植物次生代谢产物生产
植物次生代谢产物简介
植物次生代谢产物简介董妍玲 潘学武(华中科技大学生命科学与技术学院生物技术研究所武汉430074) 摘要 阐述了植物次生代谢产物的基本概念、主要功能、主要类型和生成次生代谢产物的主要途径,最后简单介绍了植物细胞大规模培养法生产有用次生代谢产物的现状。
关键词 初生代谢 次生代谢 次生物质 细胞培养1 植物次生代谢产物的概念绿色植物及藻类因为有叶绿素,可以通过光合作用将二氧化碳和水转化成糖类,并放出氧气,生成的糖则进一步通过不同途径(如磷酸戊糖途径,糖降解途径,三羧酸循环),产生核酸合成的原料如核糖等,脂类合成的原料如丙二酸单酰辅酶A(m almyl CoA)等,并通过固氮反应得到一系列的氨基酸(为合成肽和蛋白质的重要原料)。
上述过程因为对维持植物生命活动过程来说是不可缺少的,且几乎存在于所有的绿色植物中,故习惯上称为初生代谢(primary metabolism)。
糖、蛋白质、脂类和核酸等这些对植物有机体生命活动来说是不可缺少的物质,称为初生代谢产物(primary metabo lites)。
植物,尤其是高等植物,除了含有上述初生代谢产物外,还含有丰富的小分子有机化合物,这些化合物有自己独特的代谢途径,通常是由初生代谢派生而来。
1891年,K ossel明确提出了植物次生代谢(secondary metabo lism)的概念。
与初生代谢产物相比,植物次生代谢产物(secondar y metabolit es)是指植物体中一大类并非生长发育所必需的小分子有机化合物,其产生和分布通常有种属、器官、组织和生长发育期的特异性。
少数小分子有机物在代谢途径上与次生产物比较相似,但具有明显的生理功能,因而不把它们视为次生代谢产物,如萜类成分赤霉素、脱落酸、均为植物激素,另如胡萝卜素为光合作用所必需。
随着研究的深入,植物次生代谢的概念有待进一步发展。
2 植物次生代谢产物的主要功能2.1 次生代谢产物的生态意义 次生代谢是植物在长期进化过程中对生态环境适应的结果,许多植物在受到病原微生物浸染后,产生并积累次生代谢产物,用以增强自身的抵抗力,这样的小分子物质称为植保素(phy toalex in)。
植物次生代谢产物的生产技术及工艺进展
植物次生代谢产物的生产技术及工艺进展植物次生代谢产物是植物生命活动中的重要组成部分,在生态系统中发挥着重要的作用。
它们除了在自己的生长中起到重要的作用外,还有很多药用价值。
其中有一些物质已经被广泛地用于医药、香料、染料、高级材料等领域。
然而,由于各种因素的制约,植物次生代谢产物的生产一直是相对困难的。
接下来,我会就植物次生代谢产物的生产技术及工艺进展这一话题进行探讨。
一、植物次生代谢产物的生产技术大体分类生产一直是植物次生代谢产物生产的难点。
在过去,传统的化学合成方法被认为是主要的生产途径。
然而,这种方法的成本较高,且仅适用于某些化学物质的生产。
现在,人们发现通过细胞培养建立起的次生代谢产物生产系统是一种新的方法。
这种方法借助植物本身的代谢机制,可以建立高效、连续、大规模的生产系统,从而大大提高了生产效率。
接下来,我们将对这两种方法进行简单的介绍。
1.1 传统的化学合成方法传统的化学合成方法是指通过人工合成的方式,在实验室中根据物质结构和反应机理对物质进行合成。
和传统的制药行业一样,这种方法也存在许多缺陷。
首先,植物次生代谢产物的化学结构较为复杂,需要很多繁琐的反应步骤,耗时耗力,且合成的产物纯度较低。
其次,这种方法长期以来忽视了环境和生态等方面问题,不利于现代可持续发展的趋势。
1.2 细胞培养方法细胞培养技术是指在体外培养细胞,利用细胞本身的基因信息和代谢途径来合成目标产品。
细胞培养技术具有高效、连续、规模化生产、高纯度、低成本等优点。
尤其在植物次生代谢产物生产领域已经得到广泛应用,成为一种主要的生产方式。
现有的细胞培养方式大致分为固定化细胞培养、悬浮细胞培养、和器官培养三类。
二、植物次生代谢产物的生产工艺进展近年来,随着生物技术的不断发展,植物次生代谢产物的生产效率有了很大的提高。
这里,我们将分别从遗传工程、代谢工程、转化工程、预处理工程和精制工程等方面来介绍植物次生代谢产物生产的几项技术进展。
植物次生代谢物的生物合成途径分析
植物次生代谢物的生物合成途径分析植物次生代谢物是指植物内部不参与生长、发育和繁殖的产物。
它们通常具有重要的药理活性,因此常用于制药和化妆品等领域。
而这些次生代谢物的生物合成途径,则是近年来植物化学研究的一个热门话题。
植物次生代谢物的生物合成途径受多种因素影响。
例如,植物所处的环境、生长的地域、生长时期等都会影响植物次生代谢物的种类和含量。
此外,植物的基因组组成也会影响植物次生代谢物的生物合成途径。
因为每种植物的基因组都有所不同,所以即使同种植物,它们所生产的次生代谢物也会有差异。
从生物合成途径分类,可以将植物次生代谢物分为两种类型:酚酸类物质和多元酮类物质。
