全 文 ：中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 44 卷 第 23 期 2013 年 12 月

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利用细胞和基因工程技术提高植物三萜皂苷合成策略的研究进展
孙凤阳，胡 盈，赵 越，由香玲*
东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040
摘 要：三萜皂苷是一类很重要的植物次生代谢产物，是很多药用植物的主要活性成分，其在抗癌、抗炎、抗过敏、防治心
脑血管疾病等方面有很好的功效。由于三萜皂苷自然产量低，限制了其商业应用。从植物细胞工程和基因工程技术角度，分
析了影响三萜皂苷合成的主要因素：组织材料的筛选、培养条件的优化、规模化生产以及与三萜皂苷合成相关酶基因的诱导
和过表达等，概述了提高三萜皂苷合成的相关研究成果。
关键词：三萜皂苷；关键酶基因；细胞工程技术；基因工程技术；诱导子
中图分类号：R282.1 文献标志码：A 文章编号：0253 - 2670(2013)23 - 3422 - 07
DOI: 10.7501/j.issn.0253-2670.2013.23.028
Advances in studies on strategies of enhancing plant triterpene saponin synthesis
by cell and gene engineering technology
SUN Feng-yang, HU Ying, ZHAO Yue, YOU Xiang-ling
College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Key words: triterpene saponins; key enzyme genes; cell engineering technology; gene engineering technology; elicitor

三萜皂苷是植物中广泛存在的次生代谢产物，
由三萜皂苷元和糖、糖醛酸和其他有机酸组成，已
发现达 30 余种类型[1]，主要为四环三萜和五环三萜
两大类[2]。三萜皂苷是很多药用植物如人参[3]、柴
胡[4]、西洋参[5]、三七[6-7]等的主要活性成分，具有
抗癌、抗炎、抗过敏、降血糖、防治心脑血管疾病
等作用[1]，有广阔的应用前景和可观的经济效益。
2008年，全球传统医学产品市场大约为 830亿美元，
并将以每年 5%～18%的增长率增长，全球草药贸易
金额有可能在 2050 年达到 7 万亿美元[8]。
目前，三萜皂苷主要从栽培植物中提取，但植物
生长周期长，皂苷量较低且受到各种环境因素的影
响，限制了其广泛应用。通过组织培养技术可以解决
植物在自然环境中生长周期长等问题，生物反应器的
应用可以在短时间内获得大量植物材料。此外，在培
养基中添加诱导子可增加三萜皂苷的质量分数[9-12]。
随着在分子水平上对三萜皂苷生物合成途径研
究的不断深入，很多上游关键酶基因如法尼基焦磷
酸合酶（FPS）、鲨烯合成酶（SS）、鲨烯环氧酶（SE）
等在不同植物中得以克隆[13-15]，下游的关键酶基因
如细胞色素 P450 酶（CYP450）等的研究近年来
也取得了较大的进展[16-20]。这使得通过植物次生代
谢工程的方法调控三萜皂苷生物合成途径中的关键
酶基因表达，进而提高植物中三萜皂苷的含量成为
可能。本文从大量获得植物材料及提高植物中三萜
皂苷质量分数两个方面对目前提高三萜皂苷产量的
研究进展进行了综述，以期对三萜皂苷的商业化生
产有所帮助。
1 利用细胞工程技术促进三萜皂苷合成
三萜皂苷结构复杂，目前皂苷主要从栽培植物
中提取。这种途径存在许多问题，栽培植物易受到
周围环境如栽种区域、季节变化、光、潮湿度、温
度、土壤肥沃度等以及栽培技术的影响，从而导致
三萜皂苷的量发生变化[21]。另外，一些栽培植物生
长周期长，产量低。例如三七分布范围狭窄，仅限
于北纬 23°30′附近的中高海拔地区[22]，而且种子有

收稿日期：2013-07-16
基金项目：国家自然科学基金资助项目（J1210053）
