第六章-植物的次级代谢产物课件.ppt

第六节第六节 植物体内的次生代谢产物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第一节 初级代谢和次级代谢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，称为初级代谢产物初级代谢产物（primary metabolitesprimary metabolites）。）。植物体中还有许多其他有机物，如萜类、酚类和生物碱等，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，因此称为称为次生代谢产物次生代谢产物（secondary metabolitessecondary metabolites）。）。次级产物贮存在液泡或细胞壁中次级产物贮存在液泡或细胞壁中,是代谢的是代谢的最终产物最终产物,除了极少数外，除了极少数外，大部分不再参加代谢活动大部分不再参加代谢活动 次级产物可以分为三类：次级产物可以分为三类：萜类萜类、酚类酚类和和含氮次级化合物含氮次级化合物第二节第二节 萜类萜类一一 萜类的种类萜类的种类萜类萜类(terpeneterpene)是以是以异戊二烯异戊二烯为单位组成的。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、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。双萜、三萜、四萜和多萜之分。萜类化合物的结构有链状的，也有环状的萜类化合物的结构有链状的，也有环状的 。桂叶烯（单萜）桂叶烯（单萜）棉酚（倍半萜二聚物）棉酚（倍半萜二聚物）二二 萜类生物合成萜类生物合成三、萜类的功能三、萜类的功能1.影响植物的生长发育影响植物的生长发育如赤霉素，胡萝卜素如赤霉素，胡萝卜素2.防止哺乳动物和昆虫对植物的吞食。防止哺乳动物和昆虫对植物的吞食。如拟除虫菊酯、桂叶烯、棉酚和冷杉酸如拟除虫菊酯、桂叶烯、棉酚和冷杉酸3.药用和工业原料药用和工业原料如红豆杉醇和橡胶如红豆杉醇和橡胶 第三节第三节 酚类酚类 (phenol)(phenol)酚类（酚类（phenol）是芳香族环上）是芳香族环上的氢原子被羟基或功能衍生的氢原子被羟基或功能衍生物取代后生成的化合物，物取代后生成的化合物，种种类繁多，是重要的次级产物类繁多，是重要的次级产物之一。之一。苯苯 酚酚一、酚类化合物的种类一、酚类化合物的种类 肉桂酸肉桂酸简单苯丙酸类化合物简单苯丙酸类化合物（具苯环（具苯环-C3的基本的基本骨架骨架）伞形酮伞形酮苯丙酸内酯类化合物苯丙酸内酯类化合物（具苯环（具苯环-C3的基本骨的基本骨架，但架，但C3与苯环通过与苯环通过氧环化氧环化）没食子酸没食子酸苯甲酸衍生物类苯甲酸衍生物类（具苯环（具苯环-C1的基本的基本骨架骨架）二、简单酚类二、简单酚类简单苯丙酸类、苯丙酸内酯和苯甲简单苯丙酸类、苯丙酸内酯和苯甲酸衍生物属于简单酚类。它们广泛分布酸衍生物属于简单酚类。它们广泛分布于维管植物。其中许多在植物防御食草于维管植物。其中许多在植物防御食草昆虫和真菌侵袭中起重要功能。昆虫和真菌侵袭中起重要功能。姜姜 酚酚 咖啡豆咖啡豆 绿原酸绿原酸 丁丁 香香 R=H 对丙烯基酚对丙烯基酚 R=OCH3 丁子香酚丁子香酚桂桂 皮皮 肉桂醛肉桂醛木质素木质素(lignin)在植物体中的数量很大，仅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。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、是简单酚类的醇衍生物（香豆醇、松柏醇、芥子醇、芥子醇、5-羟基阿魏醇）的聚合物，木质素羟基阿魏醇）的聚合物，木质素的成分因植物种类不同而有差异。的成分因植物种类不同而有差异。三、木质素三、木质素木质素是构成植物细胞木质素是构成植物细胞壁壁的成分之一，具有使细胞的成分之一，具有使细胞相连的作用。在植物组织中具有增强细胞壁及黏相连的作用。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，在土壤中能转极强的活性。不能被动物所消化，在土壤中能转化成腐殖质。化成腐殖质。四、类黄酮类四、类黄酮类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环被三碳桥连起来的15碳化合物，其结构来自两个不同的碳化合物，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：生物合成途径。类黄酮类可分为四种：花色素苷花色素苷、黄酮黄酮、黄酮醇黄酮醇和和异黄酮异黄酮。