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Advances in research on secondary metabolites of Eucommia ulmoides

杜仲次生代谢物的研究进展



全 文 :豆杉细胞培养实验中以 1 g / L AC 抗褐变效果最好,超过 5
g / L ,生长受影响,褐变严重[ 17]。而在南方红豆杉的愈伤组织
实验中以 0. 1 g / L AC 抗褐变效果最好[16]。又如, CA 的主要
成分为氨基酸和少量的肽, 0. 1%~0. 5% CA 能参与细胞分
裂和生长,促进愈伤组织的生长; 浓度较高时不仅抑制天然
氨基酸的正常合成, 而且 CA 中过量的芳香族氨基酸进入次
级代谢途径, 产生了许多酚类物质, 从而激活了 PPO、POD
等与酚类物质氧化有关的酶类,导致醌类物质积累, 褐变反
而加重。所以,在南方红豆杉的愈伤组织培养中添加 0. 1%
CA ,能明显抑制 PPO 活性,减轻培养基和愈伤组织的褐化
程度, 促进愈伤组织的生长[16]。而在东北红豆杉的细胞培养
过程中添加 1. 0% CA ,却有效促进 PPO 的活性, 加重褐化,
抑制细胞培养物的生长[ 20] , 作用效果完全相反。
3. 3 对红豆杉抗褐变效果较好且使用较多的有抗氧化剂类
Vc、吸附剂类 AC。实验中也得到类似结果。另外添加PVP、
CA、PA、LH、谷氨酰胺和桂皮酸等也有一定的抗褐变效果。
3. 4 各种添加剂对褐变作用的描述各不相同, 有“防止”、
“减轻”、“改善”、“抑制”等。但“有效防止或抑制”的抗褐变剂
还有待于进一步的研究和筛选。值得注意的是无论使用何种
抗褐变剂,其目的是保持红豆杉细胞的正常生长、保证紫杉
醇的稳定合成, 所以既要考虑其经济实用性, 又不能影响这
一总目标。
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杜仲次生代谢物的研究进展
王亚琴1,张康健2
( 1. 华南理工大学食品与生物工程学院, 广东 广州 510640; 2. 西北农林科技大学,陕西 杨凌 712100)
摘 要: 详细介绍了贵重药材杜仲所含的各种次生代谢物以及各自的功效, 其中重要次生代谢物松脂素二葡萄糖
苷是降压的主要成分, 环烯醚萜类的桃叶珊瑚苷具有预防和治疗肿瘤、强效抗菌、利尿等功效, 绿原酸抗菌作用明
显, 对消化系统、血液系统和生殖系统均有药理作用;重点阐述了运用植物组织培养法这一新兴生物技术生产杜仲
·836· 中草药 Chinese T raditional and Herbal D rug s 第 35 卷第 7 期 2004年 7月
 收稿日期: 2003-10-21基金项目:广州市科技计划项目( 2004JE-C0231)作者简介:王亚琴( 1972—) ,女,博士,讲师, 1998年毕业于西北农林科技大学药用植物资源开发与利用专业,现任教于华南理工大学食品与生物工程学院,主要研究方向为生物工程制药。 T el: ( 020) 87113841 E-mail: w angyq19@ hotmai l. com
有效成分(桃叶珊瑚苷、绿原酸)的研究现状,为解决杜仲药源紧缺问题提供了科学依据; 同时对这些领域存在的问
题及发展前景进行了展望。
关键词: 杜仲;次生代谢物; 合成;积累; 组织培养
中图分类号: R282   文献标识码: A   文章编号: 0253 2670( 2004) 07 0836 04
