生物技术与药用植物次生代谢产物谢静(成都医学院药学系,四川成都610083)作者简介:谢静(1979-),女,四川眉山籍,硕士,从事天然药物教学和研究工作。
【关键词】 药用植物;次生代谢产物:生物技术【中图分类号】 R282.71 【文献标识码】 A 【文章编号】 1672-7193(2007)03-0089-02 药用植物在我国传统医学中具有重要地位。
目前我国药用植物有11118种,市售中成药中,从植物中提取的药物或经半合成的药物占商品的20%[1]。
药用植物体内的次生代谢产物是细胞生命活动或植物生长发育非必需的一类小分子化合物,其产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性。
自然界许多药用植物的有效成分都是其次生代谢产物,萜烯、酚、生物碱三类化合物是植物中最重要的次生代谢产物。
20世纪50年代药用植物次生代谢产物的工业化生产开始利用植物细胞大量培养作为主要手段。
目前药用植物的生物技术研究主要集中在药用植物资源学研究、药用植物栽培学研究、药用植物生态学研究、药用植物化学研究、质量控制和药效评价等领域,近年已经取得了一定的进展[2]。
下面就生物技术应用于药用植物次生代谢产物方面的研究情况进行综述。
1 细胞培养技术和药用活性成分生产我国传统药材中88%为植物药。
植物单个细胞在适宜的环境下可分化发育成植株,并具有整株植物所具有的合成化合物的能力,也即植物细胞具有全能性,这为通过植物组织和细胞培养来获得其药用活性成分提供了有效途径。
目前利用细胞培养技术生产药用植物有效成分主要有三种方法:液体悬浮培养、固定化细胞培养和发酵工程技术[3]。
液体悬浮培养主要用于生产细胞内的有效成分,利用该方法生产植物来源药物最成功的是紫杉醇和紫草宁色素的生产。
紫杉醇是20世纪70年代从短叶红豆杉树皮中提取出来的具有独特抗癌作用的天然产物,被认为是治疗卵巢癌的首选药物,近年不断发现它对其它癌症的治疗作用,是有发展前途的抗癌新药。
到目前为止,发现紫杉醇只存在于裸子植物红豆杉科的红豆杉属Taxus L 和澳洲红豆杉属种中。
由于红豆杉类植物多属珍稀物种,数量稀少,生长缓慢,紫杉醇的含量又非常低,而全球每年需要紫杉醇200～300kg,所以靠砍伐提取的方法远不能满足人们对紫杉醇的需要[4]。
为了克服这一问题研究人员从各个方面探索解决紫杉醇的来源问题,1991年美国研究人员用75000生物反应器生产紫杉醇获得成功[5]。
紫草宁色素是一组蒽醌类色素,主要是作为染料和在化妆品中的生产,还兼有抑菌消炎作用,在国际市场上价格十分昂贵[6]。
日本三井石化公司1983年用细胞培养法生产紫草宁色素投入市场,成为药用植物细胞工程产品化和商业化的先例[7]。
我国的细胞培养始于20世纪50年代,在我国研究比较成功的例子是人参,1964年中国科学院上海植物生理研究所的罗士韦研究员首先成功地进行了人参的组织培养,随后我国和其他国家的学者将人参的细织培养过渡到工业化生产。
目前人参的10L 体积的大规模培养在我国已实现,对其培养细胞进行化学成分和药理活性比较分析,表明与种植人参无明显差异,中国药科大学丁家宜等已将其作为美容保健品投放市场,这是我国药用植物生物技术产品商品化的第一个范例[3]。
据不完全统计,目前已经从400多种植物中建立了组织和细胞培养物,从中分离出600多种代谢产物,其中40多种化合物在数量上超过或等于原植物[8]。
其中代表性的研究成果如:紫草、红豆杉、人参、黄连、毛地黄、长春花、曲洋参等细胞培养,但是至今只有少数品种(紫草、人参等)达到了生产规模[9]。
和植物栽培比较,尽管它有许多优点,如不受地域及气候条件的影响,可进行特定的生物转化反应,生产人们需要的活性成分、缩短生物合成周期、产量大、不污染环境等[10,11],但由于增殖率不够高,产物不稳定,常低于原植物的水平,导致成本高不能与栽培植物和微生物发酵竞争,成为阻碍细胞培养技术进入商业性开发的主要因素。
因此,多年来研究方向一直集中在提高培养物的增殖速度和保持产物的稳定和高产上。
植物组织和细胞培养的工业化生产遇到的主要问题[12]:(1)利用植物组织和细胞培养成本高于采集野生植物或种植的生产方式,限制了此技术的发展。
(2)植物组织和细胞培养与微生物发酵相比,生长速度慢、活性物质产量低。
利用链霉菌发酵生产抗生素的发酵周期为72～96h,其最终产物高达8000mg/I 。
,而植物组织和细胞培养的周期在18天以上,有效成分的含量也较低。