不同的类黄酮具有不同功能。主要为呈。不同的类黄酮具有不同功能。主要为呈现颜色、防御伤害。现颜色、防御伤害。花葵素花葵素 花青素花青素 花翠素花翠素 橙红橙红 紫红紫红 蓝紫蓝紫天竺葵天竺葵 玫瑰玫瑰 飞燕草飞燕草花色素苷在花色素苷在C环部位环部位3有糖，是葡糖苷；如果没有糖，则有糖，是葡糖苷；如果没有糖，则称为花色素称为花色素 黄酮醇（植物中抗UV-B的保护剂）五、鞣质（五、鞣质（tannin 单宁）单宁）鞣质可分为两类：缩合鞣质和可水解鞣质，鞣质可分为两类：缩合鞣质和可水解鞣质，具有防御功能。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会形成不易消化的蛋白质鞣质复合物。树干鞣质复合物。树干心材的鞣质丰富，能防止真菌和细菌引起的心材心材的鞣质丰富，能防止真菌和细菌引起的心材腐败。腐败。第四节第四节 次级含氮化合物次级含氮化合物 大多数次级含氮化合物是从普通的氨基酸合成的。大多数次级含氮化合物是从普通的氨基酸合成的。主要的含氮次级产物有生物碱、含氰苷、芥子油主要的含氮次级产物有生物碱、含氰苷、芥子油苷和非蛋白氨基酸等，它们都具有防御功能。苷和非蛋白氨基酸等，它们都具有防御功能。生物碱生物碱(alkaloid)(alkaloid)是一类含氮杂环化合物，其是一类含氮杂环化合物，其碱性来源于含氮的环。生物碱中有些是核酸的组成碱性来源于含氮的环。生物碱中有些是核酸的组成部分，也有些是维生素的组成成分。生物碱对动物部分，也有些是维生素的组成成分。生物碱对动物往往有毒性，所以也有防御敌害的作用。生物碱是往往有毒性，所以也有防御敌害的作用。生物碱是许多重要药物的有效成分。许多重要药物的有效成分。一、生物碱一、生物碱二、含氰苷二、含氰苷含氰苷广泛分布于植物界，无毒性。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，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含氰苷与酶接触，在酶的作用下释放出有毒的氰化氢。毒的氰化氢。第五节第五节 次级代谢物的生物技术应用次级代谢物的生物技术应用一、花色改良育种一、花色改良育种(1997年）年）二、改良农作物品质及提高抗逆性二、改良农作物品质及提高抗逆性金色大米金色大米三、药用植物的快速繁殖三、药用植物的快速繁殖1.简介简介2.细胞培养细胞培养3.发根农杆菌诱导毛状根产生。发根农杆菌诱导毛状根产生。黄金大米，又名黄金大米，又名“金色大米金色大米”，是一种，是一种转基因大米转基因大米，通过转基因技术将胡萝卜素转，通过转基因技术将胡萝卜素转化酶系统转入到大米胚乳中可获得外表为金黄色的转基因大米，被称为化酶系统转入到大米胚乳中可获得外表为金黄色的转基因大米，被称为“黄金大米黄金大米”。黄金大米富含胡萝卜素，不含维生素黄金大米富含胡萝卜素，不含维生素A，由美国先正达公司研发。其不，由美国先正达公司研发。其不同于正常大米的主要功能为帮助人体增加维生素同于正常大米的主要功能为帮助人体增加维生素A吸收。因为色泽发黄，该大吸收。因为色泽发黄，该大米品种被称为米品种被称为“黄金大米黄金大米”。质疑者认为黄金大米可能会严重威胁到环境和。质疑者认为黄金大米可能会严重威胁到环境和粮食安全，它也并不能解决造成粮食安全，它也并不能解决造成维生素维生素A缺乏症的根本原因缺乏症的根本原因贫困和缺乏多贫困和缺乏多样化的饮食。样化的饮食。2013年年11月月5日，国际研究机构和菲律宾政府官员表示供上市销售的转基日，国际研究机构和菲律宾政府官员表示供上市销售的转基因因“黄金大米黄金大米”可能数年内获准在菲律宾生产。可能数年内获准在菲律宾生产。5.1 药用植物的快速繁殖简介药用植物的快速繁殖简介（一）（一）.植物天然产物的数量大约是微生物数量的植物天然产物的数量大约是微生物数量的4 4倍倍中国中国：现有的现有的1280712807种中药材中种中药材中,药用植物达药用植物达11,14611,146种种,占占87%87%美美国国：尽尽管管化化学学合合成成药药物物占占主主导导地地位位,但但25%25%的的药药物物来来源源于于植植物物提提取取,1981-2006,1981-2006年年,美美国国新新上上市市的的新新分分子子实实体体(new(new molecular molecular entity)entity)为为活活性性成成分分的的全全创创新新药药共共11841184个个,其其中中小小分分子子占占绝绝大大多多数数,共共974974个个,这这些些小小分分子子中中超超过过1/31/3是是直直接接从从天天然然物物纯纯化化而而来来,24%,24%是是从从天天然然物物结结构构改改良良而而来来,即即使使是是占占总总体体1/31/3的的全全合合成成药药物物中中,几几乎乎所所有有化化合合物物都都借借助助了了天天然然物物的的的的部部分分活活性性结结构构,”由由人人工工构构思思而合成而合成”的只有的只有1 1个个.