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Significant impact of different induction conditions on metabolic diversity of callus cell lines of Glycyrrhiza sp.

诱导培养条件显著改变甘草愈伤组织次生代谢产物的多样性



全 文 :诱导培养条件显著改变甘草愈伤组织
次生代谢产物的多样性
刘凤彩1,吕建明2,吴秀祯1,2,张卫1,2
(1天津大学 化工学院,天津 300072;2天津艾赛博生物技术有限公司,天津 300457)
[摘要] 采用化学分析和高效液相色谱(HPLC)相结合的方法评价典型愈伤组织诱导培养条件对甘草愈伤组织次生代
谢产物多样性的影响,这些诱导培养条件包括甘草种属(胀果甘草和光果甘草)、外植体(胚轴和子叶)、光照条件(24h光照
和24h黑暗)和2种激素组合。以化学成分总黄酮为指标,采用单因素方差分析法(OnewayANOVA)评价不同诱导培养条件
下获得的甘草愈伤组织的总黄酮含量,结果显示甘草种属、外植体和光照条件对甘草愈伤组织中总黄酮的含量影响显著(P<
005)。采用HPLC指纹图谱的差异度评价不同诱导培养条件对甘草愈伤组织次生代谢产物多样性的影响发现:诱导培养条
件对愈伤组织的次生代谢产物的多样性有显著影响,激素组合(差异度=037)和光照条件(差异度 =045)对甘草愈伤组织
次生代谢产物的多样性影响最大。上述结果对选择合适的愈伤组织和细胞系培养生产甘草药用次生代谢产物或活性组分具
有重要的指导意义。
[关键词] 甘草;愈伤组织;药用次生代谢产物;HPLC;指纹图谱;差异度
[收稿日期] 20130521
[通信作者]  张卫,教授,Tel:(022)65378408,Fax:(022)
65378409,Email:wzhang@acelbiocom
[作者简介] 刘凤彩,硕士研究生,Tel:(022)65378408,Email:fe
nyliu@126com
  甘草是世界上最古老也是最常用草本药材之
一,大量使用和长期过度开发使得世界上的野生甘
草资源面临枯竭的危机。甘草植物细胞和组织培养
是生产药用材料尤其是其活性成分的一种有意义的
技术。但是到目前为止,所有有关甘草细胞诱导和
培养的研究报道只关注愈伤组织诱导条件对细胞中
某类特定的次生代谢产物合成的影响[15],未见关于
不同诱导条件对甘草愈伤组织次生代谢产物多样性
影响的报道。尽管诱导培养获得的细胞与野生或人
工种植的甘草药材含有相似的活性次生代谢产物,
但是如果它们的次生代谢产物有显著差异,它们的
药用价值是不相同的。同时,作为一个培养生产中
药植物药用成分或组分的技术,合适的细胞株系建
立和选择与其次生代谢产物多样性密切相关。因
此,本实验旨在利用一种简单快速的方法来评价不
同诱导培养条件对甘草愈伤组织次生代谢产物多样
性的影响,具体来说是结合对愈伤组织的总黄酮化
学分析和HPLC指纹图谱分析来定性定量评估不同
诱导培养条件下甘草愈伤组织的次生代谢产物多样
性的差异以及甘草愈伤组织与道地种植的甘草药材
的差异,从而为高产药用次生代谢产物以及植物细
胞作为替代药材的甘草细胞株系的筛选提供实验
依据。
1 材料与方法
11 样品 甘草种子和三年生甘草根均购自新疆
神农有限公司,经天津中医药大学李天祥教授鉴定
为胀果甘草(GlycyrhizainflataBat,GI)和光果甘草
(GglabraL,GG);乙腈(NO100269,SKChemi
cals,Korea)和冰乙酸(天津光复精细化工研究所)
均为色谱级;实验中所用到的其他的化学品除有特
别说明外,均为分析级药品。
12 种子萌发 挑选充实饱满的胀果甘草和光果
甘草种子,用玻璃砂研磨去除表面蜡质种皮,自来水
冲洗7~10遍,用75%的乙醇消毒20s后,用无菌
水冲洗5~7遍,接着用368mmol·L-1HgCl2溶液
消毒7~8min,再用无菌水冲洗7~10遍,用无菌滤
纸吸干种子表面水分后接种到 MS0(不添加激素)
琼脂培养基上[6],置于黑暗条件下,25℃培养。3d
后,种子萌发出新鲜的嫩芽。
13 愈伤组织诱导和继代 胚轴和子叶是文献中
最常用的甘草愈伤组织诱导的2种外植体,成功率
较高[12,7]。本研究选择这2种外植体进行研究,将
萌发11d后的无菌苗胚轴切成约05cm的小段,
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子叶切成约 05cm2的小块接种到诱导培养基上
(MS基本培养基+激素+质量分数为3%的蔗糖+
质量分数为07%的琼脂),pH58。根据文献选择
的其他典型的愈伤组织诱导的激素组成和光照条件
见表1[2,5,8]。25℃培养,8d后,进行第1次继代,
继代的愈伤组织的培养条件和培养基组成与愈伤组
织诱导相同,继代周期为21d[9]。
