1、第六節(jié) 植物體內(nèi)的次生代謝產(chǎn)物,次級代謝產(chǎn)物合成的主要途徑及其與初級代謝產(chǎn)物的聯(lián)系,第一節(jié) 初級代謝和次級代謝,糖類、脂肪、核酸和蛋白質(zhì)等是光合作用的直接產(chǎn)物，稱為初級代謝產(chǎn)物（primary metabolites）。 植物體中還有許多其他有機物，如萜類、酚類和生物堿等，它們是由糖類等有機物次級代謝衍生出來的物質(zhì)，因此稱為次生代謝產(chǎn)物（secondary metabolites）。,次級產(chǎn)物貯存在液泡或細胞壁中,是代謝的最終產(chǎn)物,除了極少數(shù)外，大部分不再參加代謝活動 次級產(chǎn)物可以分為三類：萜類、酚類和含氮次級化合物,第二節(jié) 萜類,一 萜類的種類 萜類(terpene)是以異戊二烯為單位組成的

2、。,萜類的種類根據(jù)異戊二烯的數(shù)目而定，有單萜、倍半萜、雙萜、三萜、四萜和多萜之分。 萜類化合物的結(jié)構(gòu)有鏈狀的，也有環(huán)狀的 。,桂葉烯（單萜）,棉酚（倍半萜二聚物）,二 萜類生物合成,三、萜類的功能 1. 影響植物的生長發(fā)育 如赤霉素，胡蘿卜素 2. 防止哺乳動物和昆蟲對植物的吞食。 如擬除蟲菊酯、桂葉烯、棉酚和冷杉酸 3.藥用和工業(yè)原料 如紅豆杉醇和橡膠,第三節(jié) 酚類 (phenol),酚類（phenol）是芳香族環(huán)上的氫原子被羥基或功能衍生物取代后生成的化合物，種類繁多，是重要的次級產(chǎn)物之一。,苯 酚,一、酚類化合物的種類,肉桂酸 簡單苯丙酸類化合物 （具苯環(huán)-C3的基本骨架 ）,傘形酮 苯

3、丙酸內(nèi)酯類化合物 （具苯環(huán)-C3的基本骨架，但C3與苯環(huán)通過氧環(huán)化 ）,沒食子酸 苯甲酸衍生物類 （具苯環(huán)-C1的基本骨架 ）,二、簡單酚類,簡單苯丙酸類、苯丙酸內(nèi)酯和苯甲酸衍生物屬于簡單酚類。它們廣泛分布于維管植物。其中許多在植物防御食草昆蟲和真菌侵襲中起重要功能。,姜 酚,咖啡豆 綠原酸,丁 香 R=H 對丙烯基酚 R=OCH3 丁子香酚,桂 皮 肉桂醛,木質(zhì)素(lignin)在植物體中的數(shù)量很大，僅次于纖維素，是植物體中的重要組成物質(zhì)。是簡單酚類的醇衍生物（香豆醇、松柏醇、芥子醇、5-羥基阿魏醇）的聚合物，木質(zhì)素的成分因植物種類不同而有差異。,三、木質(zhì)素,木質(zhì)素是構(gòu)成植物細胞壁的成分之一

4、，具有使細胞相連的作用。在植物組織中具有增強細胞壁及黏合纖維的作用。其組成與性質(zhì)比較復(fù)雜，并具有極強的活性。不能被動物所消化，在土壤中能轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)。,四、類黃酮類 類黃酮類是植物酚類化合物中的另一大類物質(zhì)。是兩個芳香環(huán)被三碳橋連起來的15碳化合物，其結(jié)構(gòu)來自兩個不同的生物合成途徑。類黃酮類可分為四種：花色素苷、黃酮、黃酮醇和異黃酮。不同的類黃酮具有不同功能。主要為呈現(xiàn)顏色、防御傷害。,花葵素 花青素 花翠素 橙紅 紫紅 藍紫,天竺葵 玫瑰 飛燕草,花色素苷在C環(huán)部位3有糖，是葡糖苷；如果沒有糖，則稱為花色素,黃酮醇 （植物中抗UV-B的保護劑）,五、鞣質(zhì)（ tannin 單寧） 鞣質(zhì)可分為兩