美美国国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Veregen作为植物新处方药在美国上市.欧欧洲洲药药物物管管理理局局EMA:2004年发布草药传统草药质量标准指南中中国国植植物物药药：地地奥奥心心血血康康2012年首次以药品进入欧 洲市场，在荷兰成功注册上市！我国生物制药行业现状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*已经濒临灭绝的重点品种已经濒临灭绝的重点品种冬虫夏草冬虫夏草Cordyceps sinensis 胡黄连胡黄连Picrorhiza scrophulariiflora雪莲雪莲Saussurea involucrata 石斛石斛Dendrobium spp.千层塔千层塔Lycopodium serratum 玫瑰红景天玫瑰红景天Rhodiola rosea重楼重楼Paris spp 鬼臼鬼臼Sinopodophyllum hexandrum八角莲八角莲Dysosma spp.红大戟红大戟Knoxia valerianoides山慈菇山慈菇Cremastra appendiculata 珠子参珠子参Panax japonicus蜘蛛香蜘蛛香Valeriana jatamansi（心叶缬草）（心叶缬草）藜芦藜芦Veratrum spp.细柱刺五加细柱刺五加Acanthopanax gracilistylus 手参手参Gymnadenia conopsea金铁锁金铁锁Psammosilene tunicoides 黑草黑草Buchnera cruciata小红参小红参Rubia yunnanensis 青天葵青天葵Nervilia spp.等等20种常用中草药。种常用中草药。*重点关注的种类重点关注的种类产销量中等，目前仍旧来自于野生的品种上上述述需需要要重重点点关关注注的的品品种种有有56种种，为为什什么么关关注注？(1)10年来采收强度过大，生境下再生困难或者再生年限长.(2)采集过程中老幼兼采、不适时采集等野生资源利用的问题(3)栽培技术研究不足、尚不成熟，或者栽培还存在一定的困难、栽培规模尚小、栽培品品质不佳等栽培方面的问题。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。人工条件下进行，质量控制，标准化人工条件下进行，质量控制，标准化 设备简单，能节省人力、物力设备简单，能节省人力、物力 生长控制和代谢过程合理调节，降低成本生长控制和代谢过程合理调节，降低成本 提高产率提高产率解决耕地、森林问题，解决环境、生态问题解决耕地、森林问题，解决环境、生态问题不受季节、地区限制和土壤和有害微生物的影响不受季节、地区限制和土壤和有害微生物的影响1.1.生物技术生产替代品的优势生物技术生产替代品的优势（二）（二）.细胞、组织与器官培养的特细胞、组织与器官培养的特点点道地药材道地药材,产地不同产地不同,主要成分差异：主要成分差异：青蒿素质量分数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植物细胞培养与完整植物生产紫草宁的比较生产方式生产方式收获时间收获时间紫草宁浓度紫草宁浓度（%干重）干重）完整植物完整植物2-3年年1-2植物细胞培养植物细胞培养21天天14植物植物原植物原植物培养物培养物提高倍数提高倍数人参（人参（总皂苷）10%20%1红豆杉（红豆杉（紫杉醇紫杉醇）0.01%0.06%6丹参（丹参（丹参酮丹参酮:mg/gDW）0.241.094.5金铁锁原植物与培养物总皂苷含量的比较金铁锁原植物与培养物总皂苷含量的比较材料材料 总皂苷含量总皂苷含量(%)原植物原植物0.217愈伤组织愈伤组织0.388毛状根毛状根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倍愈伤培养物愈伤培养物如西洋参、紫草、天山雪莲等细胞培养物细胞培养物如人参、红豆杉、长春花、红豆杉离体器官培养离体器官培养如人参、黄芪毛状根等原球茎培养物原球茎培养物如石斛药用植药用植物培养物培养物的产物的产品类型品类型愈伤规模化培养生产新资源食愈伤规模化培养生产新资源食品或天然活性成分品或天然活性成分外植体外植体愈伤组织愈伤组织雪莲是比较成功的案例雪莲是比较成功的案例图图1.雪莲培养物与人工栽培区别雪莲培养物与人工栽培区别图图2.