作者简介：孙凤阳（1989—），女，在读硕士研究生，研究方向为植物细胞工程。Tel: (0451)82191752 E-mail: daisynefu@163.com
*通信作者 由香玲 Tel: (0451)82191752 E-mail: yxiangling@yahoo.com
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后熟特性，经过 130 d 左右才能完成后熟过程[23]，
生长周期长[24]，加之病虫害严重[25]，且具有连作障
碍[26]，导致三七产量较低。此外，栽培植物在形态
和遗传上具有多样性，如含有三萜皂苷的主要植物
人参，其根由于尺寸、形状、外貌等无法统一，而
影响了其经济效益[27]。植物组织培养可以有效解决
上述问题，其繁殖方式不受地理区域、季节等的影
响，且通过组织培养获得的组织、器官及植株等
还可以通过生物技术等手段改变目标产物的量。
目前，多种含三萜皂苷的药用植物如三七[6]、西
洋参[27]、人参[28]等已建立了离体培养系统。
1.1 筛选三萜皂苷合成的最佳离体培养组织材料
不同地域、不同品种的植物中三萜皂苷种类和
量均有所差异；同种植物不同组织、器官中三萜皂
苷的量也不同，根据需求选择合适的外植体种类及
稳定且高产的组织材料是极为重要的。
三萜皂苷在某些植物叶片中的量较高。李科志
等[29]采集分析了广西不同地域五、七叶绞股蓝、不
同组织中总三萜皂苷的量。结果显示，广西南部产
五叶绞股蓝叶片三萜皂苷质量分数（41%）高于广
西北部产五叶绞股蓝（36%）；七叶绞股蓝叶片三萜
皂苷质量分数显著高于五叶绞股蓝；绞股蓝叶片中
三萜皂苷的平均量（4.72%）显著高于茎的平均量
（1.85%）。从组织培氧角度，绞股蓝茎比叶片更适
合作为诱导愈伤组织的外植体。其茎的愈伤组织诱
导率（96%）及愈伤组织生长情况都明显好于叶片
（20%）。绞股蓝愈伤组织中人参二醇的质量分数为
0.027%，比栽培绞股蓝（0.007 3%）和野生绞股蓝
（0.025%）的量均高[30]。
三萜皂苷在某些植物中根部的量较高。如五加
科植物人参中的皂苷成分主要集中在根部，Huang
等[31]以人参根为外植体，诱导愈伤组织，后经发根
农杆菌侵染获得毛状根。比较了人参愈伤组织、不
定根及毛状根培养过程中生长量、皂苷的累积情况。
结果表明，人参愈伤组织和毛状根中总皂苷的量低
于自然生长人参根中总皂苷的量，而人参不定根中
总皂苷量（0.67%）高于自然生长的人参主根中总
皂苷的量（0.27%），其生长速度亦较快，因此，推
断人参不定根是生产人参皂苷的较好选择。
此外，不同来源的细胞系中含有的三萜皂苷量
亦有所差异。郑光植等[32]比较了由三七的根、块根、
根茎、茎、叶柄、叶和花蕾等各部位诱导出的愈伤
组织，发现茎愈伤组织在干质量增加、生长速率、
总皂苷量和产率、皂苷元的量等方面均优于其他部
位愈伤组织。
1.2 优化培养体系
培养条件影响植物中三萜皂苷的量，对培养条
件进行优化以寻求最佳培养条件，提高植物生长速
率和三萜皂苷含量是其最终目标。目前的研究主要
集中于基本培养基种类、培养基组分（无机盐浓度、
蔗糖浓度、氮源、磷酸盐等）、植物生长调节因子、
光照、接种条件及培养方式等方面。
不同的基本培养基（MS、SH、B5）对西洋参
细胞生长及皂苷的积累有一定影响。MS 培养基最
有利于西洋参细胞生长，B5 培养基同时使得多糖和
皂苷的量达到最高，说明较低的总氮浓度有利于多
糖和皂苷的合成；而 SH 培养基也使得皂苷的量达
到较高程度，这可能与该培养基中高浓度的无机盐
有关[33]。Huang 等[31]研究了用 250 mL 锥形瓶悬浮
培养人参不定根过程中，MS 培养基盐强度（1/2～2
MS）、蔗糖质量分数（2%～6%）、氮源（NH4+/NO3−
比例）、磷酸盐（0～3.75 mmol/L）对人参皂苷量的
影响。结果表明，人参不定根在 3/4 MS 盐强度、4%
蔗糖、NH4+-NO3−为 9:36、1.25 mmol/L 磷酸盐条件
下，人参皂苷产量达到了最高（132.90 mg/L）。
对人参[34-36]、积雪草[37]等的研究表明，植物生长
调节因子不仅对组织材料的生长也对其三萜皂苷的