Advances in research on secondary metabolites of Eucommia ulmoides
WANG Ya-qin
1
, ZHANG Kang-jian
2
( 1. Co llege o f Food and Bioeng ineering, South China Univer sity of T echnolog y , Guang zhou 510640, China ;
2. Nor thw est Science and Techno lo gy Univ ersit y of Ag riculture and Fo restr y , Yang ling 712100, China )
Key words : Eucommia ulmoides Oliv. ; secondary metabol ites; synthesis; accumulat ion; tissue culture
  杜仲 Eucommia ulmoides Oliv . 是杜仲科杜仲属植物,
为中国特有的贵重中药材和工业提胶原料树种。主要分布于
甘、陕、晋、豫、湘、鄂、川、滇、黔、桂、皖、浙、赣、闽等省、自治
区的平原到海拔 1 690 m 间的丘陵和山地。早在《神农本草
经》就记载了杜仲的药效:“杜仲性味甘、微辛、温、无毒, 有补
肝肾、强筋骨、益腰膝、除酸痛的效能”。近代医学又证明了杜
仲具有双向调节血压的特性,以及提高机体抗缺氧耐力、增
强免疫功能、防止动脉硬化等功效。其中,次生代谢物环烯醚
萜类的桃叶珊瑚苷等具有预防和治疗肿瘤、强效抗菌、利尿
等功效; 绿原酸抗菌作用明显,还有一定的降压作用,对消化
系统、血液系统和生殖系统均有药理作用[1]。
1 杜仲次生代谢物类型
两千多年前, 杜仲以皮入药。而近代医学研究表明, 杜仲
的叶、果实和枝条中含有和皮相似的次生代谢物, 主要为木
脂素类、环烯醚萜类、黄酮类、苯丙烷类、多糖、酚类、三萜类、
甾类、有机酸、氨基酸、微量元素等。杜仲之所以具有多种药
效正是这些次生代谢物在起作用。
1. 1 木脂素类:木脂素类化合物是杜仲皮的主要成分。迄今
为止, 从杜仲皮中分离出的木脂素类化合物有 28 种,多数为
苷类化合物。木脂素类化合物的生物活性因结构不同而各
异。其中松脂素二葡萄糖苷是杜仲皮降压的主要成分; 丁香
脂素二葡萄糖苷对中枢神经系统有保护作用,具有促进神经
生长因子及抗胃溃疡作用; 一些木脂素化合物对 cAMP 磷
酸二酯酶有很强的抑制活性,可用作血管扩张剂; 松脂素和
丁香脂素具有抗脂质过氧化作用; 另外研究还发现, 木脂素
类化合物具有抗肿瘤、抗补体、增强免疫的作用[ 2]。
1. 2 环烯醚萜类:从杜仲皮、叶中分离到的 10 多种环烯醚
萜类成分多数为已知化合物,具有一定的药理活性, 如京尼
平苷、京尼平苷酸、京尼平、桃叶珊瑚苷、筋骨草苷、哈帕苷乙
酸酯、雷扑妥、杜仲醇、杜仲醇苷、脱氧杜仲醇等。其中京尼平
苷酸具有预防性功能低下、增强记忆功能、抗癌、降压、抗氧
化、泻下及促进胆汁分泌作用[ 3] ;京尼平苷有显著的泻下作
用和利胆作用; 桃叶珊瑚苷有明显的保肝活性、较强的抗菌
和利尿作用; 杜仲醇具有促进胶原蛋白合成、抗脂质过氧化
的作用[ 4]。
1. 3 黄酮类: 黄酮类化合物是植物界分布较广泛的一类天
然酚性化合物, 是药用植物的主要活性成分之一。其不仅具
有止咳、平喘、祛痰、抗菌、抗病毒及消炎作用, 而且对心血管
疾病都有防治作用,同时还具有抗肿瘤活性、抗肝脏毒作用、
雌性激素样作用。杜仲的黄酮类化合物仅存在于叶中, 主要
为黄酮醇[2] ; 成军等[ 5]对杜仲叶中的黄酮类化合物进行了研