雪莲培养物与植株成分比较雪莲培养物与植株成分比较(三）毛状根简介三）毛状根简介 植物被植物被发根农杆菌发根农杆菌感染后，在伤口处感染后，在伤口处就会形成不定根，不定根除菌后能迅速就会形成不定根，不定根除菌后能迅速生长，并产生多个分枝，呈毛发状，该生长，并产生多个分枝，呈毛发状，该不定根又被称为不定根又被称为毛状根。毛状根。因为它将发根农杆菌含有的因为它将发根农杆菌含有的RiRi质粒质粒中的中的T-DNA T-DNA(T-DNA(T-DNA区含有植物生长素合成的区含有植物生长素合成的基因，能使寄主细胞无限繁殖）片段整基因，能使寄主细胞无限繁殖）片段整合到植物细胞的合到植物细胞的DNADNA上，就可以诱导出毛上，就可以诱导出毛状根，从而建立起毛状根培养系统。状根，从而建立起毛状根培养系统。3.1.3.1.毛状根的工业化生产概况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：毛状根生产的次生代谢产物：有生生物物碱碱类类（如吲哚生物碱、喹啉生物碱、莨菪烷生物碱、喹嗪烷生物碱等）甙类甙类（如人参皂甙、甜菜甙等）黄酮类、醌类黄酮类、醌类（如紫草宁等）多糖类、蛋白质多糖类、蛋白质（如天花粉蛋白等）一些重要的生物酶生物酶（如超氧化物歧化酶）。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通过诱导和选育建立高产的毛状根株系 毛状根技术与其他基因重组技术联合使用提高提高毛状毛状根的根的生产生产能力能力 毛状根技术毛状根技术VSVS愈伤组织和细胞悬浮培养愈伤组织和细胞悬浮培养 优点：优点：生长速度快生长速度快 有许多分枝和根毛；有许多分枝和根毛；激素自养性激素自养性 直接用于食品药品加工；直接用于食品药品加工；分化程度高分化程度高 细胞分化而来，有遗传稳定；细胞分化而来，有遗传稳定；有效成分多有效成分多 借助基因工程，增加次生物含量；借助基因工程，增加次生物含量；大量培养易大量培养易 向培养液释放代谢物。向培养液释放代谢物。3.23.2毛状根的特点毛状根的特点3.3 3.3 毛状根再生植株，缩短良种繁育时间毛状根再生植株，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，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、一般具有叶片皱缩、节间缩短、植株矮化、须根发达等特点；须根发达等特点；主要的主要的药效成分含量药效成分含量高于天然的；高于天然的；由于毛状根生长迅速，将其根尖切下，便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，大大可繁殖出大量的无性繁殖再生植株，大大缩短缩短了药用植物的栽培周期。了药用植物的栽培周期。3.4 3.4 存在的困难与解决方法存在的困难与解决方法第一个困难是由于许多单子叶植物和部分裸子叶植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。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。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、培养失幼苗、胚状体等现象，致使生产能力下降、培养失败。败。3.5.毛状根培养的生物安全性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。者起到指示剂作用。因此，毛状根是安全的。外源激素外源激素3.63.6.利用毛状根获得天然活性物质的例利用毛状根获得天然活性物质的例子子 3.6.1 人参人参 3.6.2 柴胡柴胡AGinseng adventitious roots in 1-ton bioreactors商业化生产人参根商业化生产人参根:35-40吨吨 (FW)/年年11g/L(DW)（50d）10-ton3-ton1-tonHarvestCBN BIOTECHCBN BIOTECHSubsidiary health food,alternative medicine,cosmetics et al.Development of cultured mountain ginseng-based products200L200L生物反应器生产的柴胡毛状根生物反应器生产的柴胡毛状根25g/L25g/L干物质干物质,500mg/L,500mg/L柴胡皂苷柴胡皂苷a-b/42a-b/42天天日本神户大学农业生物科学系日本神户大学农业生物科学系花生毛状根生产抗糖尿病和抗氧化分子。花生毛状根生产抗糖尿病和抗氧化分子。15g/L(DW)（韩国）（韩国）思考题1.名词解释次级代谢产物，萜类、酚类、生物碱2.简答萜类、酚类和次级含氮化合物包括哪些常见物质。