全 文 ：收稿日期:2007-11-22
作者简介:张虎平(1978-),男,硕士,讲师;E-mai:zhp_agr@shzu.edu.cn
植物多酚(plantpolyphenol)又称单宁或鞣质,
国内外学者的大量研究证实:植物多酚具有不少令
人感兴趣的医药新用途。近几年来,“多酚”保健食
品在国际保健食品市场异军突起并引起专家学者
与广大消费者的广泛关注。在日本,有人将其称之
为继第六营养素膳食纤维之后的第七类营养素[1]。大
豆异黄酮(soybeanisoflavone)和白藜芦醇(resveratrol)是
两类比较重要的多酚物质。大豆异黄酮的组成、存在
形式主要包括染料木素(金雀异黄素,genistein)、大豆
黄素(daidzein)和黄豆黄素(glycitein)。其中起到生理
功效的主要是染料木素、大豆黄素及其苷,不仅参与
调节植物的生长活动,还能对人体发挥有益的生理调
节作用[2]。白藜芦醇的化学名称是 3,4,5-三羟芪(3,
4,5-trihydrostilbene),属二苯乙烯衍生物,在植物体内
以顺式和反式 2种异构体存在。1924年被发现[3],
1974年在葡萄属植物中也找到了该物质,并首先
定性为一种植物自身能产生的抗逆物质。目前已
知白藜芦醇还存在于桑树、花生、买麻藤、朝鲜槐
等 21科、31属的 72种植物中[4]。随着异黄酮合成
酶(isoflavonesynthase,IFS)基因和白藜芦醇合成酶
(resveratrolsynthase,RS)基因的识别使基于营养改
良为目的的农业多酚相关基因工程成为现实。目
前,IFS及 RS的转基因研究已倍受人们的关注。
1 大豆异黄酮研究进展
1.1 大豆异黄酮的功能
近几年研究发现大豆异黄酮对人体的生理生
化有益功能作用主要有以下几种:(1)抗氧化作用:
能消除人体内的活性氧,终止自由基链锁反应;(2)
抑制肿瘤毒细胞裂变作用:东南亚国家食用豆制品
30g/d左右,比欧美国家高 7倍,使乳腺肿瘤发病率
降低 30%;(3)阻碍酪氨酸蛋白激酶活性作用:防止
新生血管网脉形成;(4)促进细胞增生周期作用:防
止癌细胞处于倍增基因准备期;(5)降低胆固醇作
用:每人摄取一定量的异黄酮,可使高、低密度胆固
醇平衡;(6)发挥 DNA局部异构酶 I的作用:使
OH基因与葡醛酸及硫酸结合去甲基化;(7)加强
植物多酚相关基因的研究进展
张虎平
(新疆石河子大学农学院园艺系,石河子 832003)
摘 要: 植物多酚对人体的保健作用已引起人们的广泛关注。大豆异黄酮和白藜芦醇是两类重要的多酚物质。综
述了大豆异黄酮和白藜芦醇的研究进展,重点阐述了大豆异黄酮合成酶基因和白藜芦醇合成酶基因的遗传转化,并对该
领域今后的研究做了展望,为通过基因工程调控植物多酚的合成提供了新思路。
关键词: 多酚 大豆异黄酮 白藜芦醇 基因
AdvanceinGenesRelatedwithPlantPolyphenol
ZhangHuping
(DepartmentofHorticulture,ColegeofAgriculture,ShiheziUniversity,Shihezi832003)
Abstract: Thecarefunctionofplantpolyphenolforpeople’shealthhasbeenbeingfolowedwithinterest.
Soybeanisoflavoneandresveratrolareimportantpolyphenolsubstances.Inthispaper,theprogresesofsoybeanisoflavone
andresveratrolwerereviewed,especialythegenetictransformationofisoflavonesynthasegeneandresveratrolsynthase
gene.Theprospectsofthisfieldwerealsogiven,andanew trainforthesynthesisofplantpolyphenolcontroledby
geneengineeringwasofered.