(3)适合植物组织和细胞培养的生物反应器尚有待研究解决。
问题的关键不是受制造生物反应器工程技术的制约,而是人们对植物组织和细胞在离体培养条件下的生长与发育的规律了解甚少。
(4)对植物次生代谢产物合成途径及所参与反应的各种酶的了解不多,有的甚至连有效成分的化学结构尚未明确,因此对次生代谢的调控存在着很大的盲目性。
2 毛状根培养利用发根农杆菌感染双子叶植物形成毛状根,是近10年来继细胞培养后又一新的培养系统。
发状根的培养对中草药98非常重要,因为约1/3的传统中草约是植物的根部,故用发状根的培养生产次生代谢产物前景广阔。
目前我国已在长春花、烟草、紫草、绞股蓝、人参、曼陀罗、颠茄、丹参、黄芩、甘草和青蒿等40多种植物材料中建立了毛状根的培养系统[13]。
据不完全统计,国内外目前已对23科50余种药用植物进行了毛状根培养的研究,建立了长期的毛状根培养系统和获得了次生代谢产物[14]。
发根农杆菌(Agr obacteriu m rhizogenes)是一种革兰氏阴性土壤菌,在自然界作为双子叶植物的病原菌广泛存在,它能使许多双子叶植物染上毛根病。
现已查明毛根病的秘密在于发根农杆菌含有R i-质粒,在感染植物细胞过程中通过V ir区(致病区)片段的作用,可将质粒上的T-DNA传递到植物细胞与细胞的DNA基因组整合,在T-DNA片断上包含有植物激素合成酶基因,能在被感染的植物细胞中表达[10]。
作为表现型从被感染的部位长出毛状根(也叫发状根),将毛状根分离,在离体条件下用抗生素可将细菌杀灭得到无菌的毛状根。
用毛状根作为培养系统生产有用的活性成分,优于常规的细胞培养。
毛状根培养物属于激素自养型,即在无激素的培养基上就能旺盛生长,因而简化了培养基。
毛状根的增殖速度远比细胞培养物快得多。
由于发根农杆菌及其R i.质粒转化产生的发状根比较容易再生出新植株,而且很多植物的发状根在离体培养条件下都表现出原植株次生代谢产物的合成能力,因此发状根培养又被称为转基因器官培养,是一条利用生物技术生产次生代谢产物的新的有效途径,很适用于有价值的次生代谢产物的生产。
但是具体的培养条件对生长和有效成分含量的影响的研究,以及大规模培养的技术操作,还有待于进一步完善。
3 冠瘿组织培养有些药用植物的活性成分仅仅在叶片和茎轴中合成,利用组织培养或毛状根培养难以产生这类活性成分,而利用冠瘿组织培养物却能达到这一目的。
冠瘿组织来源于冠瘿瘤,冠瘿瘤的产生与根癌农杆菌(Agr obacteriu m tu me尼rciens)有关。
它和发根农杆菌是同属的另一种土壤杆菌,也是植物的一种病原菌,根癌农杆菌含有Ti质粒、转化后的表现型是冠瘿瘤[15]。
用冠瘿组织作为培养系统也具有生长素自养、增殖速度快等特点,也可以像细胞培养一样做悬浮培养。
利用冠瘿组织培养物生产活性成分的研究已有一些报道,如用西洋参冠瘿细胞培养人参皂苷[16]。
研究结果表明冠瘿组织可以作为生产植物活性成分的培养系统来利用。
4 转基因植物和有用活性成分生产由于分子生物学领域的进展,如今已有可能人工设计新的植物性状用于改良作物的品质和抗性。
关键在于用什么方法将外源基因导入植物的基因组,并能得到高效表达。
目前已有各种各样的方法,这些方法各有所长,其中用农杆菌做载体将外源基因导入植物基因组的方法比较成熟,以生产医药生物技术产品(如抗体、干扰素、胰岛素等)为目标的转基因动植物的研究最具吸引力。
这些产品具有极高的医疗价值,受到广泛重视,这种转基因动植物被称为“新一代制药厂”。
现在,医药生物技术产品多半由细胞培养和微生物发酵方法生产,这种方法面临着两个难题:由发酵工程生产的生化药物回收仍有困难,生产成本高;某些蛋白质难以由发酵工艺获得。
而用转基因动植物来生产医药生物技术产品有很多优点。
它可以在自然状态下表达复杂的天然蛋白质,可以从动物的乳汁、血液中不断获得或从收获的植物体中提取。
动物饲养或植物栽培要比细胞培养、微生物发酵容易得多。
动植物体就像天然的发酵罐,而且可以传代。
用转基因植物生产医药生物技术产品的研究已有相当成功的例子。
如a-柘楼素、血管紧张肽转化酶抑制剂、抗体、细菌和病毒的抗原、脑啡肽、表皮生长因子、促红细胞生成素、生长激素、人血清蛋白、干扰素和水蛭素等。
这些实验大多以烟草作为受体植物,目前表达都较低,还很难表现出它们的应用价值,但具有一定的理论意义,为今后的传统药材基因工程研究开创了成功的先例。
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