植物细胞培养与次生代谢产物在工业生产方面的前景
【摘要】许多植物次生代谢产物是常用的药物制品、优良的食品添加剂和名贵化妆品原料。本文主要讲述了植物细胞培养产生的次生代谢产物在工业各方面的重要作用、开发以及大规模生产应用。
【关键词】植物组织 细胞培养 次生产物 工业生产 【正文】
植物细胞培养始于本世纪初， 并不可争议地具有工业化潜力。目前植物细胞培养生产的化合物很多， 包括糖类、 酚类、 脂类、 蛋白质、 核酸以及帖类和生物碱等初生和次生代谢产物，而植物次生代谢产物在医药、食品、轻化工业等领域具有重要意义。李时珍（1593）在《本草纲目》中所开列的1892种药物绝大多数是植物药物，目前仍有约25％的法定药品来自植物。其药物的有效成分均为次生产物。
这些次生代谢活性物质成分已被人类广泛应用，主要集中在研究制药、食品添加剂、调味剂、食用色素、油料、饮料、树胶、化妆品、生物杀虫剂和农用化学品等方面。尽管有些植物次生代谢物质并不是很多，但它们与人类健康密切相关，已成为当前生物领域研究关注的重点。因此许多植物代谢产物以组织细胞培养技术的方法开发利用，进行大规模生产，使植物次生代谢物质产量和活性提高。
一、在制药工业方面的应用
药用植物次生代谢物种类繁多，化学结构迥异。这些次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、类萜、甾体及其甙、生物碱七大类。还有人根据次生产物的生源途径分为酚类化合物、类萜类化合物、含氮化合物(如生物碱)等三大类，据报道每一大类的已知化合物都有数千种甚至数万种以上。在次生代谢产物的生产中, 药用植物细胞培养技术是通过给予体外生长的植物细胞一定的营养条件, 使其生长, 并根据植物或植物不同组织的细胞调节生长条件来获取所需的次生代谢产物的生物技术。由于植物体内的任何一个细胞都包含有整体植物全部的遗传信息, 在 一定条件下具有发育成一个完整植株的能力, 所以通过细胞培养技术可得到药用植物的次生代谢产物。药用植物细胞培养的最初目的是为了研究植物的生理和生化代谢。然而, 从研究中发现它可能具有巨大的商业应用可能性, 所以这种植物细胞培养的方法很快被用于快速繁殖, 进而开始研究用细胞培养的方法生产植物原有的化合
物, 现在细胞培养技术是生物技术中最基础的核心技术。实践表明, 通过采用植物细胞培养技术生产次生代谢产物是解决资源问题的较为有效的途径。
用药用植物细胞培养技术生产次生代谢产物有很大潜力。首先次生代谢产物是在完全人工控制的条件下生产的，可一年四季不断进行，不受地区和季节限制，节约土地，较便于工业化生产。其次，通过改变培养条件和选择优良系的方法可得到超越原植物产量的代谢物，例如通过新疆紫草的细胞培养获得了比原植株含量高6倍的紫草素。再者，药用植物的细胞培养是在无菌条件下完成的，因此可排除病菌及虫害对药用植物的侵扰。 1.人参皂苷的生产
人参皂苷是一种固醇类化合物，三萜皂苷，是人参的主要有效成分。众多研究表明，它具有较高的抗肿瘤活性，对正常细胞无毒副作用，与其他化疗药物（如顺铂）联合应用有协同作用。人参皂苷通过调控肿瘤细胞增殖周期、诱导细胞分化和凋亡来发挥抗肿瘤作用。将肿瘤细胞诱导分化成正常细胞有利于控制肿瘤发展，诱导肿瘤细胞凋亡使细胞解体后形成凋亡小体，不引起周围组织炎症反应。Popovich等研究认为，人参皂苷可以促进人白血病细胞的凋亡，其途径与地塞米松相似，均为受体依赖性。除去抗肿瘤作用外，人参皂苷具有提高机体免疫力、抗菌、改善心脑血管供血不足、调节中枢神经系统、抗疲劳、延缓衰老等作用。目前用于生产人参皂苷的主要方法是毛状根培养系统。 2.紫杉醇的生产
紫杉醇是用于治疗卵巢癌、乳腺癌、肺癌的高效、低毒、广普而且作用机理独特的抗癌药物。近年来，临床研究还表明，紫杉醇对其它病症也有一定疗效，如关节炎、先天性多囊肾病、早老性痴呆等。日本从短叶红豆杉和东北红豆杉中进行组织细胞培养获得较高含量的紫杉醇细胞系植株。我国的研究人员经过多年研究，利用细胞悬浮培养对多种红豆杉不同外植体进行愈伤组织的诱导、培养、筛选出了紫杉醇高产细胞株，并经生物反应器扩大培养含量，细胞生长和紫杉醇含量都相当理想，通过细胞培养技术规模化商业化生产紫杉醇的研究已取得了重大的进展。 2.紫草宁的生产
紫草宁可以用作创伤、烧伤以及痔疮的治疗药物。1974年，Tabata等研究了在哪一种培养基上可使培养细胞产生紫草宁衍生物。1981年Tabata和Fujita等进行
