植物次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)

關(guān)于植物次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)初生代謝(primarymetabolism)是指能使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)換成細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)、維持細(xì)胞正常的生命活動(dòng)或能量的代謝，初生代謝的產(chǎn)物稱為初生代謝產(chǎn)物(primarymetabolites)，如糖、蛋白質(zhì)、脂類、核酸等。它們是維持細(xì)胞生命活動(dòng)所必需的。次生代謝產(chǎn)物(secondarymetabolites)是指植物體內(nèi)的一大類細(xì)胞生命活動(dòng)或植物生長(zhǎng)發(fā)育正常運(yùn)行非必需的小分子有機(jī)化合物，其產(chǎn)生和分布通常具有種屬、器官、組織和生長(zhǎng)發(fā)育期的特異性，次生產(chǎn)物在植物中的合成與分解過程稱為次生代謝(secondarymetabolism)。

前言第2頁,共14頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共14頁，2024年2月25日，星期天1.外植體選擇2.高產(chǎn)細(xì)胞系選擇3.物理因素：光照、pH、通氣、接種量4.化學(xué)因素：培養(yǎng)基種類及激素

誘導(dǎo)劑

前提物質(zhì)添加

抑制劑添加

提高次生代謝物的產(chǎn)量的方法提高次生代謝物的產(chǎn)量的方法第4頁,共14頁，2024年2月25日，星期天1.外植體選擇首先必須選擇能夠高效合成目的產(chǎn)物的植物種類。起始培養(yǎng)材料還應(yīng)考慮器官和組織特異性，通常選取自然狀態(tài)下能夠積累次生產(chǎn)物部位的細(xì)胞，這樣的細(xì)胞經(jīng)過培養(yǎng)以后常常具有合成目的產(chǎn)物的能力，或比較容易誘導(dǎo)合成目的產(chǎn)物。東北紅豆杉幼嫩莖、葉片以及芽三種外植體的愈傷組織中紫杉醇含量比較顯示，以葉片為外植體的愈傷組織，其紫杉醇含量是其它兩種外植體形成的愈傷組織的3倍。在茜草（Rubiacordifolia）愈傷組織培養(yǎng)中，來源于葉柄和莖的愈傷組織蒽醌的積累量比來源于莖尖和葉的愈傷組織高。第5頁,共14頁，2024年2月25日，星期天解決植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)次生代謝物含量低的最有效的手段之一是篩選高產(chǎn)細(xì)胞株。用來篩選的細(xì)胞來源可以是有足夠生理和形態(tài)異質(zhì)性的細(xì)胞群，也可以是通過物理或化學(xué)因子誘變處理產(chǎn)生的突變體群。篩選方法:目測(cè)法,放射免疫法、酶聯(lián)免疫法、流動(dòng)細(xì)胞測(cè)定法、瓊脂小塊法等。2.高產(chǎn)細(xì)胞株的篩選第6頁,共14頁，2024年2月25日，星期天光照：對(duì)次生代謝產(chǎn)物的合成有重要影響.不同植物細(xì)胞生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物時(shí),對(duì)光質(zhì)和光量的要求是不同的,如玫瑰茄懸浮細(xì)胞合成花青素時(shí),藍(lán)光是促進(jìn)玫瑰茄細(xì)胞產(chǎn)生花青素的最有效單色光,產(chǎn)量為416mg/L,和全色光差不多,紅光和橙光無效,其他單色光隨其波長(zhǎng)接近藍(lán)光,正效應(yīng)增強(qiáng)。pH值：植物細(xì)胞培養(yǎng)的最適宜pH值在5-6之間,但也存在差異。研究表明,南方紅豆杉(Taxuschinensis)的愈傷組織生長(zhǎng)及紫杉醇的含量受pH值的影響較大,pH5.5對(duì)愈傷組織生最為有利,達(dá)接種量的3.84倍,但紫杉醇的含量較低,pH7.0時(shí),愈傷組織的生長(zhǎng)量?jī)H為接種量2.80倍,而紫杉醇含量卻達(dá)pH5.5時(shí)的2倍多。3.物理因素

