藥用植物有效成分生物合成途徑及實(shí)際應(yīng)用

金彥磊

摘 要：藥用植物中的有效成分是藥用植物在應(yīng)用過(guò)程中的核心物質(zhì)，目前各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展都非常迅速的，生物工程技術(shù)和先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)藥用植物有效成分的合成起到了促進(jìn)作用，對(duì)于藥用植物的合理利用和有效成分的高效生產(chǎn)提供了新的途徑和方法，同時(shí)對(duì)藥用植物的可持續(xù)利用有著非常重要的作用。進(jìn)而，本文對(duì)藥用植物中功能基因的研究方法，主要功能和實(shí)際應(yīng)用等方面進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：藥用植物；有效成分；生物合成；功能基因

一、目標(biāo)候選基因的篩選

1、時(shí)空表達(dá)分析獲得有效候選基因

藥用植物中的有效成分在生物生長(zhǎng)的不同階段，存在的形式是不同的，許多要藥用植物的有效成分只存在于特定的組織細(xì)胞中，在進(jìn)行有效有效基因篩選的過(guò)程中，可以利用有效成分在不同時(shí)期和不同部位的基因累積，來(lái)完候選基因的篩選。

2、誘導(dǎo)共表達(dá)獲得有效候選基因

藥用植物的有效成分的產(chǎn)生主要是由于植物與外界因素相互作用而產(chǎn)生代謝物，植物可以利用這些代謝物質(zhì)來(lái)提升抗病性和抗病蟲害能力，這些代謝物質(zhì)可以受到誘導(dǎo)子的影響而積累在一起，所以利用這種方法對(duì)植物中有效成分進(jìn)行篩選，根據(jù)植物的不同表現(xiàn)形式選擇候選基因，并對(duì)其進(jìn)行功能上的分析和研究。誘導(dǎo)子的主要來(lái)源有兩種，一種是生物中的誘導(dǎo)子，另一種是非生物的。

3、組學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)整合分析獲得候選基因

植物代謝組學(xué)通過(guò)對(duì)生物體內(nèi)所有小分子代謝物進(jìn)行非靶向輪廓分析、靶向定量分析等策略，尋找小分子代謝物與植物生理變化的相對(duì)關(guān)系，反推尋找差異代謝物形成的功能基因。通過(guò)植物代謝組學(xué)分析，可將獲得的次生代謝差異化合物進(jìn)行通路分析，鎖定其所在的生物學(xué)途徑，與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)結(jié)合，推測(cè)差異表達(dá)基因或蛋白質(zhì)，根據(jù)基因表達(dá)和代謝物合成的相關(guān)性建立全面的系統(tǒng)生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

4、其他獲得候選基因的方法

除了以上集中獲取候選基因主要方法以外，還有其他的候選方法。相關(guān)技術(shù)人員可以對(duì)農(nóng)業(yè)作物的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行研究，將合適的技術(shù)應(yīng)用在要用植物的生產(chǎn)中，以此來(lái)對(duì)植物中的有效成分進(jìn)行研究。不同植物的生長(zhǎng)代謝情況是不同的，可以根據(jù)植物的實(shí)際代謝情況，在原有節(jié)篩選技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，將類似的基因提取出來(lái)。目前社會(huì)中技術(shù)的發(fā)展非常迅速，可以將規(guī)模性植物和農(nóng)作物應(yīng)用的高新技術(shù)應(yīng)用在藥用植物的研究中，對(duì)要用要用植物中有效成本的合成有著極大的作用。

二、目標(biāo)基因功能驗(yàn)證

藥用植物有效成分中的候選基因篩選是的主要應(yīng)用功能研究基礎(chǔ)，在對(duì)功能基因進(jìn)行研究的過(guò)程中，可以有效提高功能基因的研究效率，從而獲得有藥用植物中的有效基因。

1、體外功能研究

體外基因功能主要是利用植物體外的物質(zhì)和酶作用來(lái)進(jìn)行植物催化功能的分析。主要利用的外界物質(zhì)有：大腸桿菌、酵母、枯草芽孢桿菌、酵母、昆蟲細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞等。這些表達(dá)系統(tǒng)在體外基因功能研究的過(guò)程中，應(yīng)用的比較廣泛的是大腸桿菌和酵母分別作為宿主細(xì)胞的原核和真核的表達(dá)。

酵母作為一種單細(xì)胞低等真核生物，具有與大腸桿菌相似的生長(zhǎng)特性，對(duì)外源基因表達(dá)的蛋白具有一定的翻譯后加工能力，可對(duì)外源蛋白進(jìn)行一定程度的糖基化修飾，使蛋白表達(dá)更穩(wěn)定，常用于真核生物基因的表達(dá)及功能驗(yàn)證。酵母表達(dá)系統(tǒng)在研究植物蛋白互作和功能基因方面有廣泛應(yīng)用，特別適用于P450基因的功能研究。芐基異喹啉類生物堿及萜類化合物等生物合成途徑中的P450基因的體外催化功能研究均使用了酵母表達(dá)系統(tǒng)。

