2025年大學(xué)《生物技術(shù)》專業(yè)題庫——利用生物技術(shù)研究植物藥物的有效成分考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述利用生物技術(shù)篩選具有藥用價值的植物資源的常用策略及其原理。二、比較溶劑提取法、超聲波輔助提取法和微波輔助提取法在植物有效成分提取方面的主要區(qū)別、優(yōu)缺點及適用情況。三、在植物有效成分的分離純化過程中，色譜法扮演著至關(guān)重要的角色。請簡述高效液相色譜（HPLC）和氣相色譜（GC）的基本原理，并說明它們在分離復(fù)雜混合物（如植物提取物）時各自的優(yōu)勢和局限性。四、核磁共振（NMR）和質(zhì)譜（MS）是天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)鑒定的兩大重要工具。請分別說明1HNMR和13CNMR在確定分子骨架和官能團(tuán)方面提供的信息。簡述質(zhì)譜（MS）在測定分子量、推測結(jié)構(gòu)式方面的基本原理和常見類型。五、設(shè)計一個簡單的實驗方案，用于初步篩選某植物提取物對特定病原菌（例如，金黃色葡萄球菌）的抑菌活性。請說明實驗所需的材料、主要步驟、觀察指標(biāo)以及結(jié)果判讀方法。六、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)技術(shù)在植物藥物研究中有廣泛的應(yīng)用。請分別說明這三種“組學(xué)”技術(shù)的基本概念，并舉例說明它們在解析植物次生代謝產(chǎn)物合成途徑、發(fā)現(xiàn)新活性成分或闡明藥物作用機(jī)制方面的潛在價值。七、植物細(xì)胞/組織培養(yǎng)和毛狀根培養(yǎng)是生物技術(shù)中用于生產(chǎn)植物次生代謝產(chǎn)物（包括藥物有效成分）的兩種重要方法。請比較這兩種方法的原理、優(yōu)點、局限性以及它們在生產(chǎn)規(guī)模和成分產(chǎn)量方面的潛在差異。八、指紋圖譜技術(shù)（如HPLC指紋圖譜）是中藥質(zhì)量評價的重要手段。請簡述HPLC指紋圖譜的基本原理，并說明其在中藥質(zhì)量控制、批次間差異分析和相似性評價中的作用。試卷答案一、利用生物技術(shù)篩選藥用植物資源的策略包括：1）基于傳統(tǒng)藥用經(jīng)驗文獻(xiàn)進(jìn)行初篩；2）利用植物化學(xué)分類學(xué)，篩選特定化學(xué)成分類型豐富的植物；3）進(jìn)行生物活性預(yù)試，篩選具有特定生物活性的植物提取物；4）運用現(xiàn)代生物信息學(xué)方法，如分析植物基因組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，預(yù)測潛在的藥用活性成分或靶點；5）結(jié)合化學(xué)預(yù)試和生物活性預(yù)試，進(jìn)行綜合篩選，并對篩選出的植物進(jìn)行深入的系統(tǒng)學(xué)鑒定和資源調(diào)查。這些策略利用了植物學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和信息技術(shù)等多學(xué)科知識，提高了篩選效率和準(zhǔn)確性。二、溶劑提取法基于“相似相溶”原理，選擇合適的溶劑將目標(biāo)成分溶解出來，操作簡單但效率可能較低，且可能存在溶劑殘留問題。超聲波輔助提取利用超聲波的空化效應(yīng)、機(jī)械振動和熱效應(yīng)加速溶劑滲透和成分溶出，提高提取效率和速率，適用于多種類型成分，但高強(qiáng)度超聲可能對熱敏性成分造成破壞。微波輔助提取利用微波能直接加熱樣品內(nèi)部，使溶劑快速沸騰，加速成分溶出，效率高、時間短，適用于多種基質(zhì)，但可能存在選擇性差異和均勻性問題，且設(shè)備成本較高。選擇依據(jù)需考慮目標(biāo)成分的性質(zhì)（極性、熱穩(wěn)定性等）、植物基質(zhì)特性、生產(chǎn)規(guī)模和成本等因素。三、高效液相色譜（HPLC）利用泵驅(qū)動液體流動作為移動相，在色譜柱內(nèi)與固定相相互作用，實現(xiàn)混合物中各組分分離。