酚酸类物质的生物合成途径,通常是通过糖代谢途径和三羧酸循环进行的。
这种生物合成途径又分为“香草酸途径”和“苯丙氨酸途径”两种。
其中,“香草酸途径”被广泛应用于香料和调味剂的生产,如香草、肉桂、丁香、茴香和草果等。
而“苯丙氨酸途径”则用于生产各种多酚类物质,例如花青素、类黄酮和异黄酮等。
多元酮类物质的生物合成途径则是通过甾体生物合成途径进行的。
这种生物合成途径是植物次生代谢物生物合成途径中比较重要的一种,它包括多个反应步骤和中间体,通常需要多个酶协同作用。
这种生物合成途径被广泛应用于生物制剂中,例如激素、生长素和皂苷等化合物。
从定量角度来看,植物次生代谢物的生成量,往往受到环境因素的影响。
例如,在某些水稻品种中,不同品种的次生代谢物含量存在巨大的差异。
目前,研究者已在已有的基础上,对植物次生代谢物完整的生成途径进行了模拟。
这种方法不仅可以预测植物次生代谢物的生成量,还可以为相关品种的优化育种提供理论支持。
总之,植物次生代谢物的生成途径是一个充满挑战和发展机会的领域。
通过对生物合成途径的研究,可以进一步探索植物的生长规律,提高植物次生代谢物的生成效率,为药物和化妆品等领域的发展提供更多的可能性。
次生代谢产物
1~2
植物细胞培养
3周
14
Examples of enhancement in natural product yield in selected cell lines compare with parent plant material. (After Fowler, 1983)
Chemical product plant Cell yield (% DW) Whole Ratio cell plant yield / yield (% DW) whole plant 0.1 2.1 2.2 3.0 0.3 0.5 2.0 10 2 8 9 7 3 2
外植体的选择
不同外植体的愈伤组织诱导能力和诱导 的愈伤组织合成次级代谢产物能力均不 同 ,所以 ,在利用植物细胞悬浮培养生 产次生代谢产物时 ,选择能诱导出疏松 易碎 ,生长快速且具有较高次生代谢产 物合成能力的愈伤组织的外植体是非常 重要的。 如在茜草愈伤组织培养过程中 ,来源于 叶柄和茎的愈伤组织蒽醌累积量比来源 于茎尖和叶的愈伤组织高。
然而
随着人们对植物资源尤其是药用植物的利 用度日益增加,使不少植物资源处于濒危 状态。面对着植物有限的蕴藏量,如何进 行合理有效地开发利用是我们亟待解决的 问题。 自从20世纪50年代提出用植物细胞大量培 养作为工业化生产植物次生代谢产物的一 条途径以来,实践表明,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。
Glutathione Nicotine Anthraquinones Rosmarinic acid Ajmalicine SErpentine Diosgenin
N. tabacum N. tabacum M.citrifolia C. blumei C.roseus C. roseus D.deltoidea
【生物技术】第五讲(3)植物代谢产物的生产
2 植物细胞规模化培养体系的建立 2.1 种子细胞的选择
(1)准确选择能产生目的化合物的植物种类; )准确选择能产生目的化合物的植物种类; (2)尽量选择自然状态下产生天然产物的组织器官 ) 为外植体; 为外植体; (3)高产种子细胞克隆的方法:单细胞培养后, (3)高产种子细胞克隆的方法:单细胞培养后,将 高产种子细胞克隆的方法 单细胞扩增形成的愈伤组织分2份 单细胞扩增形成的愈伤组织分 份,1份成分含 份成分含 量分析, 份保留培养. 量分析,另1份保留培养. 份保留培养
长春花碱 治疗白血病 奎宁 致热素 毛地黄 治疗疟疾 杀虫剂 心脏病药
植物细胞大规模培养的技术要求: 植物细胞大规模培养的技术要求:
从工程的角度讲必须要进一步研究和开 发适宜于植物细胞生长和次生代谢产物生产 的生物反应器,建立最佳的控制和调节系统. 的生物反应器,建立最佳的控制和调节系统.
从细胞生长与培养技术方面讲必须满
4 利用细胞培养生产有用物质
4.1 利用细胞培养生产有用物质的一般程序 4.1 (1)选材 应注意以下条件: 应注意以下条件: 药效肯定; ①药效肯定; 对其有效成分有充分的了解; ②对其有效成分有充分的了解; 有测定有效成分和药理的可靠方法; ③有测定有效成分和药理的可靠方法; 市场短缺或价格昂贵; ④市场短缺或价格昂贵; 取有药效成分的部位, ⑤取有药效成分的部位,且该部位较 易形成愈伤组织. 易形成愈伤组织.
筛选出的高效, 高产细胞株系, 筛选出的高效 , 高产细胞株系 , 有 的植物细胞系其高效, 的植物细胞系其高效 , 高产性能稳定 多年, 但有的植物细胞系不稳定, 多年 , 但有的植物细胞系不稳定 , 因 此 , 还需要定期检测 , 更新细胞株系 . 还需要定期检测, 更新细胞株系.
