5.1 药用植物的快速繁殖简介
（一）.植物天然产物的数量大约是微生物数量的4倍
中国：现有的12807种中药材中,药用植物达11,146种,占87% 美国 ： 尽管化学合成药物占主导地位 , 但 25% 的药物来源于植物提取 ,1981-2006 年 , 美国新上市的新分子实体 (new molecular entity) 为活性成分的全创 新药共 1184 个 ,其中小分子占绝大多数 , 共 974 个 , 这些小分子中超过 1/3 是 直接从天然物纯化而来,24%是从天然物结构改良而来,即使是占总体1/3的 全合成药物中,几乎所有化合物都借助了天然物的的部分活性结构,”由人 工构思而合成”的只有1个.
药用植 物培养 物的产 品类型
愈伤培养物 如西洋参、紫草、天山雪莲等 细胞培养物 如人参、红豆杉、长春花、红 豆杉 离体器官培养 如人参、黄芪毛状根等 原球茎培养物 如石斛
愈伤规模化培养生产新资源食 品或天然活性成分
外植体
愈伤组织
雪莲是比较成功的案例
图1. 雪莲培养物与人工栽培区别
图2. 雪莲培养物与植株成分比较
第六节 植物体内的次生代谢产物
次级代谢产物合成的主要途径及其与初级代谢产物的联系
第一节 初级代谢和次级代谢
糖类、脂肪、核酸和蛋白质等是光合作用的直接产物，称为
初级代谢产物（primary metabolites）。
植物体中还有许多其他有机物，如萜类、酚类和生物碱等， 它们是由糖类等有机物次级代谢衍生出来的物质，因此 称为次生代谢产物（secondary metabolites）。
姜
酚
咖啡豆
绿原酸
丁 香
R=H 对丙烯基酚 R=OCH3 丁子香酚
桂 皮
肉桂醛
三、木质素
木质素(lignin)在植物体中的数量很大，仅次 于纤维素，是植物体中的重要组成物质。是
简单酚类的醇衍生物（香豆醇、松柏醇、芥
子醇、5-羟基阿魏醇）的聚合物，木质素的
成分因植物种类不同而有差异。
木质素是构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞
*已经濒临灭绝的重点品种
冬虫夏草Cordyceps sinensis
雪莲Saussurea involucrata 千层塔Lycopodium serratum 重楼Paris spp 八角莲Dysosma spp.
胡黄连Picrorhiza scrophulariiflora
石斛Dendrobium spp. 玫瑰红景天Rhodiola rosea 鬼臼Sinopodophyllum hexandrum 红大戟Knoxia valerianoides
山慈菇Cremastra appendiculata
蜘蛛香Valeriana jatamansi（心叶缬草） 细柱刺五加Acanthopanax gracilistylus 金铁锁Psammosilene tunicoides 小红参Rubia yunnanensis 等20种常用中草药。
珠子参Panax japonicus
3.3 毛状根再生植株，缩短良种繁育时间
• 毛状根再生植株与天然或栽培植株相比， 一般具有叶片皱缩、节间缩短、植株矮化、 须根发达等特点； • 主要的药效成分含量高于天然的； • 由于毛状根生长迅速，将其根尖切下，便 可繁殖出大量的无性繁殖再生植株，大大 缩短了药用植物的栽培周期。
3.4 存在的困难与解决方法
具有防御功能。
鞣质有毒，草食动物吃后明显抑制生长。鞣质在口
腔中与蛋白质结合，有涩味。一些牲畜不愿吃鞣
质含量高的植物，因为鞣质与肠中的蛋白质结合
会形成不易消化的蛋白质——鞣质复合物。树干
心材的鞣质丰富，能防止真菌和细菌引起的心材
腐败。
第四节 次级含氮化合物
大多数次级含氮化合物是从普通的氨基酸合成的。
美国 FDA ： 2000 年初稿 ,2004 年 6 月定稿《植物药指导原
则》，鼓励从植物混合物中开发新药
2006年批准Veregen04年发布《草药传统草药质量
标准指南》
中 国 植 物 药 ： 地 奥 心 血 康 2012 年 首 次 以 药 品 进 入 欧
提高 毛状 根的 生产 能力
通过诱导和选育 建立高产的毛状 根株系 通过环境因子的 调控提高毛状根 的生产速度和有 效成分含量 毛状根技术与其 他基因重组技术 联合使用
3.2毛状根的特点
毛状根技术VS愈伤组织和细胞悬浮培养 优点： 生长速度快 有许多分枝和根毛； 激素自养性 直接用于食品药品加工； 分化程度高 细胞分化而来，有遗传稳定； 有效成分多 借助基因工程，增加次生物含量； 大量培养易 向培养液释放代谢物。
已经出现产销量锐减，价格飙升，如不重点关注，必然形
成越贵越挖，越挖越少的恶性循环，利用的断档也即将出现， 从而对于中药产业带来困难和危机。
