次生代谢产物生产

用途 治疗白血病 循环系统障碍药 治疗疟疾 杀虫剂 心脏病药
年销售额（亿美元） 18～20（美国） 5～25（全世界） 5～10（美国） 20（全世界） 20～55（美国）
规模化细胞培养是生产植wk.baidu.com次生 产物的理想途径：
• 保护生态环境 • 提高生产效率 • 发展新型生物技术产业
植物细胞大规模培养生产次 生代谢产物的基本程序：
植物次生产物种类繁多（据保守估计已超过2万 种），根据分子结构不同大致分为：
酚类化合物－黄酮类 单酚类 醌 类（苯醌、萘醌、蒽醌）
萜类化合物－三萜皂甙 甾体皂甙 单萜、倍半萜、二萜
含氮化合物－生物碱（真生物碱、伪生物碱、 原生物碱） 胺类（伯、仲、叔、季胺） 非蛋白质氨基酸 生氰甙
多炔类、有机酸等
18.0
2.2
8
Rosmarinic acid C. blumei
27.0
3.0
9
Ajmalicine
C.roseus
2.2
0.3
7
SErpentine C. roseus
1.8
0.5
3
Diosgenin D.deltoidea
3.5
2.0
2
植物次生代谢产品的市场潜能
产品成分 长春花碱 阿吗灵 奎宁 致热素 毛地黄
次生代谢产物生产
• 植物次生代谢产物的概述 • 研究现状 • 植物细胞大规模培养生产次生代谢
产物的基本程序
• 提高次生代谢物生产效率的途径与 方法
• 应用实例 • 前景展望
概述
• 植物次生代谢产物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。
• 诱导植物产生旺盛生长的愈伤组织 和悬浮细胞系
• 筛选高产细胞系 • 在生物反应器中进行大规模培养 • 次生代谢产物的提取、纯化和测定
Stages in the development and operation of a plant cell biotechnology process
次生代谢产物的提取、纯化与测 定
• 细胞培养结束后，根据次生代谢产物分 布的情况，分别收集细胞和培养液，选 用相应的生化分离技术对次生代谢产物 进行分离、纯化，并对所得的次生代谢 产物的含量进行测定，对其活性进行鉴 定。
• 如果次生代谢产物存在于细胞内，则要 经过细胞破碎，然后再进行提取和分离 纯化。
• 植物细胞培养进行有效成分的生产发展 到现在,已经取得令人瞩目的成就。
研究现状
• 迄今为止，人们已从培养的植物细胞中 分离出六百多种次生代谢产物，已使包 括紫草、毛地黄、黄连、彩叶紫苏和人 参在内的多种植物细胞培养达到工业化 生产的规模，并且有的已经生产成商品 投入市场。
来自于植物体和细胞培养的紫 草宁含量比较
生产方式 完整植株 植物细胞培养
生产周期 2～3年 3周
• 然而在植物细胞培养过程中普遍存在的 细胞系不稳定、细胞生长缓慢、不耐剪 切力及代谢物产量低等问题又成为其实 现规模化生产的瓶颈。在目前已经研究 过的植物中，仅有 1/5左右种类的培养 物中目的产物的含量接近或超过原植物， 多数情况下培养细胞合成某些次生代谢 物的能力下降甚至消失。
• 因此充分利用基因工程的手段，筛选高产 细胞系，深入研究特定代谢产物的生物合 成途径，对培养条件进行优化，研究和开 发适合植物细胞培养的生物反应器是解决 这些问题的根本途径。
紫草宁含量（％干重） 1～2 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 plant yield (% DW)
Ratio cell yield /
whole plant
Glutathione N. tabacum
1.0
0.1
10
Nicotine N. tabacum
5.0
2.1
2
Anthraquinones M.citrifolia
• 次生产物在植物中的合成与分解过程称为 次生代谢。
次生代谢过程被认为是植物在长期进化 中对生态环境适应的结果，它在处理植 物与生态环境的关系中充当着重要的角 色。许多植物在受到病原微生物的侵染 后，产生并大量积累次生代谢产物，以 增强自身的免疫力和抵抗力。
植物次生代谢途径是高度分支的途径， 这些途径在植物体内或细胞中并不全部 开放，而是定位于某一器官、组织、细 胞或细胞器中并受到独立的调控。
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。
• 许多植物次生代谢产物是优良的食品添加 剂和名贵化妆品原料。有些是生物毒素的 主要来源，可以用于杀虫、杀菌，而对环 境和人畜无害，是理想的环保产品。
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。
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。
筛选得到高产细胞系（株）
• 获得高产株系从选择富含目的产物的植 物品种开始，通过其愈伤组织的诱导， 异质种群的筛选，即从不同的无性繁殖 系中筛选出富含目的产物的品系做种子 细胞。
提高次生代谢产物生产效 率的途径和方法：
• 选择合适的外植体 • 筛选得到高产细胞系（株） • 寻求合适的培养条件和培养技术
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。