Keywords: PolyphenolSoybeanisoflavone ResveratrolGene
2008年第2期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论·
2008年第2期
内分泌系统作用:抑制醛糖还原酶,促进胰酶细胞
恢复;(8)减少冠状动脉心脏病发作作用:每人食用
豆制品 30g,可使发作率下降 15%~20%;(9)防治
妇女更年期肾质疏松症作用:每人摄入 60g大豆制
品,可使肾密度明显增加;(10)调节体内微循环及
促进新陈代谢作用:每天食用 18mg异黄酮,能防
止老年痴呆症及早老性痴呆[5]。
国际上对开发大豆为材料的异黄酮保健食品
十分热门,在美国、欧洲、日本、韩国,以异黄酮为主
要成分的保健食品已成为一种新型畅销食品。我国
政府围绕大豆的营养价值,在全国推行了“大豆行
动计划”[6,7],巨大的市场需求和坚实成熟的科研基
础,更加显示出目前开发该方面产品的重要意义,
具有良好的市场前景。
1.2 大豆异黄酮合酶基因的研究
大豆异黄酮的合成源自类黄酮生物合成途径
中生成的中间代谢物黄烷酮。催化黄烷酮进入异黄
酮合成途径的第一步反应酶为异黄酮合酶 IFS,是
异黄酮生物合成途径的关键酶[8,9]。2000年,Shimada[10]
从 百 脉 根 中 克 隆 到 IFS全 长 cDNA(LjCYP-1,
AB024931);2003年,Kim [11]从白三叶草中克隆到
IFS全长 cDNA(AY253284),并在酵母中表达。应用
RT-PCR方法已从小扁豆(Lensculinarys,AF195804,
AF195805)、羽扇豆(Lupinalbus,AF195813)、紫花苜
蓿(MedicagoSativa,AF195800,AF195801,AF19580
2)、雪豆 (Pisumsativum,AF195812)、红三叶草
(Trifoliumpratense,AF195810,AF195811)、白三叶
草(Trifoliumrepens,AF195815,AF195814)、毛苕子
(Viciavilosa,AF195803)、绿豆(Vignaradiate,AF195
806,AF195807,AF195808,AF195809)等 9种植物
中克隆出 IFS全长 cDNA[12~14]。根据已克隆的 l5种
豆科植物中 IFScDNA序列和功能分析,IFS基因
的拷贝数在 1~3之间,基因在编码区含有 1个长度
在 135~218bp的内含子,不同植物全长 cDNA序列
高度保守,在 400~600bp和 800~1200bp区段完全
相同,由 cDNA推导的蛋白氨基酸序列同源性在
92%~97%之间[12]。2000年,杜邦公司首次把大豆
IFS基因转入不能合成异黄酮的模式植物拟南芥,
并在叶片和茎中检测到 IFS的 mRNA,染料木素含
量约为 2μg/g[12]。Liu[15]将大豆 IFS基因转入拟南芥
F3H和 DFR双突变体 t6/t3中,由于分支途径的
阻断,转基因植株中染料木素含量提高 5~30倍。目
前,利用转基因技术已将异黄酮合酶基因导入自然
条件下无法产生异黄酮化合物的单、双子叶植物
中,包括小麦、玉米、水稻、向日葵和油菜,异黄酮类
化合物在这些植物体内的成功表达对提高植物的
抗病性和对人类健康都具有重要意义。
IFS的研究是当前植物次生代谢工程的一个热
点。进行异黄酮合成途径代谢工程,一是能增强植
物对环境胁迫的抗性,二是可以改良农作物的异黄
酮营养质量,提高食品的医疗保健功能,三是通过
构建全新的代谢途径有助于对次生代谢途径调控
机理的认识。虽然异黄酮生物合成表达调控的机理
研究时间不长,但从取得的进展看,限制 IFS基因
高水平合成异黄酮的瓶颈是类苯丙烷合成途径提
供底物的能力和分支途径对底物的竞争影响合成。
