植物组织培养在酚类代谢物中的应用研究现状读书报告.docx

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植物组织培养在酚类代谢物中的应用研究现状读书报告

关于“植物组织培养在酚类代谢物中的应用研究现状”

读书报告

文献重要内容翻译：

摘要：

从二十世纪初开始，植物组织和器官培养被广泛用于研究和了解如形态发生等的一系列生物机制。

然而，随着对来自植物新产品的市场需求不断增加，体外培养成为植物材料大规模生产的可靠技术。

此外，使用这种技术生产一些生物活性化合物如酚类化合物具有很大前景，因为它可以通过控制生物合成途径来增加特定化合物的生产和积累。

本文旨在对体外培养进行简要的历史回顾，重点介绍其用于生物活性化合物的生产。

此外，还强调了酚类化合物对消费者的重要性，并回顾了植物细胞生产酚类化合物过程中涉及的代谢途径。

此外，还对植物酚类化合物的体外培养生产工作以及用于增加相同产量的诱导子类型进行了综合研究，也简要地介绍了作为诱导子的酚类化合物。

关于在体外植物培养物中生产酚类提取物的报道众多，但是由于生物合成途径和提取程序的复杂性，单个酚类化合物的生产研究报道缺乏。

诱导方法通常用于增加酚类物质的产量，在大多数情况下，诱导后的产量比未诱导培养的显著提高。

具有生物活性的酚类萃取物或化合物产量的增加使得它们在功能性食品行业、制药和医疗领域具有进一步的应用性。

1．植物组培简介

1.1植物组培的历史

多年来，植物组织培养的历史已经被广泛地描述，不仅在专业书籍和研究报告中，而且在其最重要的研究贡献者如Haberlandt、Gautheret、White、Murashige和Skoog等的传记文件中。

1902年，GottliebHaberlandt提出了基于植物细胞全能性的体外组织培养的第一个理论解释，他试图了解细胞在多细胞生物体中建立的功能和关系，本研究通过在营养液中培养分离的植物细胞来进行。

然而，第一个植物细胞培养是在1922年成功开发的，当时Kolte和Robbins培养根和茎尖部分的目的是克服培养基的灭菌问题。

植物生长调节剂，也被称为植物激素，它的发现是实现通过某种方式在体外控制植物的生育过程，形成特定器官组织的一个关键点，它革新了植物体外培养如器官和组织细胞的发展进程[1-2]。

Went最先发现了首个植物激素—吲哚乙酸，即生长素。

1934-1935年，Gautheret、White和Nobercourt一起创造了第一个“真正”的植物组织培养物，因为它涉及到在假俭草的固定化培养基中添加Knop's溶液、葡萄糖、半胱氨酸、IAA和维生素等使组织分化，获得愈伤组织继而继续增殖培养[3]。

从那以后，开始了越来越多对不同植物、组织、器官及培养液的研究。

从1940年到1960年的数十年被认为是当今仍然使用的大多数植物组织培养技术发展的最重要时期之一。

在此期间，研究要集中在植物生长调节剂方面：

1955年发现激动素作为细胞分裂激素；1957年Skoog和Miller通过调节培养基中生长素和细胞因子的浓度，提出了器官形成的激素控制概念。

尽管如此，几十年来发生的最重要事件是Murashige和Skoog于1962年通过开发用于烟草细胞培养的MS（Murashige＆Skoog）培养基，该培养基由高浓度盐、低氮、微量营养素、碳源（例如蔗糖）和生长调节剂等组成[4]。

MS培养基将大量植物对营养物质的需求结合起来，使得更多的研究人员现在能使用体外培养物进行研究。

在随后的多年里，关于植物生长调节剂在体外培养中所起作用进行了大量的研究。

此外，1966年斯图尔特（Stewart）让植物细胞的全能性在越来越小的植物细胞如个体细胞中表现出来。

在使用植物组织培养生产具有价值的代谢产物方面，查尔斯辉瑞公司于1950年进行了首次尝试[5]。

然而，1978年利用植物组织培养次生代谢产物的技术用于工业生产仅在德国和日本实现。

1987年，基于30多种细胞不同的培养体系的研究结果，植物组织培养技术生产的次生代谢产物克服了传统的土壤栽培模式，因此被认为是一种经济可行的生产手段[6]。

即使植物组织培养这一概念在20世纪早期已经出现，但与之相关的第一篇文献在20年代才出现，直到60年代，学术界在公开发表的成果中并未取得重大进展。

如前所述，在60年代，植物组织培养中最大的问题就出现了，这伴随着新技术、培养基以及植物生长调节剂的发现而出现。

从这时期开始，关于植物组培的文章发表量急剧增加，就工业而言，直到80年代中期，其与学术界公布的成果相比效益并不显着，但与植物细胞和组织培养有关的专利数量，如今已经超过了学术界发表的文章。

