植物体的次生代谢

Intracellular distribution of seed flavonoids.
2、初生代谢与次生代谢的关系
2、初生代谢与次生代谢的关系
✓次生代谢必须从初生代谢获取原料才能进行，初生
代谢的产物是次生代谢的底物。
✓初生代谢是次生代谢的基础。影响初生代谢的因素，
同样也会影响次生代谢。
✓次生代谢是初生代谢的补充制扩展。次生代谢反应
生物。现在已用基因工程、细胞工程技术生产次生代 谢产物
✓通过分子生物学手段有目的地对代谢途径进行改造，
从而促进或抑制某种或某类化合物的产生即所谓代谢 工程
植物次生代谢调控的生物化学、分子生物学和基 因工程已成了当今国际生物界十分活跃的前沿研究领 域。
The history of secondary product research started about 200 years ago
Secondary Metabolites
Products that are not essential for normal growth and development of plants
Natural products Multiple functions
throughout the plant’s life cycle
德国马普学会新建了化学生态研究所，研究形成 植物/草食性昆虫之间化学相互作用的进化动力；研究 植物重要防卫化合物的生物合成；分子生态研究室， 研究生态上重要的防卫机制的遗传学基础。
植物生理学的四大趋势
➢从生物大分子到复杂生命活动——基因组学和基
因结构与功能研究
➢生命整体性的实现－信号转导
植物激素、病原体和保卫细胞是当前十分活跃的 信号转导研究系统。
（1）从外界获得营养物质 （2）将营养物质转变为自身需
要的大分子前体，进一步 转变为大分子如蛋白质、 核酸、脂类等 （4）提供能量
代谢的分类
➢按性质分：
物质代谢 能量代谢
➢按方向分：
合成或同化 分解或异化
植物的代谢
代谢是生物的主要特征之一，是生命科学研究的重要 内容。 植物通过光合作用捕获光能,通过代谢将简单无机物 转化为复杂有机物,生物圈提供氧气、能量和有机物 质。
一、初生代谢与次生代谢
初(生)级代谢物（primary metabolites） 指存在于所有植物中，植物生长发育所必需的有机物，
包括糖、蛋白质、脂类和核酸等。 合成的重要中间化合物有：
乙酰辅酶A 丙二酸单酰辅酶A 莽草酸 氨基酸
一、初生代谢与次生代谢
植物的次生代谢(secondary metabolism) 从初级代谢途径衍生出来的，只存在于限定的
一种植物对另一种植物的抑制现象叫相克作用。
类萜、酚类和香豆素是高等植物的主要化感物质，生物 碱是较次要的化感物质。
（6）提高植物种间竞争能力
➢如：黑胡桃树产生胡桃醌，会
将其附近的番茄和苜蓿毒杀； 能毒害距离其16ｍ以内的苹果、 茶叶等木本植物和马铃薯、紫 花苜蓿等草本植物，使其无法 生长。
胡桃树叶、皮均能释放出水 溶性的——葡萄糖甙胡桃醌。 这些糖甙被雨雾淋溶到地上， 经土壤微生物作用水解成有 毒性的胡桃醌而杀死树下植 物。
在防御昆虫和植食动物的侵食过程 中,作为阻食剂发挥重要的作用。
➢影响动物体内的激素平衡
➢毒性作用:菊叶和花中含有的单萜
脂拟除虫菊酯是很强的杀虫剂。
➢通过降低植物的适口性或营养价
值起作用：强心甙、生物碱、单宁 使植物有苦味，因而大多数脊椎动 物避开食用它们。
（5）增强抗病性
许多植物在受到病原微生物侵染后，产生并积累小 分子次生代谢产物，增强抗病性。这样的次生代谢物 称为植保素。
这些在植物体内含量不等的化合物均有自己独持 的代谢途径，通常由初生代谢派生而来。
一、初生代谢与次生代谢
✓次级产物贮存在液泡或细胞壁中，是代谢的
最终产物
✓除了极少数之外，大部分不再参加代谢活动 ✓它们的存在使植物体具有一定的色、香、味，
吸引昆虫或动物来和传播种子，亦有防御天 敌的作用。生物碱、黄酮、萜类、蒽醌、香 豆素等
植物科属或种，没有明确的代谢功能，对维持细胞 生命活动不起主要作用的代谢。或次级代谢，二级 代谢。