究, 首次从叶中分离到 ast rag alin、hirsutin、r utin、3, 4-dihy-
drobenzonic acid、ethyl glucopyr ano side等 7 种黄酮成分。
1. 4 苯丙烷类: 在杜仲中广泛存在的苯丙烷类化合物是形
成木脂素的前体,主要包括苯丙酸类和苯丙醇类。在杜仲皮
和叶中含量最高的苯丙酸类物质是绿原酸, 一般有 5%左
右。其具有显著的药理活性,对消化系统、血液系统和生殖系
统均有疗效 ;不仅具有增加胃肠蠕动、促进胃液分泌和利胆
作用, 而且还具有对自由基的清除及抗脂质过氧化作用、保
肝作用、抗菌、抗病毒及解痉作用等。
1. 5 多糖: 研究表明,多糖类成分不仅是一种非特异性免疫
增强剂, 可起到抗菌、抗病毒、抗肿瘤、抗辐射、抗衰老的功
效,而且具有降血糖、降血压、降胆固醇、抗炎、抗溃疡、抗血
凝、抗生育和止吐等多种生理活性[6]。从杜仲中分离出的杜
仲糖 A、B 对人体无毒, 对网状内皮系统具有活化作用, 可增
强机体非特异性免疫功能,能抑制先天性免疫不全病毒的感
染,防止先天性免疫不全病毒细胞的危害。
1. 6 其他成分: 在杜仲的树皮、叶子和种子中均含有一种国
际上称之为古塔波胶的天然高分子物质, 质量分数高至
6%~10% , 其具有很强的抗酸碱能力、耐水性、耐寒性、低膨
胀率和高绝缘性。虽然不具有任何药用效能, 但在工业橡胶
生产上是一种用途广泛、功能多样的原料胶种。
另外, Deyama等[ 2]从杜仲皮中获得的熊果酸衍生物 ul-
mo idol以及 Okada 等[7]从杜仲叶的氯仿提取物中分离出的
降解萜黑麦草内酯, 经药理学证明均具有免疫抑制活性; 同
时杜仲皮、叶中还含有多种挥发性成分、氨基酸、微量元素和
丰富的维生素;杜仲籽中含有人体不能合成的 -亚麻酸, 质
量分数高达 61%以上。
2 杜仲次生代谢物合成与积累的时空性
杜仲在长期的演化过程中,由于天然杂交、自然选择、人
工栽培等因素的影响,同一立地条件下生长的无性系其个体
生长发育会出现差异,这种种内变异是遗传变异和生境变异
相互作用引起的, 直接导致各无性系次生代谢物含量的差
异,出现杜仲药材品质优劣的现象。张康健等[ 8]测定了同一
        中草药 Chinese T raditional and Herbal Drug s 第 35 卷第 7 期 2004年 7月      ·附 1·
立地条件下 40 个杜仲无性系叶片的次生代谢物含量,发现
芽开绽期的早晚对次生代谢物含量有显著的影响;树皮类型
对京尼平苷、京尼平苷酸含量有显著影响;胸径生长量、树高
生长量、性别等对次生代谢物无明显影响。通过对杜仲生长
发育特性与次生代谢物含量关系的分析 ,为杜仲的良种选育
和高含量次生代谢物的提取提供了参考依据。
不仅同一立地条件下的杜仲无性系叶中次生代谢物含
量有差异,不同的生长发育时期, 次生代谢物在植株中的分
布变化也较大。因为药用植物的次生代谢物并非在数量和质
量、时间和空间上都均匀分布于整个植株, 每一个植物种群
都有自己的特征化学物质, 对于每一个体, 其次生代谢物随
器官、组织和细胞甚至年龄、季节和环境条件而变化。2002
年张康健等[ 9]详细研究了杜仲各部位(皮、叶、雄花、雌花、
果)次生代谢物的含量变化, 为杜仲资源的合理利用提供了
新的科学依据。
杜仲是多年生的药用植物, 随着生长年龄的增长,其体
内的有效成分含量会发生变化。只有研究清楚植物生长发育
规律、次生代谢合成积累的动态变化,在次生代谢物积累的
高峰期采收, 才能获得高产、优质的药材。张康健等[10, 11]研
究了杜仲不同年龄、生长发育期不同月份次生代谢物含量的