这篇文章综述了植物组织培养生产高价值的生物活性化合物的主要优势，特别是涉及酚类化合物及其生物活性的特性。

因此，将描述植物组织中这些次生代谢产物的生产以及该生产中涉及的生物合成途径。

此外，将通过体外技术生产的酚类提取物和单个化合物以及用于提高其生产的技术手段进行完善。

1.2植物组织培养的优势

据世界卫生组织（WHO）估计，目前世界上80％的人口依然依靠传统医疗手段获得日常使用的基本医疗保健服务。

此外，市场上三分之二的抗癌药和抗感染药都是直接从植物体上获取的[1,7]。

随着市场对天然基质产品的需求不断增加，植物种群的丧失、遗传多样性和栖息地的退化，甚至物种灭绝等一系列环境问题也随之出现[2]。

植物细胞和组织培养作为生物活性化合物生产的一种可行的生物技术工具，可在多个领域进行应用，特别是为了可持续保护和合理利用生物多样性[8]。

1994年，联合国粮食及农业组织批准使用植物细胞和组织培养技术来生产食品用天然化合物[2,9]。

2002年，粮农组织与国际原子能机构（IAEA）联合发表了一份报告，以体外培养生物活性化合物的生产技术为主题进行了探讨，重点在于如何能够在研究人员和工业中以最经济的方式进行生产。

Murthy等[10]对来自植物组织和器官培养物的食品成分进行了安全性评估，并提出了一些评估这些产品的毒性及其潜在生物活性的方法。

植物组织和器官培养泛指在无菌条件下使用细胞和器官，在控制光照、水分和温度的条件下在培养基中生长[11]。

这种严格受控的生产条件提高了目标成分的均匀性、标准化及浓度，保持最高相同性的遗传特征[12]。

理论上，体外培养可以应用于任何植物，因为植物细胞在其基因组中存在维持其在人造培养基中的功能所必需的基因库，包括次生代谢和全能性。

对于科研人员和工业界来说，这是一个非常有吸引力的技术，因为它解决了植物在大田生产中的两个问题：

依赖于气候条件的低生长率和次生代谢产物的低产量。

在体外生长的细胞、芽和根可以表现出与天然植物类似的代谢通路，这也可以发生在非特异性细胞中[1]。

生物技术工程和生物化学的结合导致了产量的显着提高，突出了体外培养作为生产具有生物活性化合物的优点[13]。

将生物化学和生物工程相结合的一个例子是毛状根培养，其中植物材料感染发根农杆菌（Agrobacteriumrhizogenes），使材料具有更高的遗传稳定性，并且会产生更多的具有生物活性的化合物分泌到培养基中，十分易于提取和纯化[9]。

生物活性化合物的体外生产有以下几个优点：

优化和控制的生产条件、能够控制终产物的合成、通过基因工程选择最好的克隆、合成高纯度化合物、改善所生产的植物的营养需求、减少非目标产物的合成、生物化学合成新化合物以及易于产生不依赖于气候和地理的条件[14-15]。