一、初生代谢与次生代谢
植物次生代谢物（plant secondary metabolites） 是指植物中一大类并非植物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。
Glucosinolates 硫甙
- glucosinolates = mustard oils 芥子油甙
- found in Brassicaceae, the Cabbage family
- are broken down by the enzyme myrosinase to
release defensive substances 芥子酶 黑芥子硫苷酸酶
植物次生代谢调控的生物化 学、分子生物学和基因工程 已成了当今国际生物界十分 活跃的前沿研究领域。
植物不能移动，整个生命活 动须经得起随时出现的恶劣 环境的挑战以及其他生物的 攻击，其主要是我应对策略 是产生能够进行自我保护作 用的次生代谢产物。
Nitrogen-containing secondary metabolites –
✓据不完全统计高等植物能够产生超过20万种不同的
代谢产物。
✓初生代谢产物为人类提供了食物，如各种单分子或
双分子的糖、有机酸、醇、醛、酮、脂肪、氨基酸、 蛋白质、核苷酸、核酸。
✓次生代谢（产物）为人类提供了纤维、木材、药物、
染料、香料，抗氧化剂，天然色素，同时也提供了毒 药。
植物生理学的四大趋势：
进行与否反应速度反过来又影响初生代谢。这是生 物代谢的反馈调节。
3、次生代谢物的种类
根据次生产物的生源途径一般分为三大类：
➢ 酚类化合物 ➢ 萜类化合物
不含氮
➢ 含氮化合物(如生物碱)
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。
次生代谢物的种类
酚类化合物
次
生
代 谢
萜类化合物
物
含氮有机物
4、次生代谢物的主要功能
（1）生长发育调控
赤霉素、脱落酸、CTK、BR等。 酚类物质可促进或抑制IAA的氧化。 芦丁、槲皮素等是IAA氧化酶的抑制 剂可以延缓IAA的分解；香豆酸衍生 物则相反。
（2）提高抗逆性
➢干 旱 、 盐 分 胁 迫 时 ABA
增加而抗逆性提高
➢柠檬醛、肉桂Fra Baidu bibliotek、水杨
酸、没食子酸、古柯碱、 香豆素、ABA、乙烯等 可强迫种子休眠，以度 过不良环境
现在已知21科100种以上的植物产生植物保卫素，豆 科、茄科、锦葵科、菊科和旋花科植物产生的植物保 卫素最多。
90多种植物保卫素的化学结构已被确定，其中多数 为类异黄酮、生物碱和类萜化合物。
（6）提高植物种间竞争能力
植物合成的某些次生代谢物可通过分泌、挥发或淋 溶作用进入环境，对周围其它植物(植株) 产生相生或 相克作用(Allelopathy)，叫植物化感作用。
生物的新陈代谢一般是由初生代谢来完成的
第四节 植物的次生代谢
生物的新陈代谢一般是由初生代谢来完成的，除 初生代谢外，植物还存在从初级代谢途径衍生出来的， 只存在于限定的植物科属或种，被认为没有明确的代 谢功能，对维持细胞生命活动不起主要作用的代谢， 称为植物的次生代谢。
据估计，植物次生代谢产物在10 万种以上，它 们都是由初生代谢途径衍生而来的。
第五章 植物体内同化物运输分配及次生代谢
第四节 植物的次生代谢
主要内容：
一、植物的初生代谢和次生代谢 二、萜类 三、酚类 四、含氮化合物 五、植物次生代谢的基因工程
代谢（metabolism）
是维持生命各种活动过 程中化学变化（包括物 质合成、转化和分解） 的总称。
代谢是生命的源泉，没有代谢不可能有生命。 与生命活动密不可分。
植物生理学的四大趋势
✓在美国植物生物学会组织的“植物生理2000”年会
上就有次生代谢专题，涉及： 植物的次生代谢产物，以及植物次生代谢的分子 生物学和分子遗传学等内容。
✓ 诺贝尔化学奖中，与天然产物有关的研究占三分
之一 。
植物次生代谢研究与农业生产
➢与植物的抗病性有关：生物农药－有机产品 ➢具有化学生态学功能 ➢与农产品品质有关 ➢与植物的生长及抗逆性有关 ➢药用价值