悬浮培养，并得到紫草宁衍生物。日本在1983年也用大规模紫草细胞培养来生产紫草宁。国内南京大学生物系从1986年开始研究，得出在适当的培养条件下，培养的紫草细胞悬浮无中紫草宁含量占干重的14%，比紫草根中含量高几倍。 3.长春花生物碱的生产
长春花培养生产生物碱长春花是夹竹桃科长春花属植物。20世纪50年代人们发现其细胞和组织培养物中含有100多种次生代谢产物，其中大多为生物碱。它们的天然含量较低，但具有很强的生物活性，是目前应用最广的天然抗癌药物之一。利用组织培养和细胞工程技术筛选高产细胞系和用毛状根的培养生产各种长春花生物碱成了目前研究的热点。在细胞培养中加入前体物质如马钱子甙，诱导子如茉莉酮酸、甲壳质、果胶酶等均能提高长春花次生代谢产物的积累量。Zhao等在培养长春花细胞的系统中加入KCl、甘露糖、前体物质(琥珀酸色氨和色氨酸)和一些生物代谢调节物后，观察到处理后细胞产生的长春花碱和西萝芙木碱是未经处理的4倍多。目前对长春花生物碱的基本代谢模式已比较清楚，但是其中关键限速酶还在研究之中。研究色氨酸合成酶和色氨酸脱羧酶在长春花细胞合成吲哚类和喹啉类生物碱中的作用发现采用基因工程方式超量表达这两种酶后，生物碱产量超过200 mg/L，表明这两种酶对长春花生物碱合成速度的重要性。近年来，毛状根培养技术在植物次生代谢产物生产中的广泛应用，使得长春花的毛状根培养越来越多研究。
二、食品生产方面的应用
食品添加剂是食品工业的“灵魂”，食用色素、香精香料、稳定剂、防腐剂、抗氧化剂等既赋予了食品宜人的外观、口感和滋味，又使其在销售期内保持了新鲜状态。 1.薄荷油
目前已经开始采用胡椒薄荷细胞培养技术生产工业薄荷油，但产量很低，这主要是因为菇烯单体的不稳定性及植物毒素的毒性作用而影响到薄荷油的合成。如今，胡椒薄荷中菇烯单体的合成途径已经基本确定。此外，在采用经根癌农杆菌T37转化后的薄荷顶芽培养物，发现薄荷油物质的生物合成与菇烯类物质有关，已测出菇烯类物质是由叶部的油腺所分泌。这些发现必将促进工业薄荷油的生产。 2.香兰素
香兰素(4-羟基-3-甲基苯甲醛)又称香草酚，是香子兰制品中的重要组成成分，
香兰素是世界上使用最广的增香剂，已被广泛应用于冰淇淋、饮料、巧克力、糖果、布丁、焙烤食品以及酒类、香烟等食品工业中。，目前主要用于香兰素生产的化学合成法存在许多弊端，采用植物组织培养生产香兰素受到了广泛的关注。研究表明，在香荚豆中的香味成分主要是内源糖苷前体在成熟过程中通过氧化酶的作用而形成的，在组织细胞产香成分的培养过程中，一些关键的酶，如葡萄糖苷酶、多酚氧化酶、过氧化酶的活性都在培养末期达到最高，而且，不同组织器官的细胞培养产生次生代谢物的合成能力有所不同。在香荚兰胚部组织中香兰素生物合成能力最强。通过建立细胞悬浮培养及采用吸附剂如极性(亲水性)树脂或木炭，能够促进产量的提高[3]。美国已经开始采用植物愈伤组织培养技术生产香兰素添加剂，生产成本比化学合成低很多。它是通过建立细胞悬浮培养物以及采取吸附剂来促进产量的提高。 3.花青素
花青素广泛存在于各种植物物种中，主要集中于花，花尊及果实部分，呈现粉
红、红、紫及蓝色，用作食品添加剂可获得诱人的自然的红色。随着国际社会对健康的重视，很多合成色素因使用安全问题被禁用，低毒性的天然花青素就有着巨大的应用潜力。在1987年与1989年Iiker和Francis建议将植物细胞培养的天然花青素产品制品作为合成花青素的替代产品。有许多厂家和研究机构从事从各种植物细胞中生产天然色素的生产研究，并取得很大的进展。Harigae Yasushi用选择可见高产细胞团的方法，在MS培养基上挑选出繁殖快的高产花青素葡萄细胞系，在30L的小型发酵罐中培养，粗花青素产率达到0.3% ；Kobayashi，Yashinori等在光照条件下悬浮培养花青素的土当归细胞，在SOOL发酵罐中培养16d收获细胞，细胞重量增加26倍，花青素产量5倍，占细胞干重的17.2%。随着研究工作的进一步深人，植物细胞培养花青素将进人工业化阶段。目前已有报道的能生产花青素的植物有：大戟属、翠菊属、甜生豆、矢车菊属、玫瑰花、紫菊属、苹果、葡萄、胡罗卜、野生胡罗卜、葡萄藤、土当归、商陆、筋骨草属、靶苔属等。报道过的能用植物细胞培养生产的色素有胡罗卜素、叶黄素、单黄酮体等。 三、在化妆品方面的应用
植物的次生代谢产物是化妆品原料的重要来源，在美国CTFA (美国化妆品盥洗用品和香精协会)化妆品原料手册和日本功能性化妆品原料手册中选用的植物提取物及代谢产物的数量都占有较大比例。紫草提取物在化妆品中用作收敛剂， 1983
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