植物次生代谢产物合成途径的分子机制
植物次生代谢产物合成途径的分子机制植物次生代谢产物是植物体内不参与生长和发育、光合作用、呼吸和物质转运的化合物,它们大多数是含氮、含氧、含硫或含酸的可挥发或不挥发有机化合物。
植物次生代谢产物具有多种生物活性,如抗氧化、抗菌、消炎、抗癌、防蚊、吸引昆虫、保护植物等活性,是抗病害性能、香味、色彩和药用价值的来源。
植物次生代谢产物的合成受到多个因素的调控,包括生物、生理、环境和遗传等因素。
其中最关键的是激素和基因调控。
激素调控通过激素信号途径和转录因子的参与来促进或抑制次生代谢产物的合成。
基因调控通过调节转录因子和调节元件的参与来调节次生代谢产物合成的基因表达水平。
植物次生代谢产物合成途径的分子机制主要有以下几种:1. 植物酚氧化酶通路植物酚氧化酶(PO)是参与植物嫁接、切口愈合和木材硬化等过程的关键酶。
PO 催化多酚类物质的氧化反应,使其发生氧化聚合,并形成大分子化合物。
PO参与多酚类物质的聚合反应,生成花青素和类黄酮等次生代谢产物。
PO通路的产物包括儿茶酚、花青素、黄酮类、暗紫色素和信号分子等。
2. 多酚类代谢途径多酚类化合物是一类重要的次生代谢产物,包括花青素、儿茶素和类黄酮等。
多酚类代谢途径包括酚酸途径和乙酰化途径两个部分。
酚酸途径的主要产物是花青素和类黄酮,乙酰化途径的主要产物是儿茶素。
多酚类代谢途径的合成依赖于多酚类祖先物质、PO酶和乙酰化酶等酶的参与。
3. 萜类化合物代谢途径萜类化合物是一类广泛存在于植物中的次生代谢产物,包括萜烯类、三萜类和四萜类等。
萜类化合物代谢途径包括异戊烷酸途径和甲基异戊烷酸途径两个部分。
异戊烷酸途径的主要产物是萜烯类和三萜类,甲基异戊烷酸途径的主要产物是四萜类。
萜类化合物的合成依赖于异戊烷酸脱氢酶、三萜醇合酶和四萜合酶等酶的参与。
4. 黑曲霉素途径黑曲霉素途径是一条参与生产丰富的次生代谢产物的途径。
黑曲霉素被广泛应用于医学、农业和食品等领域。
在该途径中,黑曲霉素由腺苷酸往复转移酶(AdoHcy转移酶)和甲基转移酶等酶参与,在新开发产物方面得到了广泛应用。
植物次生代谢通路
植物次生代谢通路植物次生代谢是指植物在生长发育过程中,除了进行基本的生物合成以外,还合成一些与生长发育无直接关系的化合物。
这些化合物通常具有特定的生物活性,能够帮助植物适应环境的变化、抵御外界的伤害以及吸引传粉者等。
植物次生代谢通路是指植物合成这些次生代谢产物的一系列化学反应步骤。
植物次生代谢通路可以分为三大类:异烟酸途径、黄酮途径和生物碱途径。
1. 异烟酸途径异烟酸途径是植物合成维生素B3(烟酸和烟酰胺)的重要途径。
这个途径的起始物质是鸟嘌呤核苷酸(NAD+和NADP+),经过一系列的反应,最终合成烟酸和烟酰胺。
异烟酸在植物中具有抗氧化、抗逆境和抗病等多种生物活性,对植物的生长发育和适应环境起着重要作用。
2. 黄酮途径黄酮途径是植物合成黄酮类化合物的途径。
黄酮类化合物是一类具有广泛生物活性的次生代谢产物,包括黄酮、异黄酮、黄酮醇等。
在植物中,黄酮类化合物参与植物的防御机制、抗氧化反应以及花色的形成等。
黄酮途径的起始物质是苯丙氨酸,经过一系列酶催化反应,最终合成黄酮类化合物。
3. 生物碱途径生物碱途径是植物合成生物碱类化合物的途径。
生物碱是一类具有广泛生物活性的次生代谢产物,包括吗啡、生物碱生物碱、生物碱生物碱等。
在植物中,生物碱起到防御捕食者、抗逆境和抗病等多种生物活性。
生物碱途径的起始物质是酪氨酸,经过一系列酶催化反应,最终合成生物碱类化合物。
总结起来,植物次生代谢通路是植物合成一些与生长发育无直接关系的化合物的途径。
这些化合物具有特定的生物活性,能够帮助植物适应环境的变化、抵御外界的伤害以及吸引传粉者等。
植物次生代谢通路可以分为异烟酸途径、黄酮途径和生物碱途径,每个途径都有特定的起始物质和一系列酶催化反应。
研究植物次生代谢通路有助于我们深入了解植物的生长发育和适应机制,为植物的应用研究提供理论指导和技术支持。
植物次生代谢产物的分离与纯化
植物次生代谢产物的分离与纯化植物次生代谢产物是植物自身为了适应环境、保护自身和与其他生物进行互动而产生的化学物质。
其中有些具有生物活性,如药用成分、抗氧化剂和天然色素等。
因此,研究植物次生代谢产物的分离与纯化具有重要的意义。
植物次生代谢产物的分离植物材料中含有不同种类的次生代谢产物,因此需要使用特定的实验方法将其分离出来。
分离方法通常包括提取、分配、分离和纯化过程。
提取过程是将植物中的次生代谢产物从材料中转移到溶剂中的过程。
常见的提取剂有乙醇、丙酮、乙酸乙酯、苯和氯仿等。
对于粗提取物,需要通过浓缩和洗涤等处理来减少杂质的干扰。
分配过程是将粗提取物可溶的组分分配到不同的相中,以实现对组分的选择性分离。
通常使用的分配剂有正庚烷、正丁醇、丙酮和乙醇等。
常用的方法有萃取、分液、萃取柱和薄层色谱等。