NATURE BIOTECHNOLOGY VOLUME 26 NUMBER 11 NOVEMBER 2008
利用从国外引进的反应器(10升规模)进行了丹参发根培养的研 究, 发现丹参发根在50天内鲜重增殖倍数可高达240倍左右。
主要工作包括：
1) 植物次生代谢研究
植物萜类生物合成及调控，包括
黑胡桃树叶的扫描电子显 微镜照片
（6）提高植物种间竞争能力
➢桉树产生的萜类及酚类具
抑制作用，引种美国的桉 树，很少有本地植物能在 其附近生长。
➢化感水稻具有除草作用
类萜、酚类和香豆素是高 等植物的主要化感物质，生 物碱是较次要的化感物质。
（7）维系植物与其它生物间的互惠关系
类胡萝卜素、花 色甙、橙皮素等 是决定花色的主 要成分。
每一类的已知化合物都有 数千种甚至万种。
简单酚 类黄酮 醌类
单萜、倍半萜、 双萜、三萜、 四萜和多萜
生物碱、胺类、 非蛋白氨基酸、 生氰苷
4、次生代谢物的主要功能
按照生物进化的原理，植物不惜化费一定的物质和 能量来生成次生物质，就必有其存在的价值。 事实上有一些次生物质为植物自身生命活动所必需。
➢脱落酸、赤霉素等直接参与了生命活动的调节； ➢叶绿素、类胡萝卜素等参与光合作用； ➢木质素为细胞次生壁的重要组成成份；
罂粟
罂粟（Papaver somniferum）
罂粟为一年生草本，属罂粟 科罂粟属
幼果产生白色汁液，在空气 中迅速凝结为黑色膏状，即 生鸦片 (烟土)，具安眠止 痛作用
1803年从鸦片中分离出吗啡 (morphine)，海洛因 (heroin) 为吗啡的衍生物， 更易成瘾
罂粟
鸦片(opium)
卷心菜
NATURE | 22 JUNE 2000 | www每.n天atu一re个.co苹m果，可以让你远离医生
ORANGE
A-S
A+S
100g新鲜苹果的抗氧化能力 与1500mg VC的抗氧化能力 相当
Antioxidant activity of fresh apples
（4）抵御天敌的侵袭
➢类黄酮具有抵抗紫外线
的作用，增强高山植物 的保护
（3）抗氧化作用
目前植物来源的天然功能性 化学成分研究非常活跃。多 酚及衍生物是有效的抗氧化 剂，可清除超氧阴离子和羟 基自由基。
最近报道苯丙素苷（PPGs） 及其类似物、芦丁以及槲皮 素 可 快 速 修 复 dAMP 、 dGMP 损 伤。
菠菜 空心菜 甘蓝 葱
幼果 产生 白色 汁液
镇痛
HO
O NMe
H HO
吗啡（morphine)
一、初生代谢与次生代谢
1、概念 1891年，科塞尔（Kossel）首次明确地将植物 的代谢分为:
初生代谢
次生代谢
一、初生代谢与次生代谢
1、概念 初生代谢（primary metabolism）
指维持生物体生命活动所必需的各种物质的代谢 过程。化合物，如：糖代谢、脂肪代谢、蛋白质代谢、 核酸代谢。
➢ 生命的能量和物质基础——代谢及调节
植物次生代谢研究受到极大的关注: 对人类来说，植物次生代谢涉及许多有实用价
值的天然产物； 对植物来说，次生代谢涉及众多的代谢调节、
信号转导和防卫物质。
植物生理学的四大趋势
➢ 植物与环境——协同进化和适应
有一个从宏观到微观的发展过程。过去注重五大 环境因子，很少注意化学物质的影响。
棉酚、青蒿素生物合成关键酶的 分子克隆，代谢工程等；
2) 小RNA，RNA干扰和植物昆虫
相互关系研究
植物介导的昆虫RNA干扰，植物 次生代谢与抗虫性等；
3) 棉纤维发育调控的分子机制研究
陈晓亚研究员 中科院院士
棉纤维发育调控因子克隆与分析，
植物表皮毛发育调控机制。
✓过去都是通过传统的遗传育种方法获得高产次生代谢
Secondary Metabolites
Products that are not essential for normal growth and development of plants
Natural products Multiple functions
throughout the plant’s life cycle