表1 本研究选择的典型的甘草愈伤组织的诱导和培养条件
Table1 Selectedrepresentativecalusinductionandculture
conditionsofGlycyrhizasp
处理 激素/mg·L-1 光照条件 甘草种属外植体
A2,4D1+6BA1+KT05 黑暗,24h GI 胚轴
B2,4D1+6BA1+KT05 黑暗,24h GG 胚轴
C2,4D1+6BA1+KT05 黑暗,24h GI 子叶
D2,4D1+6BA1+KT05 光照/1000lx,24h GI 子叶
E6BA1+NAA1 光照/1000lx,24h GI 子叶
14 愈伤组织分析样品的制备 不同诱导条件下
获得的甘草愈伤组织连续继代4次,生长稳定后,取
培养1个周期的愈伤组织,45℃干燥至恒重,然后
将愈伤组织研磨成粉末,取02g甘草愈伤组织粉
末加入10mL70%乙醇,室温下放置24h,超声提取
30min,放冷至室温,补足溶液到刻度,取上清过
045μm滤膜备用。
15 总黄酮含量的测定 准确量取2mL样品溶
液,加入05mL质量分数为10%KOH,涡旋混匀,
室温下放置5min,加70%乙醇到10mL,涡旋混匀,
室温下放置90min,以70%乙醇为空白对照,在400
nm波长下测定样品吸光度,以甘草苷为对照品绘制
标准曲线。
16 HPLC色谱分析条件 Agilent1100高效液相
色谱仪(配有G1314A紫外检测器、G1311四元梯度
泵、G1379A在线脱气装置、G1329B自动进样器),
Agilent1100化学工作站;色谱柱为 ApoloC18柱
(46mm×250mm,粒径 5μm)。检测波长 254
nm;流速为1mL·min-1;检测温度为25℃;进样量
20μL,流动相 A乙腈,B1%醋酸溶液,流动相梯度
为0min,90% B;15min,80% B;35min,70% B;
45min,50% B;50min,40% B;55~65min,30% B;
70min,50% B;75min,70% B;80min,90% B。
17 数据分析 本实验中的所有数据都是采用至
少3个重复,以 珋x±s表示。采用单因素方差法
(OneWayANOVA)分析不同诱导培养条件对甘草
愈伤组织总黄酮含量的影响。采用中药指纹图谱相
似度评价系统(2004,A版)分析愈伤组织次生代谢
产物的多样性的差异。
2 结果与讨论
21 不同诱导培养条件对甘草愈伤组织总黄酮含
量的影响 为考察不同诱导培养条件对甘草愈伤组
织总黄酮含量的影响,分别选取了一些典型的诱导
条件包括甘草种属、外植体、光照条件和激素组合进
行了5组试验,见表1。其中,处理组 A和 B,C和
D,A和C,D和E分别考察2种甘草种属、光和暗条
件、2种外植体、2种激素组合对甘草愈伤组织总黄
酮含量的影响,结果见图1。
图1 GG和 GI道地药材甘草根和5种典型诱导条件获得
的甘草愈伤组织中总黄酮的含量的比较
Fig1 Comparisonofcontentoftotalflavonoidsincalusin
ducedfromfiveselectedrepresentativeconditionsandthatof
herbalmedicinalrootsofGIandGG
  在本研究中,采用甘草苷为对照品,以甘草苷的
浓度C为横坐标,以吸光度 A为纵坐标,测得甘草
苷对照品的回归曲线为 Y= 00158X,R2 =
09991,实验表明对照品质量浓度在20~100μg·
L-1与吸光度A呈良好的线性关系。检测栽培甘草
根和甘草愈伤组织中总黄酮的含量,结果表明,5种
诱导培养条件下获得的愈伤组织中总黄酮的质量分
数为15~60mg·g-1干重,比相同种属栽培甘草根
中总黄酮的含量(GI为120mg·g-1干重,GG为55
mg·g-1干重)要低很多。相同培养条件下,不同种
属的甘草诱导的愈伤组织中总黄酮的含量不同,胀
果甘草诱导的愈伤组织(处理A)中总黄酮为25mg
·g-1干重,高于光果甘草诱导的愈伤组织(处理B)
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中总黄酮的15mg·g-1干重;24h连续光照条件下
诱导培养的愈伤组织(处理 D)总黄酮的质量分数
(60mg·g-1干重)要远高于24h黑暗条件下(处理
C)培养的愈伤组织总黄酮(20mg·g-1干重),这与
杨世海等[9]利用乌拉尔甘草下胚轴为外植体在白
色光照(荧光灯连续照射)和黑暗(24h)培养愈伤
组织进行有效成分分析时,得出的愈伤组织在光照
条件下合成的黄酮类化合物的总量是黑暗条件下合
成的化合物总量的2倍的结论一致。处理 D,E的
甘草愈伤组织中总黄酮含量都很高,但相差不大,见
图1。在选取考察的5个诱导培养条件中,胀果甘
草的子叶为外植体在光照下诱导时选取的这2个激
素都比较适合进行甘草愈伤组织总黄酮的生产。实
验结果采用单因素方差分析法(OneWayANOVA)