分离过程是指将混合物中的目标组分在一定条件下从其他组分中分离出来。
分离方法主要包括柱层析、逆向高效液相色谱、气相色谱、超高压液相色谱和电泳等。
其中,柱层析是植物次生代谢产物分离中最常用的方法之一,根据不同的分离原理和特点,可以分为Gel层析、分配层析和大小排阻等。
逆向高效液相色谱是一种在高压下进行的液相色谱技术,具有分离效率高、分离范围广等特点。
气相色谱和超高压液相色谱能够快速分离高纯度的次生代谢产物,并可以进行结构分析。
纯化过程是指将收集的目标组分进行纯化,以得到高纯度的次生代谢产物。
纯化方法主要包括重结晶法、溶剂萃取法和石油醚再结晶法等。
纯化过程对于分子量较小的次生代谢产物比较易于实现,对于较大分子量的次生代谢产物则需要经过多个分离和纯化过程,成本较高。
植物次生代谢产物的纯化植物次生代谢产物的纯化过程是一项非常繁琐的工作,但其应用价值很高。
纯化过程是在经过分离后,通过物理或化学的方法,将目标组分从混合物中得到,以达到高纯度和高质量的目的。
植物次生代谢产物的纯化过程中,可以借助各种色谱技术。
其中,分子筛层析、紫外吸收和荧光检测等技术可用于检测和确定目标化合物的位置和分离性。
第五章 植物细胞培养及次生代谢产物生产
产物产量:每升培养基生产的产物量(mg)。
悬浮培养细胞的同步化
1、分选法 梯度离心;Ficoll;流式细胞仪 2、饥饿法 3、抑制剂法 FdU,HU 4、低温处理 低温处理抑制细胞分裂,再把温度提高到正常的
培养温度,也可达到部分同步化。
第二节 单细胞培养
1、平板培养(plating culture):将一定密度 悬浮细胞接种到一薄层固体培养基中进 行培养的技术。
2、看护培养(nurse culture) 3、微室培养(micro-chamber culture) 4、其它:饲养层培养技术、双层滤纸植板
培养技术
第三节 植物细胞的规模培养
20%左右的药物由植物衍生 已有30多种化合物在培养物中积累接近或超
前体及诱导子的作用
• 前体作用:细胞培养物中加入前体,可 减弱限速酶作用,促进次生代谢物生产。
• 诱导子(elicitor):一类能引起植物细胞代 谢强度改变或代谢途径改变的物质,主 要指生物来源的化合物,如寡糖、多糖 等。
常用诱导子:真菌诱导子、茉莉酸及其甲 酯、水杨酸等。
培养物最佳转移时间和采收时间
20世纪50年代—— 德、美、英、加拿大 由烟草、蔬菜细胞培养开始,80年代后集 中于药用植物的组培、药用成分的研究。
日本:80年代末,Nitto Denko公司在20kl生物反 应器中实现紫草和人参的大规模细胞培养,以 获得紫草素和人参皂苷,首先作为天然食品添 加剂进入市场。
国内研究成果
国内研究集中于药用植物 20世纪60年代,罗士韦首先开展人参的组培。 1980年起,植物所叶和春主持国家攻关植物
悬浮细胞系的建立
成功的悬浮细胞系: 1、悬浮培养物分散性良好,细胞团较小。 2、均一性好:细胞形状和细胞团大小大致
植物次生代谢产物的生产和利用
植物次生代谢产物的生产和利用植物次生代谢产物是指植物在生长发育或适应环境中,由非营养性物质合成的化合物。
这些化合物具有多种生物活性,包括药用、香料、染料、抗氧化剂等,是植物中最具活性和最具挑战性的化合物之一。
本文主要介绍植物次生代谢产物的生产和利用。
一、植物次生代谢产物的生产植物次生代谢产物的生产受到多种因素的影响,包括生理因素、环境因素和基因因素等。
其中,环境因素是影响植物次生代谢产物生产的重要因素之一。
例如,植物在光照强度、温度、湿度、气候等环境因素发生变化时,会对其次生代谢产物的数量和品质产生影响。
另一个影响植物次生代谢产物生产的因素是基因。
最近几年的研究表明,在基因水平上对植物次生代谢产物进行调控也十分重要。
例如,通过转化工程,可以使植物产生更多或更优质的某种次生代谢产物,从而使得这些植物更适合于药用、香料等领域的应用。
而对于植物次生代谢产物的生产,选择适当的植物品种也至关重要。
每种植物都有其次生代谢产物的生产数量和品质的特点,在选择植物品种时,必须根据产品性质和市场需求进行选择。
同时,也要考虑到植物的生长特性,例如生长周期、产量和适应性等方面。
二、植物次生代谢产物的利用植物次生代谢产物在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域:1. 药用领域植物药是一种重要的药物来源。
可以说,在人类医学历程中,大量的植物次生代谢产物已经被用于治疗各种疾病。
例如,黄芩中的黄芩苷、黄芩素等成分可以抗菌、抗病毒、镇痛、抗炎、抗氧化等。
而中草药的应用更是十分广泛,包括治疗心血管、消化系统、神经系统等疾病。
因此,植物次生代谢产物在药用领域有着非常重要的应用价值。
2. 食品添加剂和香料植物次生代谢产物在食品添加剂和香料领域也有着广泛的应用,例如香菜中的芳樟醇、桂皮中的肉桂醛等成分可以用于食品调味。
这些成分的作用是赋予食品特殊的味道和香气,增加食品的美味度和口感。
