全 文 ：蛇根草属植物资源与喜树碱及类似物的生产
潘学武1 ,2 ,董妍玲1 ,董玉良2 ,赵小虎2
(1.武汉生物工程学院 生物工程系 ,湖北 武汉 430415;
2.武汉大学资源与环境科学学院生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室 ,湖北 武汉 430079)
　　摘要:随着市场需求的不断扩大 , 持续提取抗癌药物喜树碱及类似物已成为当务之急。在蛇根草属植物中发现喜树碱及其类
似物 ,是获取该类物质重要的替代途径。对蛇根草属植物的主要用途 、生物学特征以及主要活性次生代谢产物进行了介绍 ,论述了
运用生物技术从蛇根草属植物中产生喜树碱及其类似物的研究 , 并对该类植物资源的开发利用进行了展望。
关键词:蛇根草;喜树碱及类似物;植物资源;开发利用
中图分类号:S792.990.8　　文献标志码:A　　文章编号:1005-8141(2010)11-1028-03
Resources Development and Utilization of Ophiorrhiza sp.Plants and Production of Camptothecin and Analogues
PAN Xue-wu1 , 2 , DONG Yan-ling1 , DONG Yu-liang2 , ZHAO Xiao-hu2
(1.Department of Bioengineering ,Wuhan Bioengineering Institute ,Wuhan 430415 , China;
2.Hubei Biomass-resource Chemistry and Environmental Biotechnology Key Laboratory ,
College of Resources and Environmental Sciences ,Wuhan University ,Wuhan 430079 , China)
Abstract:With an increasing market demand for the anti-cancer agents , camptothecin and analogues , it became urgent that these anti-cancer
agents should be met from a sustainable supply.The discovery of camptothecin and its derivatives from Ophiorrhiza sp.gave another important alter-
native way to obtain these anti-cancer drugs.The authors analyzed the major utilization , biological features and major active secondary metabolites of
Ophiorrhiza sp.plants.Application of biotechnology to produce camptothecin and analogues from the resource of Ophiorrhizasp.plants was discussed
in details and the development and utilization prospect of these plants resource was summarized.
Key words:Ophiorrhiza sp.;camptothecin and analogues;plant resource;development and utilization
　　收稿日期:2010-09-19;修订日期:2010-10-21
基金项目:武汉大学博士后研究项目资助[ 编号:2008(205-
180516)] ;武汉市教育局重点资助项目(编号:200715)。
第一作者简介:潘学武(1975-),男 ,湖北省恩施人 ,博士 ,讲师 ,主
要从事生物制药和细胞工程的研究。
通讯作者:董妍玲(1977-),女 ,山东省德州人 ,博士 ,讲师 ,主要从
事基因工程和微生物工程的研究。
1　前言
茜草科(Rubiaceae)蛇根草(Ophiorrhiza sp.)属植物
约有 200多种 ,广泛分布在亚洲的热带 、亚热带以及大
洋洲的新几内亚和太平洋的一些岛屿上 。我国已知有
72种 ,生长于长江流域以及南方诸省[ 1] 。本属植物种
类不少 ,但在经济用途方面的记载却不多。《全国中草
药汇编》中仅对日本蛇根草(O.japonica)有所记载 。蛇
根草的主要功能为止渴祛痰 、活血调经 ,用于肺结核咯
血 、气管炎 、月经不调 ,外用治扭挫伤[ 2] 。所以 ,对蛇根