第7頁,共14頁，2024年2月25日，星期天溫度：不同種類的植物細(xì)胞培養(yǎng)對(duì)溫度的要求是不同的,最適的溫度為25℃左右,超過30℃,對(duì)生長(zhǎng)有明顯的抑制作用.較低的溫度有利于生物堿的合成,而高溫則會(huì)導(dǎo)致次生代謝產(chǎn)物的合成基本停止。通氣狀況：國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn):利用生物反應(yīng)器培養(yǎng)長(zhǎng)春花細(xì)胞生產(chǎn)阿瑪堿時(shí),溶解氧在29%-43%時(shí),溶解氧與阿瑪堿的產(chǎn)量顯著相關(guān)。接種量：接種量影響次生代謝產(chǎn)物的有效積累,接種時(shí)必須滿足一定的接種量。第8頁,共14頁，2024年2月25日，星期天4.化學(xué)因素4.1培養(yǎng)基成分培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分：一方面要滿足植物細(xì)胞的生物量增長(zhǎng)，另一方面要使細(xì)胞能合成和積累次生產(chǎn)物。一般來說，增加培養(yǎng)基的N、P和K的濃度能促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，而適當(dāng)增加糖濃度則有利于次生產(chǎn)物的合成。生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的種類、濃度對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化和次生產(chǎn)物的合成起著重要的作用。紅豆杉細(xì)胞培養(yǎng)中，培養(yǎng)基中添加一定濃度的2,4-D，可以顯著提高細(xì)胞生長(zhǎng)速率，增加細(xì)胞生物量，添加適當(dāng)濃度的BA和KT，則可提高紫杉醇的積累。第9頁,共14頁，2024年2月25日，星期天4.2添加誘導(dǎo)子誘導(dǎo)子，是指能夠誘導(dǎo)植物細(xì)胞中一個(gè)反應(yīng)，并形成細(xì)胞特征性自身防御反應(yīng)的分子。目前使用的激發(fā)子可分為兩類：非生物誘導(dǎo)子（abioticelicitor）輻射、金屬離子等。生物誘導(dǎo)子（bioticelicitor）生物激發(fā)子根據(jù)其來源不同又可分為外源性誘導(dǎo)子（exogenouselicitor）和內(nèi)源性誘導(dǎo)子（endogenouselicitor）。外源性激發(fā)子多來源于微生物，包括經(jīng)處理的有機(jī)體如菌絲，或微生物機(jī)體浸提物以及由微生物產(chǎn)生的多糖類、蛋白質(zhì)類以及脂肪酸類等。內(nèi)源激發(fā)子是來源于植物結(jié)構(gòu)的化合物。如降解細(xì)胞壁的酶類、細(xì)胞壁碎片、寡聚糖以及其它有機(jī)分子。第10頁,共14頁，2024年2月25日，星期天誘導(dǎo)子能增強(qiáng)細(xì)胞的呼吸作用,提供產(chǎn)生次生代謝產(chǎn)物的能量,使細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,利于代謝物的形成、運(yùn)輸和積累。目前應(yīng)用最廣、研究最多的是真菌誘導(dǎo)子,如張長(zhǎng)平等在紅豆杉細(xì)胞懸浮培養(yǎng)體系中加入真菌誘導(dǎo)子,結(jié)果發(fā)現(xiàn),紫杉醇的合成被加強(qiáng),產(chǎn)量得到了顯著提高。除真菌誘導(dǎo)子外,目前在提高植物次生代謝產(chǎn)物方面研究得較多的還包括寡糖素、茉莉酸類、金屬離子和紫外光等.金屬離子作為誘導(dǎo)子主要有Cu2+、Ca2+、Mg2+等。孫彬賢等以南方紅豆杉懸浮細(xì)胞為材料,在懸浮細(xì)胞中加入茉莉酸甲酯,紫杉醇含量提高了10倍。

第11頁,共14頁，2024年2月25日，星期天4.3前體飼喂前體指處于目標(biāo)代謝物代謝途徑中上游的物質(zhì)。上游化合物作為酶的底物，其濃度高低決定了催化反應(yīng)速度的大小，濃度高則反應(yīng)速度大。加入前體可以消除關(guān)鍵酶的阻礙或阻斷內(nèi)源性中間體的分隔和有效貯存，利于次生代謝物的生產(chǎn)。向銀杏培養(yǎng)基中添加異戊二烯等前體物質(zhì),有效地提高了銀杏內(nèi)酯B的產(chǎn)量.向東北紅豆杉懸浮細(xì)胞體系中加入前體物苯丙氨酸和醋酸鈉，可顯著提高紫杉醇含量且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),隨前體物濃度的增加促進(jìn)作用加強(qiáng).

添加的前體物種類、濃度和時(shí)間對(duì)次生代謝產(chǎn)物的影響在很多細(xì)胞培養(yǎng)中也得到體現(xiàn)。第12頁,共14頁，2024年2月25日，星期天4.4抑制劑的使用植物次生代謝是多途徑的,是植物體內(nèi)一系列酶促反應(yīng)的結(jié)果,在離體培養(yǎng)條件下有初生物質(zhì)向