3. 日化品领域在日化品领域,植物次生代谢产物也有着重要的应用。
高中生物精品资源第四章 植物细胞培养与次生代谢产物的生产课件高中生物竞赛
的速度蓬勃发展。
药用植物及其制成保健食品、化妆品等每年进,药用植物细胞大量培养技术正成为 国际上名贵珍稀天然药物开发的新目标,目前已经从400多种植物建立了组 织和细胞培养体系,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
玫瑰鲜花在清晨摘下后24小时内即取出黄褐色的玫瑰精油,大约五吨 重的花朵只能提炼出两磅的玫瑰油,所以是全世界最贵的精油之一
茉莉精油被称为“精油之王”。茉莉精油产量 极少因而十分昂贵,其具有高雅气味,可舒缓 郁闷情绪、振奋精神、提升自信心,同时可护 理和善肌肤干燥、缺水、过油及敏感的状况, 淡化妊娠纹与疤痕,增加皮肤弹性,让肌肤倍 感柔嫩。
悬浮培养基本分为:分批式、流加式、连续式、半连续式培养
1)分批培养(batch culture) 是指在培养过程中,既不向系统中补加培养基, 也不从系统中排出培养物(包括培养基和细胞),也就是说一次性加入培养 基,在一定条件下培养一段时间后,一次性收获。
国内外细胞培养的研究进展
1)重点放在细胞培养上(过去) 细胞培养的优点是生物量生长快,但也有次生代谢产物的含量不稳定
和不易与大田栽培接轨等明显的缺点。
2)植物组织和器官培养具有更重要的意义。
初级代谢物、次生代谢物对细胞、植物的意义 植物合成次生代谢产物的目的是其自身生理代谢的需要,在细胞阶段,往往不 需要合成,但到了组织和器官阶段,合成的需要就会加强。因此,培养药用植 物的组织和器官,更容易获得次生代谢产物。
第四章 植物组织培养生产次生代谢产物
一、植物组织培养生产次生代谢物质的目的意义 二、植物细胞培养生产次生代谢产物
植物次生代谢产物生产
4.3 前体饲喂
前体指处于目标代谢物代谢途径中上游的物质。上游化合 物作为酶的底物,其浓度高低决定了催化反应速度的大小 ,浓度高则反应速度大。加入前体可以消除关键酶的阻碍 或阻断内源性中间体的分隔和有效贮存,利于次生代谢物 的生产。
• 向银杏培养基中添加异戊二烯等前体物质, 有效地提高了 银杏内酯B 的产量.
产品
阿马碱 阿吗灵 喜树碱 可待因 秋水仙碱
玫瑰树碱
吗啡 紫草素 紫杉醇 长春花碱 长春新碱
用途
降压药 抗疟疾 抗肿瘤 镇定剂 抗肿瘤
抗肿瘤
镇静剂 抗菌 抗癌
抗白血病 抗白血病
植物种类
长春花 蛇根萝芙木
喜树 罂粟 秋水仙
Orchrosia elliptica
罂粟 紫草根 短叶红豆杉 长春花 长春花
价格(美元/kg)
• 解决植物细胞培养生产次生代谢物含量低的最有效的手段之一是 筛选高产细胞株。用来筛选的细胞来源可以是有足够生理和形态 异质性的细胞群,也可以是通过物理或化学因子诱变处理产生的 突变体群。
• 筛选方法:目测法,放射免疫法、酶联免疫法、流动细胞测定法、 琼脂小块法等。
转基因技术
目前, 使用转基因技术中的稳定表达系统和瞬时表达系统, 生 产出带有目的基因的高产细胞系, 然后进行大量筛选, 可 获得能生产特定次生代谢产物的目的细胞系.
pH值:植物细胞培养的最适宜pH 值在5-6 之间,但也存在
差异。研究表明,南方红豆杉( Tax us chinensis ) 的愈伤组 织生长及紫杉醇的含量受pH 值的影响较大,pH 5.5 对愈 伤组织生最为有利,达接种量的3.84 倍,但紫杉醇的含量 较 低,pH 7.0 时,愈伤组织的生长量仅为接种量2.80倍,而 紫杉醇含量却达pH 5.5 时的2 倍多。
植物细胞培养生产次生代谢产物及其应用前景
植物细胞培养的基本过程
植物细胞培养技术的特点
• 与其它的方法相比,应用植物细胞培养技术生产次生代谢 产物爨有以下优点:(1)能够保证产物在一个限定的生产系 统中连续、均匀生产,不受病虫害、地理和季节等各种环 境因素的影响;(2)可以在生物反应器中进行大规模培养, 并通过控制环境条件得到超过整株植物产量的代谢产物; (3)所获得的产物可从培养体系内直接提取,并快速、高效 的回收与利用,简化了分离与纯化的步骤;(4)有利于细胞 筛选、生物转化,合成新的有效成分[2]。;(5)有利于研 究植物的代谢途径,还可以利用某些基因工程手段探索与 创造薪的合成路线,得到价值更高的产品;(6)节省大量用 于种植原料的农田,以便进行粮食作物的生产。
什么是植物组织培养 植物细胞培养是将离体的植物器官、组织或细 胞,在培养了一段时间后,会通过细胞分裂, 形成愈伤组织。由高度分化的植物器官、组织 或细胞产生愈伤组织的过程,称为植物细胞的 脱分化,或者叫做去分化。脱分化产生的愈伤 组织继续进行培养,又可以重新分化成根或芽 等器官,这个过程叫做再分化。再分化形成的 试管苗,移栽到地里,可以发育成完整的植物 体。依据的原理是植物细胞的全能性 .