变化, 认为杜仲次生代谢物含量在 1~4龄较高,随着树龄增
长, 增加缓慢或有下降趋势;各次生代谢物随月份合成积累
动态不一致, 其含量达到高峰的月份也不同。
研究还发现, 药用植物所含次生代谢物含量的高低不仅
与遗传因素有密切关系, 而且与所生存的环境、气候条件等
生态因子有着很大的关系, 这也正是中药讲究“道地药材”的
原由。作者于 1996年对全国 7个杜仲主产区杜仲叶中 6 种
次生代谢物含量进行了研究, 结果显示生态因素也是调控次
生代谢物的重要因素, 其中微量元素对次生代谢物的影响最
大; 从而初步确定了杜仲的道地产地[12]。
3 杜仲次生代谢物的组织培养学研究
研究发现, 杜仲叶和杜仲皮的化学成分与药理作用基本
相似, 有些成分质量指数还高于皮[13]。然而, 无论是炮制的
中药成品, 还是天然叶、皮原料, 由植物次生代谢途径生成的
有效成分的质量指数都很低。运用细胞工程生产次生代谢物
作为目前世界上生物技术研究的三大潮流之一,其中运用组
织培养技术诱导次生代谢物含量高的愈伤组织,然后通过改
变培养发酵条件(如温度、光照及碳源等) , 应用次生代谢诱
导子以及增加底物分子浓度等来改变目标产物产量的研究
最受关注。曾黎琼等[ 14]对杜仲愈伤组织 (叶片、茎段、子房、
花药等培养物)的有效成分进行了研究,并与杜仲树皮、叶片
的主要药用成分 (桃叶珊瑚苷、绿原酸 )进行了测定分析比
较, 认为杜仲树皮、叶片和愈伤组织都含有桃叶珊瑚苷、绿原
酸等有效成分, 但含量存在一定差异,为运用植物组织培养
法这一新兴生物技术生产杜仲有效成分 ,解决药源紧缺问题
提供了科学依据。唐建军等[ 15]研究了组织培养条件对杜仲
愈伤组织形成及次生代谢过程的影响, 结果发现, 以杜仲叶
片作外植体, 较易获得愈伤组织; 添加前体丙酮酸和次生代
谢诱导子葡聚糖可显著增加愈伤组织中桃叶珊瑚苷的产量;
最有利于绿原酸积累的条件是 28 ℃, 蔗糖作碳源、附加 0. 5
m g/ L NAA 的White 培养基或添加苯丙氨酸的 Bourgin &
N ist ch 培养基。Wang 等[16]建立了利于杜仲次生代谢物绿原
酸积累的悬浮细胞系, 条件为 M S 培养基附加 2. 0 mg / L
2, 4-D , 获得了平均质量分数为 2. 15%的绿原酸。杨振堂
等[17]研究了杜仲组织培养中培养条件与含胶量的关系, 认
为次生代谢物杜仲胶含量随着继代次数的增加呈增加趋势,
在 4~7代出现了一个含胶高峰值区, 8 代以后又迅速下降;
增加光照虽然能增加含胶量, 但愈伤组织增殖倍数降低, 杜
仲胶生产的总效率以暗培养为好;固体静止培养的杜仲胶含
量和生产效率比液体振荡培养高;从而提出了一个较理想的
产胶愈伤组织生产工艺。
4 结语
4. 1 杜仲是我国特有的珍贵药材和提胶工业原料, 目前已
形成了从药用、天然保健品系列产品到化工、医药原料及杜
仲胶的系列产品的综合开发。然而在如何提高次生代谢物产
量以及相关的提取分离技术方面仍存在着不足, 利用组织培
养、细胞培养技术大规模生产次生代谢物的研究工作报道不
多。这些方面都有待于进一步研究,尤其是运用生物工程技
术进行杜仲次生代谢研究的领域。
4. 2 在人类返璞归真、回归自然思想的指导下, 杜仲次生代
谢物保健品的开发迅速。日本现已开发出杜仲茶、杜仲挂面、
桂仲大酱等天然保健品;我国贵州开发出“杜仲晶”, 陕西生
产出杜仲纯粉、杜仲速溶茶、杜仲精口服液、杜仲冲剂、杜仲
酒等产品,重庆、浙江开发出杜仲茶饮料,甘肃生产出杜仲复
方化妆品等。杜仲保健产品正逐渐为人们所认识和接受。