其原理基于各組分與固定相和流動相間作用力的差異，不同組分在柱內(nèi)的停留時間不同而分離。HPLC適用于分離分析極性較大、分子量較大的化合物，如生物堿、苷類、多糖等，檢測器多樣（UV、示差折光、熒光等），靈敏度較高，但設(shè)備較昂貴，分析時間相對較長。氣相色譜（GC）利用載氣將揮發(fā)性樣品帶入色譜柱，在柱內(nèi)與固定相進(jìn)行氣液分配或氣固吸附，實現(xiàn)分離。其原理基于各組分在固定相中的溶解度或吸附力不同，沸點低的組分先流出。GC適用于分離分析沸點較低、相對揮發(fā)性的小分子化合物，如萜類、香豆素、小分子苷元等，分離效率高，檢測器靈敏度高（FID、ECD等），但不適用于分析非揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定化合物。HPLC的優(yōu)勢在于適用范圍更廣（尤其是對非揮發(fā)性、熱不穩(wěn)定化合物），而GC在分離揮發(fā)性和低分子量化合物方面優(yōu)勢更明顯。四、1HNMR（核磁共振氫譜）通過測定氫質(zhì)子在磁場中的共振頻率，提供關(guān)于分子中氫原子化學(xué)環(huán)境的信息。不同化學(xué)環(huán)境的氫原子會出現(xiàn)在不同的化學(xué)位移處，峰的積分面積反映了相應(yīng)氫原子的數(shù)目，峰的裂分（偶合裂分）信息則揭示了氫原子周圍的原子環(huán)境和連接方式，從而幫助推斷碳鏈骨架、官能團(tuán)類型和立體化學(xué)信息。13CNMR（核磁共振碳譜）測定碳質(zhì)子的共振頻率，提供關(guān)于分子中碳原子化學(xué)環(huán)境的信息。不同化學(xué)環(huán)境的碳原子也出現(xiàn)在不同的化學(xué)位移處，13C譜圖的分辨率通常低于1H譜圖，但通過二維碳-碳相關(guān)譜（如COSY、HMBC、HSQC）可以提供更詳細(xì)的碳骨架連接信息。質(zhì)譜（MS）利用帶電粒子在電場或磁場中的運動特性進(jìn)行分離和檢測?；驹硎菢悠冯x子化后，根據(jù)其質(zhì)荷比（m/z）不同，在電場或磁場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)或聚焦，從而實現(xiàn)分離。通過監(jiān)測不同m/z比處的離子信號強(qiáng)度，可以獲得分子的分子離子峰（提供分子量信息）、碎片離子峰（提供結(jié)構(gòu)片段信息），進(jìn)而幫助推斷分子式、不飽和度、結(jié)構(gòu)骨架和官能團(tuán)，特別是高分辨質(zhì)譜（HRMS）可以精確測定分子量，進(jìn)一步確認(rèn)分子式。五、實驗方案設(shè)計：1）材料：待測植物提取物（適當(dāng)濃度梯度）、特定病原菌（如金黃色葡萄球菌）菌懸液、培養(yǎng)基（如牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基）、無菌平皿、移液器、無菌吸管/滴管、無菌水或溶劑、記號筆。2）主要步驟：a）制備含藥濾紙片：將無菌濾紙片浸漬于不同濃度的植物提取物溶液中，晾干備用。b）平板劃線接種：將金黃色葡萄球菌菌懸液稀釋至適宜濃度，在無菌平皿中用劃線法將細(xì)菌均勻接種在瓊脂表面。c）放置含藥濾紙片：在接種后的平板上，均勻放置浸漬了植物提取物的濾紙片。d）培養(yǎng)：將平板倒置，置于37℃恒溫箱中培養(yǎng)24-48小時。3）觀察指標(biāo)：觀察含藥濾紙片周圍是否有抑菌圈形成，記錄抑菌圈的大?。ㄒ院撩诪閱挝唬?。4）結(jié)果判讀：若濾紙片周圍形成明顯抑菌圈，表明該植物提取物對該病原菌具有抑菌活性，抑菌圈大小可初步反映抑菌效果的強(qiáng)弱；若未形成抑菌圈，則表明在此實驗條件下，該提取物對該病原菌無顯著抑菌活性。可設(shè)置溶劑對照組（用提取溶劑浸泡的濾紙片）以排除溶劑本身抑菌的影響。六、基因組學(xué)是研究生物體全部遺傳物質(zhì)（DNA）的結(jié)構(gòu)、功能及其表達(dá)規(guī)律的科學(xué)。