积累有重要影响。Bonfill 等[35]研究了不同植物生长激
素对人参愈伤组织器官发生能力及人参皂苷量的影
响，发现2, 4-D对愈伤组织器官发生能力起抑制作用，
而 3-吲哚丁酸钾盐（IBA）和萘乙酸（NAA）增强了
这种作用，2, 4-D、IBA 及 NAA 均促进了愈伤组织形
成的根或芽中皂苷的合成，其中，添加了 NAA 的培
养基中愈伤组织形成的根中人参皂苷量最高。
此外，接种条件、培养方式、光照等对外植体
的生长及皂苷量都有一定的影响。例如，长 7～10
mm 的人参根，接种比例为 5 g/L，最适于人参不定
根生长及皂苷的积累[34]；朴炫春等[38]比较了间歇浸
没式和完全浸没式两种方式培养人参不定根，发现
完全浸没式培养的不定根鲜质量和干质量比间歇浸
没式培养的不定根分别高出 23.2%和 9.5%；较高的
光照强度可促进离体培养的人参根的生长，1 700 lx
光强度下培养的人参根的生长量比 3 500 lx 光强度
下培养的人参根降低了 10%[39]。
1.3 利用植物生物反应器培养技术
利用生物反应器大量或规模化培养植物细胞、
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组织、器官，生产三萜皂苷是目前研究的热点。Paek
等[40]建立了 500 L 鼓泡式生物反应器大规模培养人
参不定根体系，经 56 d 培养后三七不定根生长率提
高 150 倍，收获的人参不定根中总皂苷量达到了
1%；通过添加诱导子 [如茉莉酸甲酯（MeJA）] 的
方法使总皂苷量增加到 4%～5%。从 20 世纪 90 年
代，韩国已经实现了大型生物反应器生产人参不定
根及其皂苷的产业化，其中 Vitress 公司的生物反应
器的最大容量为 10 吨；其生产的各种人参皂苷商品
已被认可[41]。
目前利用小型生物反应器进行传统药用植物不
定根[42]、毛状根[43]、胚性细胞[44]等培养的报道较多，
如人参、三七、西洋参、黄芪等。Han 等[45]利用 17
L 气升型生物反应器培养三七悬浮细胞，经 15 d 培
养后，细胞干质量（24 g/L）和皂苷产量（91 mg/L）
均达到最大值。随后，研究了糖饲养法（在第 13
天添加）对三七悬浮细胞及皂苷量的影响，在第 17
天时，细胞干质量达到 30 g/L，皂苷产量达到 113
mg/L，均增加了 25%。Kochan 等[46]利用 10 L 营养
喷洒型生物反应器培养西洋参毛状根，初始接种量
为 27 g 鲜质量（2.65 g 干质量），经 30 d 培养后收
获的毛状根为初始接种量的 5 倍，人参皂苷量为 6
mg/g。Wu 等[47]利用 5 L 气球型泡沫生物反应器培
养黄芪不定根，初始接种量为 30 g 鲜质量，经 40 d
培养后，收获的黄芪不定根鲜质量为 540 g，皂苷量
为 3.4 mg/g，几乎与三年生黄芪根中皂苷量（3.6
mg/g）一致。
2 利用基因工程技术促进三萜皂苷合成
2.1 植物三萜皂苷生物合成途径
植物萜类化合物通过 2 个途径独立合成，即位
于细胞质中的甲羟戊酸（MVA）途径和位于质体中
的 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸（DXP）途径（图 1）。
MVA 途径生成异戊烯基焦磷酸（IPP），IPP 可在异
戊烯基焦磷酸异构酶（ippi）作用下生成二甲基烯
丙基焦磷酸（DMAPP），而 DXP 途径同时生成 IPP
和 DMAPP[48]。IPP 和 DMAPP 在牻牛儿基焦磷酸合
成酶（GPS）作用下形成牻牛儿基焦磷酸（GPP），
接着利用 FPS 转化成法尼基焦磷酸（FPP），又在
SS 的作用下合成鲨烯，然后经 SE 催化转变为 2, 3-
氧化鲨烯[49-50]。接着氧化鲨烯环化酶家族（OSC）[包
括达玛烷二醇合成酶（DS）、β-香树素合成酶
（β-AS）、环阿屯醇合成酶（CAS）、羽扇豆醇合成
酶（LS）等] 催化 2, 3-氧化鲨烯环化生成结构、功
能各异的植物甾醇和三萜类骨架，被认为是植物甾
醇和三萜化合物生物合成的关键分支点[50]。三萜碳
环骨架合成后，还必须经过复杂的修饰作用才能形
成三萜皂苷，目前对这一过程的具体步骤还不是十
分清楚。CYP450 和糖基转移酶（GT）被认为参与