因此针对异黄酮的代谢工程下一步应深入研究不
同大豆品系在合成异黄酮化合物时的调控机理;如
何有效提高异黄酮合成酶底物水平,减少内源竞争
酶的活性,加强 IFS酶活性效能;同时要继续开展
IFS基因的克隆及其结构与功能关系的研究,通过
筛选和结构修饰为异黄酮代谢工程提供高活性基
因[16]。
2 白藜芦醇研究进展
2.1 白藜芦醇的功能
白藜芦醇除了能提高植物抵抗病原体的能力
外,还具有多方面有益于人类健康的生物药理活
性,深受生物医学界研究的重视。白藜芦醇的保健
功能主要表现在以下几个方面:(1)抗癌作用:研究
表明反式白藜芦醇和顺式白藜芦醇都具有抗癌活
性,其原因是它们可以抑制蛋白质-酪氨酸激酶的
活性[17,18]。1997年,Jang等[4]在 Science杂志上发表
文章,系统地报道了白藜芦醇的抗肿瘤作用,Res
作为化学预防试剂,能干涉肿瘤生成的 3个阶段
(诱发,促进和发展)中的一个或几个;(2)心血管
保护作用:白藜芦醇对治疗心脑血管疾病有很好的
疗效,且毒性很小,便于长期服药。1989年 WHO证
实优质葡萄酒中所含白藜芦醇大大降低了法国人
心脏病发病率和死亡率,研究表明它主要从调节血
脂、抗血栓形成、抑制血管内皮细胞增殖和抗低密
张虎平:植物多酚相关基因的研究进展 21
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第2期
度脂蛋白氧化等几个方面发挥抗动脉粥样硬化、防
治冠心病从而对心血管起到保护作用[19];(3)抗氧
化、抗自由基作用:白藜芦醇的抗氧化作用很引人
注目,因为它涉及到与人体健康密切相关的许多生
理疾病,如动脉粥样硬化、炎症与过敏反应、老年痴
呆症、病毒性肝炎等。当白藜芦醇在 1.3g/ml时,能
明显抑制大鼠红细胞的自氧化溶血和由 H2O2引起
的氧化溶血,对小鼠心、肝、脑、肾的体内外过氧化
脂质的产生有明显的抑制作用[20]。
1999年白藜芦醇被国家科技部列为国家级新
产品计划。我国西安纳贝生物工程技术有限公司采
用细胞培养方法生产和提取天然药用植物产品,目
前的核心产品就是白藜芦醇,已表明该产品既可作
为一种原料药,又可发展为一种新药。
2.2 白藜芦醇合酶基因的研究
白藜芦醇对机体的种种功效使白藜芦醇的研
究成为了目前的一大热点,伴随着基因工程操作技
术的建立与发展,RS基因研究已倍受科学家的关
注。目前控制白藜芦醇合成的 RS基因已经通过
PCR技术从葡萄的叶片中分离出来,并已导入烟
草、小麦、大麦等农作物中,转基因烟草、小麦、大麦
都表现出对灰霉病(Botrytiscinerea)抗性的增强[21,22]。
不同来源的 RS基因结构存在一定的差异,其
合成白藜芦醇的能力也不同,因此关于 RS基因的
研究十分活跃[23]。Hain[24]等从花生中分离出 RS基
因,并将其与卡那霉素抗性基因一同转入烟草,选
用紫外光进行诱导,结果显示 RS基因迅速在烟草
细胞中得到表达,l0min后检测到了特异 mRNA,花
生和转基因烟草悬浮培养物的 RSmRNA合成的比
较研究也显示了相同的基因表达动力学参数。1993
年 Bayer等[25]从葡萄中分离了 RS基因,转入烟草,
随着抗菌化合物白藜芦醇的形成,再生的烟草植株
对灰霉病抗性增强,转基因植株种每鲜克叶片中检
测到400μg的白藜芦醇。1997年,Stark-lorenzen等[26]
将来源于葡萄的 RS基因用 PEG介导的直接转化
法导入具有重要商业价值的水稻品种 Nipponare的
原生质体中。谭琳等[27]在 2003年克隆了来自欧洲
葡萄(Vitisvinifera)的 RS基因,并成功地转化了番
茄,通过 HPLC检测表明,RS基因在番茄植株中表
达并产生了较高水平的白藜芦醇,其含量达到
12.45mg/kg。
伴随着 RS基因的转入,有的植物体也发生了
异常的反应。2000年,Kobayashi[28]等从 3种葡萄(V.