在植物藥物研究中，通過基因組測序和分析，可以識別植物中編碼次生代謝產(chǎn)物合成相關(guān)酶的基因，理解其合成途徑，發(fā)現(xiàn)潛在的新活性成分，并為進(jìn)一步通過基因工程改造植物以提高有效成分產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)錄組學(xué)是研究生物體在特定時間或條件下全部RNA（主要是mRNA）表達(dá)水平及其調(diào)控規(guī)律的科學(xué)。通過轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-Seq），可以了解植物在受到脅迫、病理感染或特定處理時，哪些基因被上調(diào)或下調(diào)表達(dá)，從而揭示植物次生代謝產(chǎn)物合成相關(guān)基因的表達(dá)模式，闡明藥物有效成分的生物合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)現(xiàn)與藥物作用或質(zhì)量控制相關(guān)的候選基因。代謝組學(xué)是研究生物體系內(nèi)所有小分子代謝物（包括代謝中間體、次生代謝產(chǎn)物等）的種類、數(shù)量和時空變化規(guī)律的科學(xué)。通過代謝組學(xué)分析（如LC-MS、GC-MS），可以直接檢測和定量植物中的各種化學(xué)成分，包括藥物有效成分及其代謝產(chǎn)物，全面了解植物在不同發(fā)育階段、環(huán)境條件或處理下的代謝圖譜，發(fā)現(xiàn)與藥效、藥理作用相關(guān)的關(guān)鍵代謝物，解析藥物作用機(jī)制，并為中藥材的質(zhì)量控制提供多維度信息。這三種“組學(xué)”技術(shù)結(jié)合使用，可以從基因、轉(zhuǎn)錄、代謝等多個層面系統(tǒng)地解析植物藥物有效成分的來源、合成、調(diào)控和功能，極大地推動了植物藥研究的深入。七、植物細(xì)胞/組織培養(yǎng)是利用植物細(xì)胞的全能性，在體外無菌條件下，通過特定的培養(yǎng)基誘導(dǎo)植物細(xì)胞、組織或器官增殖、分化，最終再生完整植株或產(chǎn)生特定次生代謝產(chǎn)物的技術(shù)。其原理基于植物細(xì)胞具有再生完整植株的潛能。優(yōu)點包括：可在受控環(huán)境下大規(guī)模生產(chǎn)；不受氣候、季節(jié)限制；便于進(jìn)行遺傳操作和改良；可用于生產(chǎn)特定成分（如藥用活性物質(zhì)）或進(jìn)行抗性篩選。局限性包括：可能誘導(dǎo)基因突變導(dǎo)致性狀變異；部分難離體培養(yǎng)或再生能力弱的植物種類效果不佳；培養(yǎng)基成本較高；大規(guī)模生產(chǎn)需嚴(yán)格的無菌控制。毛狀根培養(yǎng)是利用Ri質(zhì)粒誘導(dǎo)植物腋芽形成具有無限增殖能力的毛狀根，并在體外培養(yǎng)條件下維持其生長和特定次生代謝產(chǎn)物合成能力的技術(shù)。其原理是Ri質(zhì)粒攜帶的腫瘤誘導(dǎo)（Ti）區(qū)基因在毛狀根細(xì)胞中表達(dá)，促進(jìn)其快速增殖。優(yōu)點包括：毛狀根生長快，代謝產(chǎn)物合成能力強(qiáng)，且成分穩(wěn)定，易于大規(guī)模培養(yǎng)（特別是液體培養(yǎng)），生產(chǎn)效率高。局限性包括：可能產(chǎn)生非目標(biāo)或有害代謝物；長期培養(yǎng)易發(fā)生變異；并非所有植物都適合產(chǎn)生良好的毛狀根；與細(xì)胞/組織培養(yǎng)相比，遺傳背景改造可能更復(fù)雜。在規(guī)模和生產(chǎn)效率方面，液體培養(yǎng)的毛狀根通常優(yōu)于傳統(tǒng)的固體或液體細(xì)胞/組織培養(yǎng)體系。八、HPLC指紋圖譜技術(shù)是通過高效液相色譜法對中藥樣品進(jìn)行分離，收集各流出峰的色譜信息（保留時間、峰面積），以圖譜形式呈現(xiàn)的一種分析技術(shù)?；驹硎抢肏PLC強(qiáng)大的分離能力，將中藥樣品中的各種化學(xué)成分（主要和次要成分）分離成單一組分，并按保留時間順序進(jìn)行檢測（通常使用紫外檢測器全波長掃描或多個固定波長檢測），記錄下各成分的保留時間點和相應(yīng)的峰面積信號，形成獨特的色