• 20世纪70年代以后,该技术有所发展,利用植物细胞工程技术生产一 些药用有效成分在工业上获得成功,据20世纪80年代末期的统计,当 时全世界有40多种植物的细胞培养工程研究获得成功,部分悬浮细胞 培养体系中次生物质的产量达到或超过整体植株的产量,有些药用植 物的研究达到中试水平,其中利用紫草悬浮细胞培养生产紫草宁的成 功令人瞩目[5]。1984年日本的Mitsui公司利用紫草生产紫草宁规模达 到750 L,产物最终浓度达到1400 mg/L。
植物细胞培养技术生产此生代谢产 物的发展
植物次生代谢产物的生物合成途径探究
植物次生代谢产物的生物合成途径探究植物以其多样的形态、色彩和香味吸引了人们的注意力。
这些特征都与植物的次生代谢产物有关。
植物次生代谢产物是植物在生长发育过程中,不参与生命维持的基础代谢过程,而进行的物质转化和生物合成代谢产物。
植物次生代谢产物的生物合成途径为植物提供了广泛的适应性,使其在不同的生态和生物环境中得以生存。
本文旨在介绍植物次生代谢产物的分类和生物合成途径。
1. 植物次生代谢产物的分类植物次生代谢产物可分为两类:非芳香族产物和芳香族产物。
非芳香族产物通常由单糖、双糖、三糖或斯达林类(spontaneol)等简单的化合物组成,主要作用是存储能量和结构支持。
例如淀粉、蛋白、纤维素等。
芳香族产物则以芳香环为基础,通常具有芳香族的气味和颜色。
它们具有多种生物活性,包括抗氧化、抗菌、抗病毒、抗癌等。
在药物和化妆品生产中,广泛用于制造香料、色素和药用植物提取物。
在芳香族产物中,又可以进一步分为色素、生物碱、酚类、醛类、羧酸和萜类等几类。
2. 植物次生代谢产物的生物合成途径植物次生代谢产物的生物合成过程不同于基础代谢过程,而是特定的代谢途径。
通常依赖于一些关键酶的催化作用和特定的物理环境。
这些酶受到基因表达的调控和环境适应的影响,反映了植物与环境的相互作用。
2.1 色素的生物合成途径色素是一类具有芳香族结构的染料,通常可分为类胡萝卜素、叶绿素、花青素、类黄酮和苯丙酮等几种。
它们在植物体内起到重要的生理和生化作用。
下面以叶绿素为例,介绍色素合成途径。
叶绿素是一种类似于血红蛋白的色素,是植物中进行光合作用的必须物质。
其生物合成途径涉及多个酶催化反应。
在光合色素的合成过程中,植物叶绿体中的多个蛋白质和酶起到了关键作用。
首先,蛋白花青素酸合成酶(pheophorbide a oxygenase) 通过向植物体内输入辅助物质magnesium来帮助叶绿素的前体钻草素(magnesium protoporphyrin)的合成。
植物细胞培养及次生产物代谢生产
细胞固定化培养技术按照其支持物不 同可以分为两大类:
包埋式固定化培养系统:支持物多采 用琼脂、琼脂糖、藻酸盐、聚丙烯酰胺等 ;
附着式固定化培养系统:支持物采用 尼龙网、聚氨酯泡沫、中空纤维等材料。
(四)、利用细胞培养生产有用物质
第四章
植物细胞培养及次生产物代谢生产
一、悬浮培养
二、单细胞培养 三、植物细胞的规模化培养及有
用物质生产
一、悬浮培养(cell suspension culture)
悬浮培养是细胞培养的基本方法,是将单个 游离细胞或小细胞团在液体培养基进行培养增殖 的技术。
1、愈伤组织诱导
要求:松散性好,增殖快,再生能力强。其外 观一般是鲜艳的乳白或淡黄色,呈细小颗粒状, 松散易碎。
Circulation through an external loop
旋转式培养系统 一般用于产品中试或某些必需裂解细
胞才能获得目的产物的培养,其优点是控制 精确,处理灵活,缺点是培养体积较小。
②固定化培养系统
这一技术的优点在于: 可以较容易地控制培养系统的理化环境,从而可以研
究特定的代谢途径,并便于调节; 细胞位置的固定使其所处的环境类似于在植物体中所
平板培养中细胞密度和培养基成分是培养成功的关键,而细胞密度 和培养基成分互相依赖(负相关)。
2、看护培养
看护培养(nurse culture):是由Muir1954年设计的。
操作方法: 在固体培养基上置入一块 活跃生长的愈组织,再在愈 伤组织上放一小片滤纸,待 滤纸湿润后将细胞接种于滤 纸上。当培养细胞长出微小 细胞团以后,将其直接转至 琼脂培养基上让其 迅速生长
提高植物细胞培养中次生代谢产物产量的方法
植物细胞培养技术是近年来备受关注的研究领域,它可以为医药、农业和工业等领域提供大量的天然产物。
而在植物细胞培养中,次生代谢产物的产量一直是一个重要的研究课题。
那么,如何提高植物细胞培养中次生代谢产物的产量呢?本文将从不同角度探讨这一问题。
1. 优化培养基配方培养基是植物细胞培养中至关重要的因素之一,它直接影响着细胞的生长和代谢产物的合成。
通过优化培养基的配方,可以提高细胞的生长速度和产物的产量。
添加适量的植物生长调节物质、有机氮源和微量元素等,可以促进植物细胞的生长和次生代谢产物的合成。
2. 生物反应器的选择生物反应器对于植物细胞培养中产物产量的影响也非常重要。