草属植物的研究一直没有引起足够的重视 ,直到后来
发现蛇根草(O.mungos Linn.)中含有抗癌物质喜树
碱[ 3]才引起人们的重视。
随着对喜树碱类药物研究开发的快速深入和对喜
树碱野生药源植物资源的严重破坏 ,蛇根草属植物逐
渐引起了研究者的高度重视[ 2 , 4] 。结合国内外近年来
的研究成果 ,本文就蛇根草属植物资源的开发利用与
喜树碱及类似物的生产进行了论述 。
2　喜树碱概述
喜树碱(Campothecin)为一种萜烯类吲哚生物碱 ,
是 1966 年从喜树(Campototheca acuminata Decaisne)中
首次分离得到的抗癌活性物质[ 5] 。1985年 ,科学家发
现喜树碱是通过抑制肿瘤细胞内拓扑异构酶 I 的活性
而具有细胞毒性效应的 ,这种独特的抗癌机理才真正
引起研究者对喜树碱类药物的兴趣[ 6] 。因此 ,多种药
效好 、毒副作用小和溶解性能好的喜树碱类抗肿瘤新
药被筛选出来。喜树碱的两种衍生物 Irinothecan 和
Topothecan已于 1996年得到美国 FDA批准用于临床 ,
其他如 9 -硝基喜树碱 、10 -羟基喜树碱 、Exatecan 、
Lurtotecan等多种处于各级临床试验阶段 ,喜树碱类抗
肿瘤新药可能在今后几年内陆续上市[ 7] 。所有的喜树
碱类药物都是以喜树碱为原料而合成的。据估计 ,喜
树碱类药物在全球的年销售额约为 10—15亿美元[ 7] 。
现在世界范围内喜树碱唯一可行的市场来源仍然是从
野生植物中提取 ,主要是喜树(中国)和臭味假柴龙树
(Nothapodytes nimmoniana Graham ,印度)。因此 , 野生
喜树 、臭味假柴龙树遭到了严重的破坏 ,分别被中国和
印度列为重点保护植物[ 4 ,7] 。随着临床需求量的急剧
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增加 ,可持续获取喜树碱及其类似物已成为当务之急。
在蛇根草属植物中发现喜树碱及其衍生物是获得喜树
碱药源的重大突破[ 3 ,4 ,7] 。
3　蛇根草属植物形态学特点[ 1]
蛇根草属植物多为草本 ,少数为亚灌木;叶对生 ,
托叶在叶柄间 ,单生或每边一对 ,通常小 ,刺毛状 ,很少
宽阔;花白色 、粉红色至淡绿色 ,常偏生于 2 歧分枝的
聚伞花序的分枝上;萼管短 ,陀螺形或近球形 ,萼檐 5
裂 ,裂片小 ,宿存;花冠漏斗状或管状 ,裂片 5 ,镊合状
排列;雄蕊 5 ,着生于花冠喉部以下 ,内藏或少有突出 ,
花丝短或延长 ,花药背着 ,基部 2 裂;花盘肉质 ,环状;
子房下位 ,2室 ,每室有胚珠极多数;蒴果革质 ,阔倒心
形或 2裂的钟状 ,中部为萼檐所围绕;种子小 ,有棱 ,种
皮脆壳质 ,有肉质的胚乳 。本属植物模式种为蛇根草
(O.mungos Linn.), 代表种有短小蛇根草(O.pumila
Champ.)、日本蛇根草(O .japonica Bl.)。
4　蛇根草属植物的主要活性次生代谢产物
从蛇根草(O.mungos)中分离鉴定得到喜树碱和
10-甲氧基喜树碱之后[ 3] ,再从该类植物中分离得到
的其他喜树碱类衍生物有 9-甲氧基喜树碱[ 8] 、10-
羟基喜树碱[ 9] 、9 , 10-亚甲二氧基喜树碱[ 10] 、糖基喜
树碱[ 11] 。喜树碱含量可达到植物干重的 0.00153%—
0.01%[ 2 , 4 ,7-9] ,9-甲氧基喜树碱 、10-甲氧基喜树碱 、
10-羟基喜树碱仅为痕量存在[ 3 ,8 ,9] 。不同器官 、不同
季节 、不同种属的植物 ,喜树碱含量差异较大 。生长在
印度西高山山脉的 O .rugosa var.prostrata 各部位喜树
碱干重含量为:根 0.16%、茎 0.08 %、果实 0.01%、成
熟叶 0.002%[ 4] 。进一步研究表明 ,在冬天采集的样
品 ,茎和根中喜树碱含量比在夏天采集的分别高约 3
倍和 1.5倍[ 4] 。不同种属的喜树碱含量差异明显 ,日
本蛇根草(O.japonica)茎 、叶中喜树碱含量分别为干重
的0.00684%、0.00546%,而广州蛇根草(O.cantonien-
sis Hance)茎 、叶中喜树碱含量分别仅为 0.00275%、
0.00153%[ 2] 。除喜树碱类化合物之外 ,蛇根草属植物
中的其他活性次生物还有蒽醌 、萜类化合物 、甾体类化
合物等[ 12 ,13] 。
5　蛇根草属植物的离体培养
蛇根草植物组织培养最早始于 Kitajima 等人的工
作 ,但是在短小蛇根草(O.pumila)的愈伤组织或悬浮
细胞中并没有检测到喜树碱及其类似物[ 14] 。后来研
究人员进行了器官培养和快繁育苗 ,Saito 等人[ 15]成功
诱导出短小蛇根草(O .pumila)的毛状根转基因培养