进行分析,甘草种属、外植体和光照条件对甘草愈伤
组织中总黄酮的含量具有极其显著的影响,然而,激
素组合对甘草愈伤组织中总黄酮的含量无显著影
响,见表2。植物细胞中黄酮类化合物的合成受诱
导培养条件的影响,这与杨世海等[10]以乌拉尔甘草
胚轴为外植体,以不同类型的培养基、不同培养基
pH、培养基中添加不同激素等条件诱导并培养甘草
愈伤组织,得到的愈伤组织中黄酮类化合物的含量
不同的结论一致。
表2 典型诱导培养条件对甘草愈伤组织次生代谢产物多
样性影响的显著性统计分析
Table2 Impactofselectedrepresentativecalusinductioncon
ditionsoncontentoftotalflavonoidsandsecondarymetabolite
diversityinGlycyrhizasp.calus
处理组 总黄酮含量P 次生代谢产物多样性的差异度
A/B 37×10-5 027
C/D 14×10-6 045
A/C 10×10-3 016
D/E 60×10-2 037
  注:甘草次生代谢产物差异显著(015≤差异度 <03);甘草次
生代谢产物差异非常显著(差异度≥03)。
22 甘草愈伤组织次生代谢产物的多样性的差异
 本文采用中药指纹图谱相似度评价系统(2004,A
版)通过比较愈伤组织样品HPLC图中的峰面积、峰
数量计算HPLC图的相似度,从而获得其差异度。5
种典型诱导培养条件下甘草愈伤组织的次生代谢产
物的多样性组成的HPLC图。用7种甘草黄酮及三
萜类化合物作为对照品检测诱导培养的甘草愈伤组
织的化合物组成,结果显示活性次生代谢产物甘草
苷[11]、异甘草苷、甘草素[12]、甘草查尔酮A[13]、甘草
酸以及异甘草素[14]都存在于本实验中培养的甘草
愈伤组织中,见图2。
a6种对照品的色谱图;b处理 A中的愈伤组织指纹图谱;c处理
B中的愈伤组织指纹图谱;d处理 C中的愈伤组织指纹图谱;e处
理D中的愈伤组织指纹图谱;f处理 E中的愈伤组织指纹图谱;
1甘草苷;2异甘草苷;3甘草素;4甘草查尔酮 A;5甘草酸;
6异甘草素。
图2 5种典型诱导培养条件获得的甘草愈伤组织的指纹
图谱
Fig2 HPLCChromatographicfingerprintsofGlycyrhizacali
inducedunderfiveselectedrepresentativeinductionconditions
  采用中药指纹图谱相似度评价系统计算不同诱
导培养条件下的愈伤组织指纹图谱间的相似度,差
异度为1减去相似度值。首先,分析对甘草愈伤组
织总黄酮含量具有极其显著影响的诱导培养条件
(甘草种属、光照条件和外植体),结果显示,甘草种
属(差异度=027)、光照条件(差异度=045)对甘
草愈伤组织次生代谢产物的多样性具有非常显著的
影响,诱导培养条件外植体(差异度 =016)对甘草
愈伤组织次生代谢产物的多样性具有显著的影响;
接着,分析对甘草愈伤组织总黄酮含量无显著影响
的诱导培养条件(激素组合),结果表明,激素组合
对甘草愈伤组织次生代谢产物的多样性具有非常显
著影响(差异度=037),见表2。
采用中药指纹图谱相似度评价系统还可以得出
甘草愈伤组织指纹图谱之间的共有峰和非共有峰。
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分析对甘草愈伤组织次生代谢产物多样性具有显著
影响的诱导培养条件,结果显示不同的诱导培养条
件下的甘草愈伤组织指纹图谱间共有峰及非共有峰
的数量并没有显著的差别(A和 B,A和 C,C和 D,
D和E)。
进一步对甘草愈伤组织中的峰面积占总峰面积
百分比大于5%的色谱峰进行分析,可以看出相同
色谱峰在不同指纹图谱中的峰面积是不同的,即同
一化合物在不同的愈伤组织中含量是不同的,例如
化合物3和化合物6分别在诱导培养条件 C,D中
含量最高,每个指纹图谱中出现在3817min的化
合物的峰面积都远远高于其他4种化合物的峰面
积。分别将每个指纹图谱中5个化合物的峰面积相
加在一起进行分析,结果显示对甘草愈伤组织中5
种主要化合物的总含量影响由大到小依次为光照条
件、激素组成、外植体和甘草种属。
综上所述,对甘草愈伤组织中总黄酮的含量具
有显著影响的诱导培养条件对次生代谢产物的多样
性也具有显著的影响[15],对甘草愈伤组织中总黄酮
含量影响小的诱导培养条件对次生代谢产物的多样
性也有可能会有显著影响(表2),这是因为甘草愈
伤组织中的次生代谢产物除黄酮外,还有许多其他
的化合物。在这4种诱导培养条件中,光照条件对愈
伤组织次生代谢产物的多样性的影响最显著(差异
度=045),这可能是因为一些甘草次生代谢产物的基
因只有在光照条件下才能表达,黑暗条件下这些基因
不表达或黑暗条件抑制这些基因的表达[16]。
23 甘草愈伤组织与人工栽培的甘草药材次生代
谢产物多样性的比较 三年生胀果甘草和光果甘草