了这一过程[49]。
2.2 利用诱导子调控三萜皂苷关键合成酶基因
利用诱导子来提高次生代谢产物的量，是目前
在药用植物细胞培养中常用的方法。诱导子可分为
生物诱导子（病原菌及植物细胞成分等）和非生物
诱导子（MeJA、水杨酸、重金属、稀土元素等）[51]。
MeJA 是诱导三萜皂苷合成最有效的诱导子。Wang
等[9]用 10 mg/L MeJA 诱导人参不定根 24 h，SE 及
DS 基因均表达上调，总皂苷量为对照组的 4.76 倍。
Kim 等[10]用 0.1 mmol/L MeJA 诱导人参毛状根，改
变了人参皂苷合成相关基因表达水平及其合成量。
FPS、SS、SE 及 DS 基因的表达水平相对于对照组
均升高，而 CAS 基因的表达水平略有降低，β-AS
基因的表达水平无显著变化，CYP450 家族的 5 个
基因表达水平与对照组无差别，但糖基转移酶的 3
个候选基因表达上调；原人参二醇型皂苷（Rb1、
Rb2、Rb3、Rc、Rd）和原人参三醇型皂苷（Rg1、
Rg2、Rf、Re）量都显著增加，特别是 Rb 组人参皂
苷的量比对照组增加了 5.5～9.7 倍，而 Rg 组人参
皂苷的量比对照组增加了 1.85～3.82 倍。但是，Kim
等[52]用 0～150 μmol/L MeJA 处理人参不定根时发
现，MeJA 在促进人参皂苷量增加的同时，也抑制
了人参不定根的生长。对此问题，Kim[12]和 Bae[53]
分别在利用 MeJA 作为诱导子处理人参不定根的
同时，利用植物生长调节剂来改善不定根的生长。
25 μmol/L IBA 和 100 μmol/L MeJA 共同处理人参
不定根，极大促进了其生长，人参皂苷产量（10
mg/L）是 100 μmol/L MeJA 单独处理的 1.37 倍[12]；
而 50 μmol/L 乙烯磷和 100 μmol/L MeJA 共同处理
人参不定根时，人参皂苷产量是 MeJA 单独处理的
2.17 倍[53]。
2.3 调控三萜皂苷关键合成酶基因过表达方式
三萜皂苷生物合成途径及其关键酶基因的深入
研究为提高其在植物组织中的量提供了理论依据。
因此利用生物工程技术对关键酶基因进行调控是提
高三萜皂苷量的重要手段。
目前，三萜皂苷合成途径上游关键酶基因的研
究较为清晰，主要有 FPS、SS、SE、β-AS、DS、
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图 1 三萜皂苷生物合成途径[48,50]
Fig. 1 Biosynthesis pathway of triterpene saponin[48,50]
CAS。Kim 等[54]将人参的 FPS 转移到积雪草毛状根
中并让其过量表达，发现积雪草 DS 和 CAS 酶
mRNA 表达水平显著提高，三萜皂苷及总甾醇量均
升高。人参 SS 基因在人参中的过表达使编码 SS、
SE、β-AS、CAS 等酶的基因表达上调，且增加了三
萜皂苷和甾醇的量[55]。Han 等[56]研究编码人参 SE
的 2 个基因 SE1 和 SE2 时发现，人参 SE1 基因主
要作用于人参皂苷的生物合成，且在一定程度上可
以决定甾醇和三萜皂苷生物合成的走向，沉默人参
SE1 基因可导致人参中三萜皂苷量急剧下降，同时
基因 SE2 和 CAS 的表达上调，甾醇的积累增加。
赵寿经等[57]构建了人参 β-AS 基因的 RNAi 植物表
达载体，经发根农杆菌介导转化人参根外植体获得
了表达反义 β-AS 基因的人参发根系；表达反义
β-AS的 5个人参发根系在液体培养条件下生长 30 d
后，齐墩果烷型人参皂苷 Ro 量比对照组均有所降低
（幅度达 13%～40%），达玛烷型人参皂苷的量呈逐
渐增加趋势，β-AS 酶活性下降，DS 酶活性升高，
这表明通过抑制人参 β-AS 基因的表达，使代谢能
量主要流向达玛烷型皂苷合成支路，提高了达玛烷
型人参皂苷的量[58]。
三萜碳环骨架合成后，必须经过复杂的修饰作
用才能形成三萜皂苷，这一过程的具体步骤还不是
十分清楚，CYP450 家族和 GT 家族是目前研究的
三萜皂苷合成途径最下游关键酶。CYP450 是一种
以铁卟啉为辅基的 b 族细胞色素，具有高度保守的