（二）.细胞、组织与器官培养的特 点 1.生物技术生产替代品的优势
⑴ 人工条件下进行，质量控制，标准化 ⑵ 设备简单，能节省人力、物力 ⑶ 生长控制和代谢过程合理调节，降低成本\提高产率 ⑷ 解决耕地、森林问题，解决环境、生态问题 ⑸ 不受季节、地区限制和土壤和有害微生物的影响
次级产物贮存在液泡或细胞壁中, 是代谢的最终产物,除了极少数外，
大部分不再参加代谢活动
次级产物可以分为三类：萜类、 酚类和含氮次级化合物
第二节 萜类
一 萜类的种类 萜类(terpene)是以异戊二烯为单位组成的。
萜类的种类根据异戊二烯的数目而定，有单萜、倍半萜、 双萜、三萜、四萜和多萜之分。 萜类化合物的结构有链状的，也有环状的 。
3.5.毛状根培养的生物安全性
除了与生长素合成、冠瘿碱合成相关外，无其他外源基因
插入。前者是植物细胞本身能合成的激素，含量低；后
者起到指示剂作用。因此，毛状根是安全的。
• 外源激素
3.6.利用毛状根获得天然活性物质的例 子
3.6.1 人参 3.6.2 柴胡
Ginseng adventitious roots in 1-ton bioreactors
道地药材,产地不同,主要成分差异： 青蒿素质量分数
植物细胞培养与完整植物生产紫草宁的比较
生产方式
完整植物 植物细胞培养
收获时间
2-3年 21天
紫草宁浓度 （%干重）
1-2 14
植物 人参（总皂苷）
原植物 ～10%
培养物 ～20%
提高倍数 1
红豆杉（紫杉醇）
丹参（丹参酮:mg/gDW）
～0.01%
(三）毛状根简介
植物被发根农杆菌感染后，在伤口处 就会形成不定根，不定根除菌后能迅速 生长，并产生多个分枝，呈毛发状，该 不定根又被称为毛状根。 因为它将发根农杆菌含有的Ri质粒中的 T-DNA (T-DNA区含有植物生长素合成的 基因，能使寄主细胞无限繁殖）片段整 合到植物细胞的DNA上，就可以诱导出毛
0.24
～ 0.06%
1.09
6
4.5
金铁锁原植物与培养物总皂苷含量的比较 材料
原植物 愈伤组织 毛状根
总皂苷含量(%)
0.217 0.388 0.857
液体培养35 d的毛状根中总皂苷含量达到0.857%(干重)，而原 植物和愈伤组织中分别是 0.217%和0.388%(干重)，金铁锁毛状根 中总皂苷含量分别是原植物的3.94倍和愈伤组织的2.2倍
相连的作用。在植物组织中具有增强细胞壁及黏 合纤维的作用。其组成与性质比较复杂，并具有 极强的活性。不能被动物所消化，在土壤中能转 化成腐殖质。
四、类黄酮类
类黄酮类是植物酚类化合物中的另一大类物质。是两个芳香 环被三碳桥连起来的15碳化合物，其结构来自两个不同的
生物合成途径。类黄酮类可分为四种：花色素苷、黄酮、
洲市场，在荷兰成功注册上市！
我国生物制药行业现状
• 规模小、集中度低、增速快
“十一五”期间(2006-2010)，中国生物制药行业 规模增长272%，目前已经达到年销售超千亿元的水平 绝对数量上，这一行业规模仍然较小：仅美国生 化公司安进(Amgen)一家2010年销售就达到150亿美 元，接近中国生物制药全行业的销售额 但在相对增速上，全行业销售年复合增长率 22.16%，几乎是同期中国GDP增速的两倍
• 第一个困难是由于许多单子叶植物和部分裸子叶植 物对发根农杆菌不敏感，还不能诱导出毛状根。 • 第二个困难是部分植物的毛状根有效成分含量较低 或不含有效成分。 • 第三个困难是有些发根生长不太快，有些难以维持 正常的形态，常出现脱分化形成愈伤组织或分化出 幼苗、胚状体等现象，致使生产能力下降、培养失 败。
状根，从而建立起毛状根培养系统。
3.1.毛状根的工业化生产概况
利用生物技术制备毛状根并进行规模化培
养,是未来解决药用植物资源的重要途径之一。
毛状根属于器官水平,其培养技术是植物细胞工
程领域的最高阶段。
毛状根生产的次生代谢产物：
• 有生物碱类（如吲哚生物碱、喹啉生物碱、莨 菪烷生物碱、喹嗪烷生物碱等） • 甙类（如人参皂甙、甜菜甙等） • 黄酮类、醌类（如紫草宁等） • 多糖类、蛋白质（如天花粉蛋白等） • 一些重要的生物酶（如超氧化物歧化酶）。
二、含氰苷
含氰苷广泛分布于植物界，无毒性。含氰苷
存在于植物表皮细胞的液泡中，分解含氰
苷的酶存在于叶肉细胞中。当叶片破碎后，
含氰苷与酶接触，在酶的作用下释放出有
毒的氰化氢。
第五节 次级代谢物的生物技术应用
一、花色改良育种(1997年）
二、改良农作物品质及提高抗逆性 金色大米 三、药用植物的快速繁殖 1.简介 2.细胞培养 3.发根农杆菌诱导毛状根产生。
桂叶烯（单萜）
棉酚（倍半萜二聚物）
二 萜类生物合成
三、萜类的功能
1. 影响植物的生长发育 如赤霉素，胡萝卜素