质量。但是,人工栽培中药材还是存在着一些问题,如大量占用耕地,引种困难,生长周期长,栽培过程中各种影响因素不易控制,有效成分含量低,品种品质不稳定,大量使用人力、物力及财力等。

2化学合成模拟

在完全了解次生代谢产物在植物体外的反应步骤后,利用化学工业,完全合成或半化学合成次生代谢产物,如用薯蓣(Dioscotea)中的薯蓣皂苷配基为原料,可以生产出可的松,女性口服避孕药炔雌醇甲醚(mestra-nol)和炔诺酮(norethin—drone)。这些药物的半合成仍占很重要的地位,原因是其结构复杂,合成路线长,成本高,所以用从植物中提取的甾体皂甙元提供其基本骨架。广谱抗菌素氯霉素,药用四环素类,维生素 B12,维生素 D3水杨醛葡萄糖苷(helicon)的同源物乙酰水杨酸如阿司匹林,合成的吗啡类止痛合剂美散痛,那罗松(naloxone),用于合成去污剂桂酸硫酸钠等,均由化学工业模拟合成或半合成。但是采用化学合成的方法,会遇到收率低、成本高、毒性大、工艺流程复杂、产生同分异构体及环境污染等问题。

3微生物(细菌或真菌)发酵

    微生物具有惊人的繁殖速度和非常旺盛的生命力,可以在几十分钟内完成一个繁殖周期,且分布广。抗菌素是细菌和真菌的代谢产物中的肽类,一部分通过化学合成生产,如氯霉素、四环素类,一部分来源于真菌或细菌的发酵业,如链霉素、青霉素、头孢菌素、降卡代菌素、红霉素和放线菌素A等。

    自从1993年,Strobel等从短叶红豆杉Taxus brevifolia Nutt的韧皮部中分离出一株能产生紫杉醇的内生真菌 Taxomyces  andreanae以来,利用植物内生真菌发酵法获得与宿主相同或相似次生代谢产物已成为研究热点。有学者先后从云南红豆杉 Taxus yunnanen— sis,西藏红豆杉,.wallachiana,中国红豆杉T.chinesis等植物中分离出产紫杉醇或其类似物的内生真菌。通过微生物发酵法发酵内生真菌,获得大量的紫杉醇。云南大学张玲琪等分别从桃儿七Sinopod phylum emodii、中华山荷叶 Diphylleia sinensis等产鬼臼毒素的植物中分离出不同种属的能够产生鬼臼毒素的内生真菌;从长春花 Catharanthus roseus(L.)G.Don茎中分离出一株能产生长春新碱的尖孢镰刀,美登木中分离出一株球毛壳菌,它产生的球毛壳甲素是与宿主所产生的美登素不同的抗癌物质。不但如此,内生真菌也能产生其他有潜在价值的次生代谢产物,以往,抗生素的主要来源是土壤微生物,现在发现植物内生真菌也可能产生一些抗细菌、抗其它真菌、抗病毒等的物质。对内生真菌与宿主专一性分析表明,平均每种宿主有4~5种专性内生真菌,按全球目前已知25万种植物计算,内生真菌总数可以超过100万种。内生真菌在种类和数量上的极其丰富的多样性将成为宝贵的真菌资源库,为从中发现新菌种和筛选有活性的代谢产物提供广泛的研究空间。

    由于微生物具有易培养、易控制、生产成本低、生长快、不受原料的限制、发酵产物较植物成分单一、有效成分易分离等优点,并可通过诱变育种等手段来提高菌种性能以及有效产物的含量,所以容易实现大规模工业生产。从内生真菌中提取单体代替以前的从植物中提取单体,可解决许多中药作为资源植物而被大量采伐引起的资源和生态危机,对濒危药用植物的资源保护也起到了积极作用。可见,在数量众多的中药中寻找能够产生与宿主具有相同或具有相似药理作用成分的内生真菌具有深远的意义。  