5、類：縮合鞣質(zhì)和可水解鞣質(zhì)，具有防御功能。,鞣質(zhì)有毒，草食動物吃后明顯抑制生長。鞣質(zhì)在口腔中與蛋白質(zhì)結(jié)合，有澀味。一些牲畜不愿吃鞣質(zhì)含量高的植物，因為鞣質(zhì)與腸中的蛋白質(zhì)結(jié)合會形成不易消化的蛋白質(zhì)鞣質(zhì)復(fù)合物。樹干心材的鞣質(zhì)豐富，能防止真菌和細菌引起的心材腐敗。,第四節(jié) 次級含氮化合物 大多數(shù)次級含氮化合物是從普通的氨基酸合成的。主要的含氮次級產(chǎn)物有生物堿、含氰苷、芥子油苷和非蛋白氨基酸等，它們都具有防御功能。,生物堿(alkaloid)是一類含氮雜環(huán)化合物，其堿性來源于含氮的環(huán)。生物堿中有些是核酸的組成部分，也有些是維生素的組成成分。生物堿對動物往往有毒性，所以也有防御敵害的作用。生物堿是許多重要

6、藥物的有效成分。,一、生物堿,二、含氰苷,含氰苷廣泛分布于植物界，無毒性。含氰苷存在于植物表皮細胞的液泡中，分解含氰苷的酶存在于葉肉細胞中。當葉片破碎后，含氰苷與酶接觸，在酶的作用下釋放出有毒的氰化氫。,第五節(jié) 次級代謝物的生物技術(shù)應(yīng)用,一、花色改良育種(1997年） 二、改良農(nóng)作物品質(zhì)及提高抗逆性 金色大米 三、藥用植物的快速繁殖 1.簡介 2.細胞培養(yǎng) 3.發(fā)根農(nóng)桿菌誘導毛狀根產(chǎn)生。,黃金大米，又名“金色大米”，是一種轉(zhuǎn)基因大米，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將胡蘿卜素轉(zhuǎn) 化酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)入到大米胚乳中可獲得外表為金黃色的轉(zhuǎn)基因大米，被稱為“黃金大米”。,黃金大米富含胡蘿卜素，不含維生素A ，由美國先正達公司研

7、發(fā)。其不同于正常大米的主要功能為幫助人體增加維生素A吸收。因為色澤發(fā)黃，該大米品種被稱為“黃金大米”。質(zhì)疑者認為黃金大米可能會嚴重威脅到環(huán)境和糧食安全，它也并不能解決造成維生素A缺乏癥的根本原因貧困和缺乏多樣化的飲食。 2013年11月5日，國際研究機構(gòu)和菲律賓政府官員表示供上市銷售的轉(zhuǎn)基因“黃金大米”可能數(shù)年內(nèi)獲準在菲律賓生產(chǎn)。,5.1 藥用植物的快速繁殖簡介,（一）.植物天然產(chǎn)物的數(shù)量大約是微生物數(shù)量的4倍 中國：現(xiàn)有的12807種中藥材中,藥用植物達11,146種,占87% 美國：盡管化學合成藥物占主導地位,但25%的藥物來源于植物提取,1981-2006年,美國新上市的新分子實體(ne

8、w molecular entity)為活性成分的全創(chuàng)新藥共1184個,其中小分子占絕大多數(shù),共974個,這些小分子中超過1/3是直接從天然物純化而來,24%是從天然物結(jié)構(gòu)改良而來,即使是占總體1/3的全合成藥物中,幾乎所有化合物都借助了天然物的的部分活性結(jié)構(gòu),”由人工構(gòu)思而合成”的只有1個.,美國FDA：2000年初稿,2004年6月定稿植物藥指導原則，鼓勵從植物混合物中開發(fā)新藥 2006年批準Veregen作為植物新處方藥在美國上市. 歐洲藥物管理局EMA: 2004年發(fā)布草藥傳統(tǒng)草藥質(zhì)量標準指南 中國植物藥：地奧心血康2012年首次以藥品進入歐 洲市場，在荷蘭成功注冊上市！,我國生物制藥