FxxGxRxCxCx 的结构域，多催化羟化反应[59]，但
其催化底物多样并且往往需要多个 CYP450s 的参
与才能完成最终产物的合成[60]。GT 家族在三萜皂
苷合成中主要起糖基化作用，该酶种类繁多但具有
高度专一性。在三萜皂苷元合成皂苷时，GT 使得
原人参二醇型骨架 C-3 和 C-20 的羟基进行了糖基
化，形成了原人参二醇型人参皂苷；而原人参萜三
醇则是 C-6 和 C-20 进行了糖基化，形成了原人参三

MVA 途径 DXP 途径
异戊烯基焦磷酸 二甲基烯丙基焦磷酸
GPS GPS
牻牛儿基焦磷酸
FPS
法尼基焦磷酸
鲨烯
SS
SE
2, 3-氧化鲨烯
β-香树素
β-AS
皂苷
环阿屯醇
植物甾醇
CAS
DS
LS
羽扇豆醇 达玛烷二醇
原人参二醇
原人参三醇
CYP450
CYP450
GT
皂苷
ippi
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醇型人参皂苷[61]。
少数植物如三七[16]、西洋参[17]、人参[18]等有筛
选参与三萜皂苷合成途径的 CYP450 家族和 GT 家
族基因的报道，并发现可能参与三萜皂苷合成的候
选基因。但 CYP450 家族和 GT 家族功能验证方面
的研究较少，仅人参和西洋参等几种植物有报道。
Sun 等[19]从西洋参中首次克隆并鉴定了一个催化达
玛烷二醇形成原人参二醇的CYP450基因 PqD12H，
并对其功能进行验证，在体外，将其导入 WAT21
酵母中，在添加达玛烷二醇的培养基中成功异源表
达获得原人参二醇皂苷，在体内对其进行 RNAi 时，
原人参二醇皂苷和原人参三醇皂苷的量均减少，说
明 PqD12H 基因编码的酶参与了原人参二醇皂苷的
合成。Han 等[62]鉴定了人参中一个 CYP450 家族的
基因 CYP716A47，该基因编码的酶催化达玛烷二醇
C-12 位羟基化，形成原人参二醇。因此，三萜皂苷
合成途径下游关键酶还有待于进一步研究。
3 结语与展望
植物组织培养具有生长周期短、培养条件可控
性等优点，可以解决生长在自然环境中的植物生长
周期长、有效成分量低且受多种环境因素影响等问
题。但因不同地域、不同品种的植物中三萜皂苷种
类和量均有所差异，同种植物不同组织、器官中含
有的三萜皂苷量也不同，根据需求选择合适的外植
体种类及稳定且高产的组织材料是极为重要的，目
前仅少数几种植物研究较多，且这项工作极为繁重，
以后还需投入大量的人力、物力进行实验研究。在
培养过程中，培养条件对植物材料中三萜皂苷的量
影响非常大，所以，必须对培养条件进行优化以寻
求能提高三萜皂苷产量的最佳培养条件。利用生物
反应器可以在较短时间内获得大量的植物材料，在
培养基中添加诱导子可以明显增加皂苷的量，但常
用的诱导子 MeJA 对人参不定根的生长有抑制作用，
同时获得大量植物材料及较高的三萜皂苷量的研究
还需进一步展开。
目前对三萜皂苷合成途径已经有了一定了解，
且通过基因超表达可以显著提高三萜皂苷的量，利
用 RNAi 等手段可以调控代谢方向，增加目的皂苷的
量。但对下游关键酶的了解还不够清晰，这使得通
过生物工程合成有重要药理作用的三萜皂苷和稀有
三萜皂苷依然存在很多问题。因此未来的研究应进
一步补充和完善植物三萜生物合成途径及其网络，
明确相关酶基因表达的组织和发育的调控机制[63]。
与植物生产系统相比，微生物异源表达系统由于
其繁殖快、生产条件下的稳定性、易扩展性及产品纯
化的简单性而成为一种有吸引力的替代系统[64]。以基
因工程方法为主要技术手段的合成生物学已成功应
用于青蒿素、紫杉醇等重要天然产物的人工合成应
用中。如何选择合适的宿主、优化前体物质的合成
体系以及实现三萜皂苷合成途径中前体物质下游基
因的功能性表达，是利用合成生物学技术实现三萜
皂苷人工合成的关键。近年来迅速发展的酶工程、
蛋白质工程、体外合成生物学及基于途径重构的组
合生物合成，都极大地促进了三萜皂苷生物合成的
研究。
随着生物信息学、基因组学及转录组学的应用，
cDNA 文库的建立，测序手段的提高，必然能加快
三萜皂苷生物合成途径的解析进程，进而使人工调
控三萜皂苷生产成为可能。
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