2、體內(nèi)功能驗(yàn)證

體外功能研究方便快捷，適用于大多數(shù)功能基因研究。對(duì)于遺傳轉(zhuǎn)化體系成熟的物種，還應(yīng)通過(guò)體內(nèi)功能驗(yàn)證來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)功能基因在植物體內(nèi)的生物學(xué)功能。目前植物功能基因體內(nèi)驗(yàn)證的方法包括過(guò)表達(dá)用以上調(diào)基因表達(dá)，RNA干擾或病毒誘導(dǎo)的基因沉默等下調(diào)基因表達(dá)以及新興的TALEN、CRISPR-Cas9等基因定點(diǎn)敲除和修飾技術(shù)等。目前，應(yīng)用比較廣泛是的RNAi以及VIGS技術(shù)，而CRISPR-Cas9技術(shù)的在一些藥用植物中已經(jīng)開(kāi)展。

三、功能基因研究的應(yīng)用

1、合成生物學(xué)生產(chǎn)藥用有效成分

近年來(lái)，合成生物學(xué)快速發(fā)展，微生物全基因組重建、酵母染色體人工合成、以及青蒿素的微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)等都讓合成生物學(xué)顯示了其在藥用植物有效成分獲得方面的巨大應(yīng)用前景。合成生物學(xué)應(yīng)用于藥用植物方向的操作主要包括：底盤細(xì)胞選擇與改造、合成途徑組裝和重建、代謝流調(diào)控、系統(tǒng)優(yōu)化在微生物或者模式植物中重構(gòu)藥用有效成分的生成途徑，最后利用發(fā)酵工程實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。除了青蒿素，目前研究者們已經(jīng)成功構(gòu)建了丹參酮、鼠尾草酸、人參皂苷、姜黃素、阿片類化合物、紫杉醇前體等一系列高附加值化合物的微生物基因工程菌株，并形成了高效的藥用植物合成生物學(xué)研究策略，為緩解中藥資源壓力、實(shí)現(xiàn)藥用資源可持續(xù)利用提供新的發(fā)展方式。

2、藥用植物品種改良

功能基因可以在原來(lái)藥用植物的生長(zhǎng)基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行代謝方式的轉(zhuǎn)變，改變?cè)瓉?lái)藥用植物的生長(zhǎng)特性，提高藥用植物的生長(zhǎng)品質(zhì)，這樣就可以對(duì)藥用植物中代謝物質(zhì)的數(shù)量進(jìn)行改變，在原來(lái)基礎(chǔ)上提高，再對(duì)代謝物質(zhì)中的有效成本進(jìn)行提取，提高了藥用活性物質(zhì)的產(chǎn)量。當(dāng)前應(yīng)用的藥用植物品種改良方法主要有，將植物中主要酶物質(zhì)進(jìn)行單一表達(dá)、減少與有效成分競(jìng)爭(zhēng)的物質(zhì)等。

根據(jù)不同種類化合物合成途徑的特點(diǎn)，研究者們以藥用植物為次生代謝反應(yīng)器已成功生產(chǎn)多種藥用活性化合物和其前體。例如，萜類化合物中青蒿素、丹參酮類和紫杉醇，生物堿類化合物中長(zhǎng)春堿前體、和東莨菪堿等在植物體內(nèi)代謝途徑的改造和調(diào)控研究都已取得一定進(jìn)展。但是，由于大多數(shù)植物次生代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生物合成步驟繁多，生物合成基因解析難度較大，是目前運(yùn)用基因工程改良藥用植物的主要瓶頸。另外，過(guò)表達(dá)代謝途徑中重要基因是否能達(dá)到顯著提高代謝產(chǎn)物含量的目標(biāo)也有待深入研究。因此在不斷篩選藥用植物功能基因，解析其生物合成途徑的同時(shí)，也可以借鑒微生物代謝工程的策略，將代謝流調(diào)控與系統(tǒng)優(yōu)化聯(lián)合運(yùn)用。

結(jié)語(yǔ)：許多藥用植物遺傳轉(zhuǎn)化體系不成熟，仍未在藥用植物功能基因研究中廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多新技術(shù)、新思路等待我們繼續(xù)深入研究，藥用植物功能基因研究和其廣闊的應(yīng)用前景，為傳統(tǒng)的中藥資源研究注入了新的活力，為提高中藥材品質(zhì)和尋找創(chuàng)新性藥物來(lái)源方式奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)藥用植物資源的深入挖掘和可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇新堯，薛建平，王彩霞.中藥功效成分合成生物學(xué)研究進(jìn)展[J].中國(guó)中藥雜志，2016，41（22）：4150-4157.

[2]侯婭，馬陽(yáng)，鄒立思，等.生態(tài)因子對(duì)藥用植物次生代謝物的影響及其研究方法[J].時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥，2015（1）：187-190.