由于市场需求的增加，体外培养具有广泛用途，例如可用于生产天然染料以替代高毒性化合物。

花青素化合物是天然染料，当通过体外培养技术生产时，由于在贮藏和提取过程中不会遭受降解而具有较高的质量[15]。

分生组织培养也可用于大规模生产生物活性成分，但其主要目的是用于生产具有高生物活性潜力的植物，因为它是由具有高活性的细胞形成新的组织和器官[16]。

最终，植物组织培养技术的最大优势是能够提供连续、可持续、经济、可行的天然化合物生产，不用考虑地理气候条件并且处于严格控制的微环境下[8-9]。

2酚酸类成分及其诱导因子

2.1富含酚类成分植物的附加值

大量研究表明，酚类成分具有广泛的生物学活性。

Quideau等人[17]从化学角度出发，探讨了不同结构的酚类成分可能具有的潜在生物活性。

他们认为人们日常摄入的水果、蔬菜、饮料和红酒，其中的酚类化合物将通过不同的方式降解，因此不同种类的果蔬、酒水等具有不同的功效。

他们亦认为：

尽管酚类成分的溶解度和生物利用度很差，但这些化合物在日常饮食中，长期摄入有益健康，可以在食品中添加。

酚类化合物由植物天然合成，是目前研究最多的天然产物家族之一，因它具有广泛的生物学活性。

许多研究仍关于其化学结构以及生物合成途径（例如涉及的酶和蛋白质）[18-19]。

综合以上原因，体外培养生产酚类化合物是十分重要的，这增加了植物组织生产次生代谢产物的能力，因此通过植物组织获得酚类化合物是一种良好的手段[20]。

由于花青素具有生物活性，且在不同的pH条件下容易降解或者聚合，Furusaki等人[15]实现了体外合成花青素，强调了体外合成花青素的重要性。

除了它们的抗氧化特性之外，酚类化合物还具有抗癌活性，并且可作为天然食品防腐剂[17,21]。

2.2酚类的生物合成及诱导因子对其合成的影响

植物中，碳源和能量与代谢产物的产生直接相关，但是其功能机制尚不明确。

植物细胞的中枢代谢是呼吸作用、糖酵解和柠檬酸循环，大部分参与植物生存和防御机制的分子和化合物在其中产生。

酚类化合物通常是作为抵御对植物组织或在压力环境（例如不利的温度，光照和pH条件）下的攻击的防御机制而产生的。

这类化合物被认为是次生代谢物，因为它们不与植物组织的生长和发育的功能直接相关，并且通常在植物发育的特定阶段、特定组织和器官中出现[22]。

有数以千记的不同结构酚类化合物，因此这类化合物具有多种生物学活性[17]，酚酸类化合物的合成始于苯丙氨酸的脱氨基作用，随后转化为对香豆酸。

对香豆酸的生产可以导致羟基肉桂酸如咖啡酸的生成，后者和香豆酸都可以进一步形成木质素。

通过CHS（查耳酮合成酶）、CHI（查尔酮异构酶）和F3H（黄烷酮-3-羟化酶）酶的作用，对香豆酸随后被转化为黄酮醇（例如槲皮素）和黄烷-3-醇，随后转化为花青素和原花青素。

虽然植物体在体外能自然合成酚酸类化合物，但在许多情况下，其产量必须得到提高。

一般而言，次生代谢产物以非常低的产量合成（通常在成熟植物中有酶的抑制作用）[23]。

诱导子用于体外生产系统以增加次生代谢物的产生和积累，以及引发形态和生理反应[24]。

化学诱导是通过植物生长调节剂、信号分子和前体分子的添加实现的。

物理诱导是通过紫外线照射、压力、电场、重金属浓度、pH值和温度来完成的。

微生物、真菌和细菌可以作为生物诱导子[25]。

例如，PAL（苯丙氨酸酶）催化苯丙氨酸脱氨生成肉桂酸，它的活性受红色和紫外线辐射的刺激[18]。

在诱导子和生成特定化合物之间存在某种联系，这取决于这些化合物在植物组培中的作用。

例如，花青素的产生受到植物组培过程中光照（物理诱导）的显著影响，因为这些化合物作为光吸收剂并因此保护细胞免受不利影响[15,26]。

生产中也会使用其他物理诱导子来促进代谢物的生成，如温度和pH值，而且还通过添加前体物质等来实现。

例如，香豆素的生产是通过生物诱导，通过使用微生物诱导其形成来实现的，因为这类化合物与保护植物组织抵抗病原体攻击有关。

3酚类化合物产量的提高

3.1酚类化合物在组培体系中的生产

有许多关于通过使用植物组织培养产生次级代谢产物的研究，并且有大量关于此的综述文章[8,14,15]。

酚类化合物的生产是绝大多数这些研究的主要目标[27-36]。

然而，其中一些也集中在研究提取物的生物活性性质，如抗氧化活性[37-41]、抗菌[42-44]以及细胞毒性[45]。

如前所述，在体外培养获得次级代谢产物的研究中，花青素是备受关注的对象。

它们是水果、蔬菜中具有高抗氧化能力的天然色素分子，同时还具有抗肿瘤、抗炎和抗诱变等生物活性[46]。

Konczak-Islam等人[47]从甘薯（IpomoeabatatasL.cv.Ayamurasaki）的愈伤组织获得高浓度的花青素色素，同时绿原酸和咖啡酸也被确定为主要的酚类化合物。

Longo[46]通过EugeniamyrtifoliaSims的枝条进行了花青素的表征和产生研究，观察到该植物仅产生了锦葵色素—是高等植物中最常见的花青素之一，可以作为研究这些化合物的生物合成途径的模型。

甜菜色素也是广泛用作食品着色剂的颜料，因其结构中存在酚羟基而具有高抗氧化能力。

酚酸由于其生物活性，是另一类具有高化学潜力的化合物。

Thiem等人[48]通过研究扁叶刺芹（EryngiumplanumL.）的毛状根培养，发现较多的的咖啡酸和绿原酸产生，但最重要的是从毛状根体系中发现分泌的迷迭香酸（易于提取）。

Szopa和Ekiert[49]发现五味子（Schisandrachinensis（Turcz.）Baill）的愈伤组织中含有高水平的香豆酸、对羟基苯甲酸、原儿茶酸、水杨酸和丁香酸，增加了该植物的价值。

Alemannoet等人[50]在对可可树的退化雄蕊和花药的研究中得出结论：

组织培养是一种可靠的技术，可以保存该植物并且扩大规模培养该植物，并鉴定出三种酚酸，并且这三种酚酸是在其原始植株中不存在的。

3.2提高酚类成分含量的诱导子

诱导是为了通过体外生产体系增加次生代谢产物的产生和积累。

植物组织培养系统用于改善酚类产物的主要诱导子总结在表1中。

表2总结了以酚类化合物作为组培中诱导子的研究。

表1在植物组织培养中用于提高酚类成分含量使用的诱导子

类别

种类

诱导子

诱导部位

文献

生物诱导

细菌

Pseudomonasmucidolens

薰衣草（LavandulaangustifoliaMill.）茎尖

[51]

Pseudomonassp.