尽管如此,在内生真菌的研究过程中,仍存在以下几个方面的问题:(1)即使用不同的培养基来培养植物组织,也不能保证所有生活在植物体内的真菌全部被分离出来,可能有的内生真菌不能在人工培养基上生长。另外,虽然在分离培养基中加入一些抑制真菌生长的化学物质,但是还是有一些生长缓慢的真菌常被生长快的菌物所覆盖,同样不能分离到这类生长缓慢的真菌。(2)虽然分离到植物体内的内生真菌,并在各种条件下进行产孢诱导,但是有的菌株在人工培养基上不产生孢子。从已报道过的结果看,不产孢菌株数的比例有的高达41.3%,这些不产孢菌株是无法用经典形态学方法来鉴定的。(3)目前,因常用药用植物内生真菌的研究较少,活性菌株的筛选模型单一(通常采用TLC检识和抗肿瘤、抗菌筛选,没有体现中药研究的特点)极大地限制了对有效物质的发现。(4)内生真菌所产生活性代谢产物的含量极低。同时内生真菌在多次传代后,生物特性退化,其代谢产物不稳定。

4利用植物组织和细胞培养法生产次生代谢产物

4.1植物组织和细胞培养法的应用

    次生代谢产物是药用植物的重要有效成分,但由于野生资源日益减少和栽培品种品质退化,给临床使用和质量控制带来许多困扰。利用生物技术生产有效成分,可缓解药用植物资源压力。对于那些生长条件要求严格、生长缓慢、产量小、采集困难、价值贵重的植物药,用这种方法更具有重要意义。利用植物组织、细胞培养生产次生代谢产物能克服以上缺点。

例如天然抗癌药物紫杉醇在红豆杉植物中含量很低,即使现在公认含量最高的短叶红豆杉树皮中也仅有 0.069%。通过采用固定化植物细胞培养技术可以克服细胞大量培养的许多困难,以小规模的培养细胞大量生产胞外目的产物。如薛莲等进行辽宁紫草细胞的固定化培养,陈巍等进行的人参根的培养,熏衣草细胞的固定化培养等都取得了很好的效果。植物细胞和组织培养最显著的价值在于优良植物的快速繁殖与次生代谢产物的大量制备方面。

4.2植物组织和细胞培养法的优势分析

利用植物组织和细胞大量培养植物生产次生代谢物的优点表现在: (1)实现工业化生产,不占用耕地。(2)与植物栽培不同,它采用发酵工业反应器的生产系统和回收工艺,可以不受天气、地理、季节等自然条件的限制。(3)代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行,可以通过改变培养条件和选择优良培养体系得到超整株植物产量的代谢产物。(4)有利于细胞筛选、生物转化、寻找新的有效成分。(5)有利于研究植物的代谢途径。

    4.3植物组织和细胞培养法的缺点    

    虽然植物组织和细胞培养在理论与应用上的重要性日益显著,且发展迅速,但需要指出的是,植物组织培养中还存在着一些重要的问题急待解决。    

4.3.1植物组织培养机理有待于进一步研究

组织培养的早期研究,主要集中在基础探索上,如愈伤组织培养体系的建立、细胞全能性的证实等。而有关植物细胞全能性表达和激素的作用机理等未做深入研究;五六十年代研究出的培养基目前仍然沿用,关于培养基中的植物生长物质、矿质元素、各种有机添加物等对植物细胞全能性表达的影响还未找到一个可普遍遵循的规律,更未找到普遍适用的培养基。各种培养都建立在经验的基础上,相当多的植物没有得到相应的离体培养技术。所以,加强组织培养机理的研究已迫在眉睫。

4.3.2基因型限制仍是一大难题

根据植物细胞全能性学说,任何一种植物的基因型都能培养,但研究发现没有适合于培养任何基因型植物的培养基。因此,在已有组织和细胞培养经验的基础上,对“ 困难植物”培养条件的探索研究有助于发现不同基因型的作用本质和机理,揭示其特殊性并获得使不同基因型材料培养成功的经验,才能有助于探讨组织和细胞培养的一般规律,建立适应性更广的组织和细胞培养技术。

4.3.3操作复杂,效率不高

目前,利用植物组织和细胞培养存在操作复杂、烦琐、完成周期较长等问题,如植物细胞生长周期长,容易成团,培养密度低;高产、稳定遗传的细胞株很难筛选到,植物细胞对反应器的要求较高,工艺较复杂;植物细胞培养要求环境清洁,细胞容易污染,代谢产物在细胞中累积而不迅速分解,代谢产物不释放到液体培养基中等。