不同类型的生物反应器具有不同的气液传质性能和培养条件控制性能,选择合适的生物反应器能够提高细胞的生长速度和产物的产量。
旋转式生物反应器可以提供良好的气液传质性能,有利于细胞的生长和代谢产物的合成。
3. 基因工程技术利用基因工程技术可以改变植物细胞的代谢途径,提高次生代谢产物的产量。
通过转基因技术引入相关基因,可以增加代谢途径的通量,促进次生代谢产物的合成。
利用基因沉默技术也可以抑制竞争性代谢途径,增加目标产物的积累。
总结回顾:提高植物细胞培养中次生代谢产物的产量是一个复杂而又具有挑战性的问题,需要综合考虑培养条件、生物工程技术等多个因素。
优化培养基配方、选择合适的生物反应器和利用基因工程技术是提高产物产量的重要途径。
未来,随着科学技术的不断发展,相信我们能找到更多有效的方法来解决这一问题。
个人观点:我认为,提高植物细胞培养中次生代谢产物的产量是一个持续而又有意义的研究领域。
通过不断探索和创新,我们可以为人类社会提供更多天然产物,推动生物技术领域的发展。
希望未来能有更多的科研人员投入到这一领域,共同解决这一挑战。
植物细胞培养技术的研究在近年来得到了巨大的关注和发展。
通过这项技术,研究人员可以利用植物细胞生长的特性来合成大量的次生代谢产物,这些产物对医药、农业和工业领域具有重要的应用前景。
次生代谢产物的挖掘方法
次生代谢产物的挖掘方法
次生代谢产物的挖掘方法主要包括以下几种:
1. 浸提法:使用水、酒精、丙酮等有机溶剂进行提取,浸提的时间长短、溶剂的使用量和浸提温度的控制是关键。
此法优点是提取物纯度高,但缺点是浸提时间长,提取效率低。
2. 常规提取法:将生鲜草本植物经过切碎、研磨、筛选等步骤后,采用溶剂提取法将其中的次生代谢产物提取出来。
常用的溶剂包括乙醇、乙酸乙酯、正丙醇、丙酮、水等。
这种方法对于固体植物材料的提取适用性非常广泛,操作简单,提取效率相对较高,但可能会因为多种原因造成一定程度的损失。
3. 微波提取法:将植物材料与适当的溶剂混合物放在微波设备中进行加热,使次生代谢产物在较短时间内快速地被提取。
这种方法具有时间短、操作简单、提取效率高的优点,同时也能显著减少使用有机溶剂的量,提高提取的绿色性质。
但是,使用微波辐射提取还需要进一步确定其在高浓度下的稳定性和药物活性。
4. 水蒸气蒸馏法:利用植物花、叶、根等部位所含的香气和易挥发性的物质,采用水蒸气的方式将香气成分挥发出来。
这些方法各有特点,实际操作中可以根据具体需求和条件选择合适的方法。
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4.2 添加诱导子
诱导子,是指能够诱导植物细胞中一个反应,并形成细
胞特征性自身防御反应的分子。 目前使用的激发子可分为两类:
➢非生物诱导子(abiotic elicitor) 辐射、金属离子等。 ➢生物诱导子(biotic elicitor) 生物激发子根据其来源 不同又可分为外源性诱导子(exogenous elicitor)和 内源性诱导子(endogenous elicitor)。外源性激发 子多来源于微生物,包括经处理的有机体如菌丝,或微 生物机体浸提物以及由微生物产生的多糖类、蛋白质类 以及脂肪酸类等。内源激发子是来源于植物结构的化合 物。如降解细胞壁的酶类、细胞壁碎片、寡聚糖以及其 它有机分子。
提高植物细胞培养中次生代谢 产物产量的方法
前言
初生代谢(primary metabolism)是指能使营养物质转换成细
胞结构物质、维持细胞正常的生命活动或能量的代谢,初 生代谢的产物称为初生代谢产物(primary metabolites), 如糖、蛋白质、脂类、核酸等。它们是维持细胞生命活动 所必需的。
接种量:接种量影响次生代谢产物的有效积累, 接种时必须
满足一定的接种量。
4. 化学因素
4.1 培养基成分
培养基的营养成分:一方面要满足植物细胞的生物量 增长,另一方面要使细胞能合成和积累次生产物。
一般来说,增加培养基的N、P和K的浓度能促进细胞生 长,而适当增加糖浓度则有利于次生产物的合成。
生长调节剂的种类、浓度对细胞的生长、分化和次生 产物的合成起着重要的作用。
次生代谢产物(secondary metabolites)是指植物体内的一大
类细胞生命活动或植物生长发育正常运行非必需的小分子 有机化合物,其产生和分布通常具有种属、器官、组织和 生长发育期的特异性,次生产物在植物中的合成与分解过 程称为次生代谢(secondary metabolism) 。
提高次生代提谢高物次的生产代量谢的物方的法产量的方法
产次生代谢产物时, 对光质和光量的要求是不同的, 如玫 瑰茄悬浮细胞合成花青素时, 蓝光是促进玫瑰茄细胞产生 花青素的最有效单色光, 产量为416 mg/ L, 和全色光差 不多, 红光和橙光无效, 其他单色光随其波长接近蓝光, 正 效应增强。
pH值:植物细胞培养的最适宜pH 值在5-6 之间,但也存在
• 向东北红豆杉悬浮细胞体系中加入前体物苯丙氨酸和醋酸 钠,可显著提高紫杉醇含量且在实验范围内, 随前体物浓 度的增加促进作用加强.