9、行業(yè)現(xiàn)狀,規(guī)模小、集中度低、增速快 “十一五”期間(2006-2010)，中國生物制藥行業(yè)規(guī)模增長272%，目前已經(jīng)達到年銷售超千億元的水平 絕對數(shù)量上，這一行業(yè)規(guī)模仍然較?。簝H美國生化公司安進(Amgen)一家2010年銷售就達到150億美元，接近中國生物制藥全行業(yè)的銷售額 但在相對增速上，全行業(yè)銷售年復(fù)合增長率22.16%，幾乎是同期中國GDP增速的兩倍,*已經(jīng)瀕臨滅絕的重點品種,冬蟲夏草Cordyceps sinensis 胡黃連Picrorhiza scrophulariiflora 雪蓮Saussurea involucrata 石斛Dendrobium spp. 千層塔Lycopo

10、dium serratum 玫瑰紅景天Rhodiola rosea 重樓Paris spp 鬼臼Sinopodophyllum hexandrum 八角蓮Dysosma spp. 紅大戟Knoxia valerianoides 山慈菇Cremastra appendiculata 珠子參Panax japonicus 蜘蛛香Valeriana jatamansi（心葉纈草） 藜蘆Veratrum spp. 細柱刺五加Acanthopanax gracilistylus 手參Gymnadenia conopsea 金鐵鎖Psammosilene tunicoides 黑草Buchnera cru

11、ciata 小紅參Rubia yunnanensis 青天葵Nervilia spp. 等20種常用中草藥。,*重點關(guān)注的種類,產(chǎn)銷量中等，目前仍舊來自于野生的品種,上述需要重點關(guān)注的品種有56種，為什么關(guān)注？ (1) 10年來采收強度過大，生境下再生困難或者再生年限長. (2) 采集過程中老幼兼采、不適時采集等野生資源利用的問題 (3)栽培技術(shù)研究不足、尚不成熟，或者栽培還存在一定的困難、栽培規(guī)模尚小、栽培品品質(zhì)不佳等栽培方面的問題。 已經(jīng)出現(xiàn)產(chǎn)銷量銳減，價格飆升，如不重點關(guān)注，必然形成越貴越挖，越挖越少的惡性循環(huán)，利用的斷檔也即將出現(xiàn)，從而對于中藥產(chǎn)業(yè)帶來困難和危機。,人工條件下進行，質(zhì)量

12、控制，標準化 設(shè)備簡單，能節(jié)省人力、物力 生長控制和代謝過程合理調(diào)節(jié)，降低成本提高產(chǎn)率 解決耕地、森林問題，解決環(huán)境、生態(tài)問題 不受季節(jié)、地區(qū)限制和土壤和有害微生物的影響,1.生物技術(shù)生產(chǎn)替代品的優(yōu)勢,（二）.細胞、組織與器官培養(yǎng)的特點,道地藥材,產(chǎn)地不同,主要成分差異：青蒿素質(zhì)量分數(shù),植物細胞培養(yǎng)與完整植物生產(chǎn)紫草寧的比較,金鐵鎖原植物與培養(yǎng)物總皂苷含量的比較,液體培養(yǎng)35 d的毛狀根中總皂苷含量達到0.857%(干重)，而原植物和愈傷組織中分別是0.217%和0.388%(干重)，金鐵鎖毛狀根中總皂苷含量分別是原植物的3.94倍和愈傷組織的2.2倍,愈傷培養(yǎng)物 如西洋參、紫草、天山雪蓮等