4.3.4生产成本过高,不易实现工业化

植物组织和细胞培养应用研究成本较高,难以推广应用。植物细胞培养虽然可通过固定化方法实现植物细胞的连续使用,减少由于接种量过高而产生的附加成本,缩短培养周期,但由于许多代谢产物储存于液泡里,释放量很少或根本不释放,限制了固定化技术在工业上的应用,同时也增加了后期产物分离的操作。因此,应致力于研究如何诱导细胞次生代谢产物的释放,降低成本。

5利用基因工程生产次生代谢产物

5.1基因工程的应用

基因工程即重组DNA技术,是指根据人们的意愿对不同生物的遗传基因进行切割、拼接或重新组合,再转入生物体内产生出人们所期望的产物,或创造出具有新遗传性状的生物类型的一门技术。基因工程使得人们可以克服物种间的遗传障碍,定向培养创造出自然界所没有的新的生命形态,以满足人类社会的需要。如利用基因工程提高紫杉中紫杉醇含量。目前,利用基因工程获得药用植物次生代谢产物主要有两个途径,一是利用生物反应器进行转基因植物细胞或微生物细胞进行发酵生产次生代谢产物;二是培育转基因植株,通过人工栽培提供高含量次生代谢产物的中药材原料。

5.2基因工程的优势分析

基因工程技术,作为一项新技术,它有着无可比拟的优势:(1)高效、经济的特点。基因工程技术能够突破自然的生殖隔离,按人类的需要设计和改造生物的结构和功能,制造出生产能力强大和满足特殊需要的优良的动物、植物和微生物品种。在相同投入的情况下,它能够大幅度地提高产品的产量和品质;在低投入的情况下,它能够高效地生产特殊的商品。而且生物具有的遗传性使外源基因只要进入了受体细胞的基因组中就可以遗传给后代,一旦得到了优良的生物品种,就可持久地使用。基因工程的高效性和经济性是传统产业工程难以比拟的。②清洁、低耗和可持续发展的特点。传统产业不断大量的消耗地球上已有的资源,又不断产生有害的废物而污染人类生存的生态环境,基因工程所利用的原料是可再生及可循环使用的生物量,主要的生产环节是在活的生物体或活的细胞内完成。因此,现代基因工程不需消耗大量的不可再生的资源,也不会或极少会产生对生命有害的废物。③药用植物的基因与转基因工程可以改变传统遗传性状,培育优良品种,提高有效生药成分含量,增强植物抗病毒和抗虫害的能力。

5.3基因工程的缺点

5.3.1在技术上存在着一定的不确定性和盲目性

    首先,技术方面的不确定性,如目标基因插入到宿主的染色体上,若插入到染色体的沉默区,则目标基因不能表达;或者由于目标基因插入到宿主染色体的基因中,破坏了这个基因的结构,造成宿主的插入突变,也会降低宿主生物的生存能力。其次,目前我们所进行的基因工程只能对简单的、单基因控制的性状进行设计和改造,但生物的绝大部分的重要性状是由多个基因共同控制的。对这些多基因控制的性状,现有的基因工程技术几乎是束手无策。再次,我们对活的生物体基因表达调控的机制还知之甚少,有关的知识仅限于耐启动子和增强子的了解,且是不全面的了解,对生物体整体调节的复杂性的认识还刚刚开始,在这种知识背景下进行的基因工程往往带有极大的盲目性,效果也往往是事倍功半。

5.3.2在安全性方面存在着不确定性

基因工程的安全性包括两个方面:一是基因工程产品的消费安全问题,二是转基因生物的生态安全问题。基因工程技术潜在的更大危险还在于我们没有充分地把握控制基因重组后的结果。这种非自然的基因转移,对整个生命系统可能产生的长期影响和后果,大多是人类现有的知识所根本无法预料和评估的。

5.4基因工程的困难

    植物次生代谢基因工程最大的困难是我们对植物次生代谢途径及其调控了解不多,仅鉴定和克隆了少数几个基因。未来研究的一项任务是探明植物次生代谢途径及其网络。

    本文客观综述了药用植物次生代谢产物生产的几种方法。然而,历史和现实表明,任何科学技术都是一把“双刃剑”,在对社会和人类带来财富和幸福的同时,也会给他们带来或多或少的危害。所以我们只有充分了解各种药用植物次生代谢产物的生产途径,并且结合植物次生代谢产物自身的特点,选择合适的生产途径,进行次生代谢产物的大规模的生产,以满足人们对其的需要。

 
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