添加的前体物种类、浓度和时间对次生代谢产物的影响在 很多细胞培养中也得到体现。
4.4 抑制剂的使用
• 植物次生代谢是多途径的, 是植物体内一系列酶促反应的 结果, 在离体培养条件下有初生物质向次生物质的转化, 也 有次生物质之间的相互转化. 抑制剂可抑制支路代谢和其 它相关次级代谢途径,使代谢过程有利于目的次生代谢物 的产生。
差异。研究表明,南方红豆杉( Tax us chinensis ) 的愈伤组 织生长及紫杉醇的含量受pH 值的影响较大,pH 5.5 对愈 伤组织生最为有利,达接种量的3.84 倍,但紫杉醇的含量 较 低,pH 7.0 时,愈伤组织的生长量仅为接种量2.80倍,而 紫杉醇含量却达pH 5.5 时的2 倍多。
诱导子能增强细胞的呼吸作用, 提供产生次生代谢产物的 能量, 使细胞结构发生变化, 利于代谢物的形成、运输和积累。 目前应用最广、研究最多的是真菌诱导子, 如张长平等在红 豆杉细胞悬浮培养体系中加入真菌诱导子, 结果发现, 紫杉醇 的合成被加强, 产量得到了显著提高。 除真菌诱导子外, 目前在提高植物次生代谢产物方面研究得 较多的还包括寡糖素、茉莉酸类、金属离子和紫外光等.金属 离子作为诱导子主要有Cu2+ 、Ca2+ 、Mg2+等。 孙彬贤等以南方红豆杉悬浮细胞为材料, 在悬浮细胞中加入 茉莉酸甲酯, 紫杉醇含量提高了10倍。
4.3 前体饲喂
前体指处于目标代谢物代谢途径中上游的物质。上游化合 物作为酶的底物,其浓度高低决定了催化反应速度的大小 ,浓度高则反应速度大。加入前体可以消除关键酶的阻碍 或阻断内源性中间体的分隔和有效贮存,利于次生代谢物 的生产。
• 向银杏培养基中添加异戊二烯等前体物质, 有效地提高了 银杏内酯B 的产量.
温度:不同种类的植物细胞培养对温度的要求是不同的, 最
适的温度为25 ℃左右, 超过30 ℃, 对生长有明显的抑制作 用. 较低的温度有利于生物碱的合成, 而高温则会导致次生 代谢产物的合成基本停止。
通气状况:国外学者研究发现: 利用生物反应器培养长春花
细胞生产阿玛碱时, 溶解氧在29%-43% 时,溶解氧与阿玛 碱的产量显著相关。
1.外植体选择 2.高产细胞系选择 3.物理因素:光照、pH、通气、接种量 4.化学因素:培养基种类及激素
诱导剂 前提物质添加 抑制剂添加
1. 外植体选择
首先必须选择能够高效合成目的产物的植物种类。
起始培养材料还应考虑器官和组织特异性,通常选取自 然状态下能够积累次生产物部位的细胞,这样的细胞经 过培养以后常常具有合成目的产物的能力,或比较容易 诱导合成目的产物。
• 解决植物细胞培养生产次生代谢物含量低的最有效的手段之一是 筛选高产细胞株。用来筛选的细胞来源可以是有足够生理和形态 异质性的细胞群,也可以是通过物理或化学因子诱变处理产生的 突变体群。
• 筛选方法:目测法,放射免疫法、酶联免疫法、流动细胞测定法、生代谢产物的合成有重要影响. 不同植物细胞生
➢东北红豆杉幼嫩茎、叶片以及芽三种外植体的愈伤组 织中紫杉醇含量比较显示,以叶片为外植体的愈伤组 织,其紫杉醇含量是其它两种外植体形成的愈伤组织 的3倍。
➢在茜草(Rubia cordifolia)愈伤组织培养中,来源 于叶柄和茎的愈伤组织蒽醌的积累量比来源于茎尖和 叶的愈伤组织高。
2. 高产细胞株的筛选