中许多次生代谢产物的含量都高于甘草愈伤组织,
然而,甘草愈伤组织中也有部分次生代谢产物的含
量高于人工种植的甘草,如异甘草苷和甘草素见图
2,3。以人工种植的胀果甘草的指纹图谱为对照图
谱,计算典型诱导培养下的甘草愈伤组织指纹图谱
与同种属的人工种植的胀果甘草根指纹图谱的相似
度,进而计算差异度,结果处理 A,C,D,E中的甘草
愈伤组织与人工种植的胀果甘草的指纹图谱差异度
分别为090,095,094,086;以人工种植的光果
甘草的指纹图谱为对照图谱,处理 B与它的指纹图
谱差异度为092,可以看出甘草愈伤组织次生代谢
产物的多样性与人工种植的甘草药材之间差别极其
显著。
a光果甘草;b胀果甘草。
图3 人工种植甘草根指纹图谱
Fig3 HPLCChromatographicfingerprintsoffieldcultivation
Glycyrhizaroots
3 结论
本实验采用总黄酮化学分析和HPLC指纹图谱
分析相结合的方法成功评价了典型诱导培养条件对
甘草愈伤组织次生代谢产物多样性的影响,不同诱
导培养条件下的愈伤组织次生代谢产物的多样性也
明显不同,光照条件(差异度 =045)和激素组成
(差异度=037)对愈伤组织次生代谢产物的多样
性影响最大。比较甘草愈伤组织的指纹图谱和人工
种植的甘草根的指纹图谱,可以发现一些新的色谱
峰,至于这些色谱峰所对应的化合物是不是新的化
合物,需要结合HPLCMSNMR等方法进一步分析,
如果产生系列新的化合物可以进一步建立一个新的
化合物库,为药用植物资源的深度开发提供来新的
资源。
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2TianjinAcelbioBiotechnologyCo,Ltd,TianjinInternationalJointAcademyofBiotechnologyandMedicine,
Tianjin300457,China)
[Abstract] Thepurposeofthisstudywastoevaluatetheimpactofcalusinductionandcultureconditionsonsecondarymeta
bolicdiversityofthecaluscellinesoftraditionalChinesemedicinalplantGlycyrhizasp.(Glycyrhiza)bycombinedchemicalanaly
sisandHPLCfingerprint.ThesecalusinductionconditionsincludedtwoGlycyrhizaspecies,twotypesofexplants,lightanddark
conditions,andtwocombinationsofhormones.Theevaluationwasfirstlybasedonthecontentsoftotalflavonoidsinthecalusby
chemicalanalysisandonewayANOVA.Thecontentoftotalflavonoidsincaluswassignificantly(P<0.05)influencedbyGlycyrhiza
species,lightcondition,andthecombinationofhormones.Thecaluswasfurtherevaluatedusingdiversityfactorbasedonthecompar
isonofHPLCfingerprintsofthesecaluscellines.Diversityfactorvariessignificantlyforcaliinducedunderdiferentconditions,with
thehighestbeingat0.45underlightconditionandcombinationofhormones.Theseresultsprovideimportantknowledgefortheselec
tionofsuitablecaluscellinesfortheproductionofpharmacologicalyimportantsecondarymetabolitesorbioactivefractionsbyinvitro
cultureofGlycyrhizasp.
[Keywords] Glycyrhiza;calus;secondarymetabolite;fingerprint;HPLC;diversityfactor
doi:10.4268/cjcmm20132313
[责任编辑 吕冬梅]
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第38卷第23期
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