13、細胞培養(yǎng)物 如人參、紅豆杉、長春花、紅豆杉 離體器官培養(yǎng) 如人參、黃芪毛狀根等 原球莖培養(yǎng)物 如石斛,藥用植物培養(yǎng)物的產(chǎn)品類型,愈傷規(guī)模化培養(yǎng)生產(chǎn)新資源食品或天然活性成分,外植體,愈傷組織,雪蓮是比較成功的案例,圖1. 雪蓮培養(yǎng)物與人工栽培區(qū)別,圖2. 雪蓮培養(yǎng)物與植株成分比較,(三）毛狀根簡介,植物被發(fā)根農(nóng)桿菌感染后，在傷口處就會形成不定根，不定根除菌后能迅速生長，并產(chǎn)生多個分枝，呈毛發(fā)狀，該不定根又被稱為毛狀根。,因為它將發(fā)根農(nóng)桿菌含有的Ri質(zhì)粒中的T-DNA (T-DNA區(qū)含有植物生長素合成的基因，能使寄主細胞無限繁殖）片段整合到植物細胞的DNA上，就可以誘導出毛狀根，從而建立起毛狀根培

14、養(yǎng)系統(tǒng)。,3.1.毛狀根的工業(yè)化生產(chǎn)概況,利用生物技術(shù)制備毛狀根并進行規(guī)?；囵B(yǎng),是未來解決藥用植物資源的重要途徑之一。毛狀根屬于器官水平,其培養(yǎng)技術(shù)是植物細胞工程領(lǐng)域的最高階段。,毛狀根生產(chǎn)的次生代謝產(chǎn)物：,有生物堿類（如吲哚生物堿、喹啉生物堿、莨菪烷生物堿、喹嗪烷生物堿等） 甙類（如人參皂甙、甜菜甙等） 黃酮類、醌類（如紫草寧等） 多糖類、蛋白質(zhì)（如天花粉蛋白等） 一些重要的生物酶（如超氧化物歧化酶）。,通過環(huán)境因子的調(diào)控提高毛狀根的生產(chǎn)速度和有效成分含量,通過誘導和選育建立高產(chǎn)的毛狀根株系,毛狀根技術(shù)與其他基因重組技術(shù)聯(lián)合使用,提高毛狀根的生產(chǎn)能力,毛狀根技術(shù)VS愈傷組織和細胞懸浮培養(yǎng)

15、優(yōu)點： 生長速度快 有許多分枝和根毛； 激素自養(yǎng)性 直接用于食品藥品加工； 分化程度高 細胞分化而來，有遺傳穩(wěn)定； 有效成分多 借助基因工程，增加次生物含量； 大量培養(yǎng)易 向培養(yǎng)液釋放代謝物。,3.2毛狀根的特點,3.3 毛狀根再生植株，縮短良種繁育時間,毛狀根再生植株與天然或栽培植株相比，一般具有葉片皺縮、節(jié)間縮短、植株矮化、須根發(fā)達等特點； 主要的藥效成分含量高于天然的； 由于毛狀根生長迅速，將其根尖切下，便可繁殖出大量的無性繁殖再生植株，大大縮短了藥用植物的栽培周期。,3.4 存在的困難與解決方法,第一個困難是由于許多單子葉植物和部分裸子葉植物對發(fā)根農(nóng)桿菌不敏感，還不能誘導出毛狀根。 第

16、二個困難是部分植物的毛狀根有效成分含量較低或不含有效成分。 第三個困難是有些發(fā)根生長不太快，有些難以維持正常的形態(tài)，常出現(xiàn)脫分化形成愈傷組織或分化出幼苗、胚狀體等現(xiàn)象，致使生產(chǎn)能力下降、培養(yǎng)失敗。,3.5.毛狀根培養(yǎng)的生物安全性,除了與生長素合成、冠癭堿合成相關(guān)外，無其他外源基因插入。前者是植物細胞本身能合成的激素，含量低；后者起到指示劑作用。因此，毛狀根是安全的。 外源激素,3.6.利用毛狀根獲得天然活性物質(zhì)的例子 3.6.1 人參 3.6.2 柴胡,A,Ginseng adventitious roots in 1-ton bioreactors,商業(yè)化生產(chǎn)人參根: : 35-40噸 (FW)/年 11g/L(DW)（50d）,10-ton,3-ton,1-ton,Harvest,CBN BIOTECH,Subsidiary h