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人们的广泛关注。相对于芦荟中的其他成分而言, 关于芦荟色酮的研究, 国内外开展还较少。现对芦荟色酮成分、药
用价值、提取分离和分析方法进行了综述。
关键词: 芦荟色酮;生物活性; 分离纯化
中图分类号: R284   文献标识码: A   文章编号: 0253 2670( 2004) 07 附 3 03
Research and development of aloe chromone
CAO Xue-li, PAN Xia, ZHAO Hua, HE Cong-fen, DONG Yin-mao
( Beijing Key Labo rat or y o f Plant Resour ces Resear ch and Development,
Beijing T echnolog y and Business Univer sity , Beijing 100037, China)
Key words : aloe chromone; biolo gical act ivity; isolat ion and purificat ion
  芦荟是一种含有多种生物活性物质的食用和药用植物,
这些活性成分主要存在于芦荟叶的 3个独立部分: 凝胶、外
皮和包含在维管束细胞内的黄色汁液[ 1]。凝胶是芦荟叶肉的
主体部分,对人体的作用比较缓和, 其中含有的以甘露聚糖
为主的芦荟多糖具有免疫、促进细胞分裂和伤口愈合等功
能, 对多种由于免疫力下降引起的疾病都有显著的疗效[2]。
芦荟外皮及黄汁所含活性成分与凝胶相反,对人体的作用比
较激进, 它们的主要作用是消炎、杀菌、致泻等[3]。
多年来,人们对芦荟凝胶进行了广泛而深入的研究, 而
芦荟外皮及黄汁因为致泻, 加之又带有黄色, 受到人们的冷
落, 对其研究也相对较少。近年来,美国科学家首先发现芦荟
全叶干粉具有很多功效, 例如消炎、杀菌、抗辐射、抗溃疡等,
都是芦荟去皮干粉所无法比拟的, 于是纷纷将目光投向了芦
荟外皮。
芦荟叶皮中主要含有两种不同类别的成分:芦荟蒽醌和
芦荟色酮[ 4]。以芦荟素和芦荟大黄素为主的芦荟蒽醌类物质
是最早被人们发现的存在于芦荟叶皮中的活性成分, 并一度
认为是芦荟中对人体产生作用的主要物质[5]。但是, 芦荟科
技工作者逐渐认识到存在于叶皮中的色酮所具有的生物活
性更值得开发、利用[ 6]。于是对色酮的研究开辟了对芦荟研
究的一片新天地。
1 芦荟中的色酮成分
芦荟中的色酮类组份含量较低,其在芦荟外皮中的含量
分布为: 叶片近轴内表面( adaxial par ts)高于叶片离轴外表
面 ( a bax ia l part s) ; 叶片尖端 ( terminal) 高于叶片基底
( basa l) ;叶片边缘明显高于叶片的其他部位[4]。
当前的研究表明,在脱色凝胶中芦荟色酮的质量分数小
于 0. 000 1% , 在未脱色凝胶中的质量分数小于 0. 001 1% ;
在脱色全叶提取物中质量分数小于 0. 000 2% , 在未脱色全
叶提取物中小于 0. 002 5% [7]。现已分离的芦荟色酮主要有 8
种,其分子结构如图 1 所示, 不同的官能团赋予了芦荟色酮
不同的物理化学性质和药效特征[6]。
        中草药 Chinese T raditional and Herbal Drug s 第 35 卷第 7 期 2004年 7月      ·附 3·
 收稿日期: 2003-11-22基金项目:北京市教委科技发展计划项目( KM 200310011044)