迷迭香（RosmarinusofficinalisL.）茎尖

[52]

真菌

Ceratocystis fimbriata f. sp. platani

二球悬铃木（PlatanusacerifoliaAiton）愈伤组织

[53]

Colletotrichum gloeosporioides

 贯叶金丝桃（HypericumperforatumL.）细胞

[54]

Fusarium oxysporum f. sp. albedinis

海枣（Phoenixdactylifera）愈伤组织

[55]

化学诱导

有机物

茉莉酸、水杨酸

Vitis vinifera L. cv. Gamay Fréaux calli and cells

[56]

水杨酸

丹参（SalviamiltiorrhizaBunge）愈伤组织

[57]

前体

苯丙氨酸

葡萄（Vitisviniferacv.GamayRed）愈伤组织

[58]

生长调节剂

细胞分裂素

葡萄（Vitisviniferacv.GamayRed）愈伤组织

[59]

转录因子

玉米（ZeamaysL.）细胞

[60]

物理诱导

化合物

钙

茶树（CamelliasinensisL.）愈伤组织

[61]

铜

人参（Panaxginsengsp.）根

[62]

镁

葡萄（Vitisviniferacv.GamayRed）细胞

[63]

光照

光强

桉树（EucalyptuscamaldulensisDehn.）地上部

[64]

UV-A

纤梗叶下珠（PhyllanthustenellusL.）叶片

[65]

UV-B

茶树（CamelliasinensisL.）愈伤组织

[66]

其他

电场

葡萄（V.viniferaL.cv.GamayFréaux）细胞

[67]

表2用酚类化合物作为组培中诱导子的研究

诱导子

诱导部位

文献

咖啡酸、根皮苷和间苯三酚

费越果（FeijoasellowianaBerg）合子胚

[68]

肉桂酸、阿魏酸、芥子酸和L-苯丙氨酸

极叉开拉瑞阿（LarreadivaricataCav.）愈伤组织

[35]

绿原酸

贯叶金丝桃（HypericumperforatumL.）细胞

[69]

没食子酸、吲哚乙酸和半胱氨酸

甘蔗（Saccharumspecies）茎尖

[70]

苯丙素类成分

甘蔗（Saccharumofficinarumspp.,cv.Badila.）茎尖

[71]

4结论与展望

体外培养是一种用于培养次生代谢产物的有效手段，特别是酚类化合物，作为代替大田生产的手段，它也是生产具有面临过度开发和灭绝，但具有很高的生物活性潜力的物种的有效手段。

并且，这项技术也得到了粮农组织的认可，可广泛用于食品工业中。

酚类化合物的复杂性与其生物合成途径的复杂性相一致，尽管如此，研究人员仍然可以通过诱导子来刺激培养体系，以增加某些化合物的产量。

大多数研究关注于酚类提取物及其相应的生物活性，但由于生产这种化合物的复杂性以及所涉及的提取和分离程序，关于单个酚类化合物的研究很少。

一般而言，植物细胞和组织培养使得酚类提取物的产量更高，但是为了达到更高的产量，需要对培养物进行诱导。

有不同类型的诱导，其中化学、生物和物理诱导是最广泛使用的诱导方法，特别是生长调节剂和前体物质的添加。

具有生物活性的酚类成分的大量生产，使其在功能性食品或药物、医学领域中得到进一步应用，如之前提到的紫杉醇和迷迭香酸的情况，分别利用其化学疗效及抗氧化活性在药品、护肤品等领域广泛应用。

结合本文和课题研究内容的思考：

作者系统总结了组培技术发展的历史、研究成果、优点和应用前景等，最终着眼于组培技术在酚类化合物的生产应用上。

详细综述了组培生产酚类化合物的发展过程，包括材料的选择、诱导子的种类和筛选以及后期提取加工的难易程度等。

本人博士课题主要研究甜叶菊特定糖苷的代谢通路和在植物中的积累，以期诱导生产特定糖苷，通过本综述的体外组培特定组织和器官，以及通过化学和物理的诱导子，诱导搞笑特异性的生产特定酚类化合物，为自己的课题研究提供了新的思路和研究过程中的注意事项。

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