物 ,细胞生物量在 5周内可增加 16倍。喜树碱含量与
植株中的含量持平(达干重的 0.1%),且能分泌到培
养基中去 。采用两相培养可使产物的胞外分泌量增加
5倍 ,茉莉酸甲酯和水杨酸也能促进喜树碱的胞外分
泌量 。随后在 3L生物反应器中放大培养 ,喜树碱的总
产量达 8.7mg/L ,基本上与在摇瓶中的产量持平(8.9m
g/L)[ 16] 。该研究小组后来又成功诱导了 O.liukiuensis
和O.kuroiwai的毛状根 ,喜树碱含量达到植株的水平 ,
喜树碱也能分泌到细胞外 。茉莉酸甲酯能促进喜树碱
总产量的增加 ,该培养物还能积累并向培养基中分泌
少量的 10-甲氧基喜树碱[ 17] 。 O.prostrata 的非转化
不定根培养物最近也获得成功 ,喜树碱的产量可维持
在一个较高的水平 ,达到干重的 0.16%[ 19] 。此外 ,蛇
根草属植物的快繁育苗已取得了一定的成功 。胆小蛇
根草(O.pumila)的转基因毛状根可成功再生植物 ,成
苗率达到 83%,而且再生植株比野生植株多积累喜树
碱66%—111%[ 19] 。从非转化的不定根培养物能成功
再生植株 ,成苗率高达 95%[ 18] 。O.rugosa var.decum-
bens的茎培养物也能成功再生植株 ,喜树碱在叶中的
干重达0.09%,高于野生植株[ 20] 。
6　蛇根草属植物分子生物学研究
Saito领导的研究小组以短小蛇根草(O.pumila)
毛状根为体外培养模式 ,通过[ 1-13C]Glucose 标记实
验和体外培养特异性抑制剂添加试验 ,证实短小蛇根
草(O.pumila)毛状根中喜树碱的单萜-Secologanin部
分是通过 2 -C -甲基 -D -赤藻糖醇 -4-磷酸
(MEP)途径而来 , 而不是源于甲羟戊酸(MVA)途
径[ 21] 。编码喜树碱生物合成早期步骤的两个关键酶
基因 异胡豆苷合成酶(Strictosidine Synthase , STR)
和色氨酸脱羧酶(Tryptophan Decarboxylase ,TDC)已被克
隆出来[ 22 ,23] 。
7　问题与展望
蛇根草属植物的开发利用产生喜树碱及其类似
物 ,目前已取得了可喜的进展 ,尤其表现在生物技术研
究上 。特别是根培养物(转化的毛状根和非转化的不
定根)的喜树碱含量与植株含量持平甚至高于植
株[ 15-18] 。此外 ,组培苗的成功率高达 95%[ 20] ,再生植
物喜树碱含量高于出发植株[ 19 ,20] 。同时 ,对喜树碱的
生物合成途径进行了深入的研究 ,与其相关的部分基
因被克隆出来[ 21-23] ,这一切都为人类利用生物技术
开发蛇根草属植物资源奠定了良好的基础。但是 ,作
为近年来才开始逐步引起重视的一大类植物资源 ,对
蛇根草属植物的研究还有待进一步深入 。
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7.1　蛇根草属植物的繁殖生物学研究
目前 ,人们对蛇根草属植物的繁殖生物学研究尚
属空白 ,该属野生植物资源现状研究鲜有报道 。蛇根
草属植物对生境有严格的要求 ,常常是森林被破坏后
第一批被消灭的植物[ 1] ,所以对该属植物的繁殖生物
学和资源学研究尤为重要 。这些研究将决定人类采取
什么措施对该属植物资源进行保护 、开发 、利用和人工
大规模种植。
7.2　蛇根草属植物的生物技术研究
在蛇根草属植物的生物技术研究中 ,体外大规模
培养的研究仅有一例[ 16] ,大规模培养尤其是在器官培
养中的目标产物含量较高 ,因此器官培养是今后努力
的方向。目前该属植物愈伤组织或悬浮培养细胞还没
有产生喜树碱及其类似物的报道 ,筛选能产生喜树碱
及类似物的愈伤组织或悬浮培养细胞也是今后努力的
方向。因为相对于器官培养 ,细胞大规模悬浮培养的
技术相对较成熟 。
7.3　喜树碱的生物合成
对植物内喜树碱生物合成途径需要进一步研究 ,
这样有助于更好地应用现代基因工程技术对次生代谢
产物的合成进行代谢调节 ,提高目标产物的产量。虽
然在蛇根草属植物中 ,喜树碱含量与喜树 、臭味假柴龙
树相比略偏低[ 4 ,7] ,但喜树和臭味假柴龙树作为木本
树种的生长周期较长 ,年采料量有限;而蛇根草属植物
大部分是草本 ,生长容易 ,便于大田种植 ,年采料量相
对丰富[ 4] 。此外 ,蛇根草属植物的体外培养技术也具
有相对优势 ,表现在再生植株喜树碱含量高[ 18 ,19] 、器
官培养目标产物含量高[ 15-18] ,可成功进行基因操
作[ 21]等 。这一切使人类能很好地开发利用该类植物
来生产喜树碱及其类似物 ,作为从其他野生植物资源
(喜树和臭味假柴龙树)中获取该类次生代谢产物的有
效补充和替代途径。
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