vinifera,V.labrusca,V.riparia)中分离到 RS基因,
在 CaMV35S启动子控制下,由农杆菌介导将它们
转入猕猴桃(Actinidiadeliciosa),结果表明:该基因
的确在植物体内得到表达,但转化体的叶子中产生
的是云杉新苷(白藜芦醇的衍生物)而不是白藜芦
醇,这可能是由于整合进去的基因表达的白藜芦醇
被该植物内源性的糖基转移酶代谢成了云杉新苷。
得到的转化子中,幼嫩叶片中云杉新苷的最高含量
达 182μg/g(鲜重)。Fischer[29]等从葡萄中分离到 RS
基因并转入烟草中,RS基因得到高效表达,也产生
了高水平的白藜芦醇,但转基因烟草的花粉失去生
活能力,而且烟草粉红花色也消失了。
3 展望
“多酚”源于天然植物(含多酚较多的常见植物
超过 600种),保健作用全面且对人体无毒无害。
“多酚”相关基因的遗传转化更有效地促进了 “多
酚”相关产品的研究开发。结合我国的天然资源优
势,研究植物多酚将在医药、保健品、食品、化妆品
等各个领域的应用前景十分广阔。国际上对植物多
酚的研究大部分集中在含量的调控和医药开发方
面。近年来,植物遗传学、分子生物学和基因工程技
术迅速发展,人们对植物的生长发育和代谢调控已
有了全新的认识。通过基因工程技术调控植物多酚
次生代谢物的合成途径,可提高转基因植物合成外
源多酚类化合物的含量。特别是利用本身保健功能
比较强的作物,作为生物反应器来合成外源多酚类
次生代谢物,将不仅有利于提高转基因植物抗病水
平,减少其大田生产过程中的农药用量,从而提高
其卫生品质;而且还可望提高其保健品质,以满足
人类对保健性食品日益提高的需要。
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效措施的证据,不能提供足够证据的,不予许可;对
申请许可者提供的证据,应当由专家组成的专门机
构进行评审,不能通过评审的,不予许可;对未经许
可非法从事研究和商业活动的,予以制裁。所谓“谨
慎发展”,一是考虑转基因动物器官移植蕴藏的对
整个人类的风险,因而一定不能发展过快,每一阶
段的研究都应建立在比较确定的科学知识基础之
上,并且要鼓励基础研究的进展;二是干细胞技术
在不远的将来可能会成为很有前景的定向培育细
胞、组织、器官的途径,但由于也涉及较多的伦理争
论,因而要权衡这两种技术的利弊,不能操之过急。
3.3 尊重患者的知情同意权和选择权,保守患者
的秘密
医疗机构要坚持不懈地宣传转基因动物器官
移植的原理、作用和意义,向社会公开其工作性质
及工作程序,强化临床医生的职业伦理和业务知识
及技能的培训与操作,提高他们的移植水平和应用
能力,一切以患者为中心,热忱为患者服务,应与患
者或其亲属或法定代理人充分讨论转基因动物器
官移植的程序,客观地说明已知的危险和可能发生
的危害,让病人对转基因动物器官移植有充分的理
解,并尊重病人自主做出的决定,由医院与患者本
人签署知情同意书,提高患者的心理承受能力,使
其树立新的伦理观念,配合医生做好移植手术,在
医生的指引下注意术后的护理和治疗。在移植过程
中,医生要充分考虑患者的利益,尽最大努力将损
伤降低到最小的程度,将风险减少到最低限度,使
其受移植后“利大于弊”。与此同时,医生要保守患
者个人的秘密,不能有丝毫的泄露。
3.4 严格转基因动物器官移植的操作过程
参照美国政府制订的《异种器官移植的准则草
案》的做法,一是制定转基因动物器官移植的临床
计划,要求移植工作者涵盖外科医生、传染病医生、
兽医、移植免疫学家、感染控制专家,以及临床微生
物学家等;二是确保选择的转基因动物器官没有传
染因子;三是通过临床和实验室检查监测转基因动
物器官移植接受者的健康状况;四是为提供转基因
动物器官移植评估长期安全性和有助于开展转基
因动物器官移植流行病学调查,建议进行转基因动
物器官移植全国性登记。
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