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红豆杉属植物组织与细胞培养影响因素研究进展



全 文 :第 33卷 第 10期 西北农林科技大学学报 (自然科学版 ) Vo l. 33 No. 10
2005年 10月 Jour. o f No r th west Sci-Tech Univ . of Ag ri. and Fo r. ( Nat. Sci. Ed. ) Oct. 2005
红豆杉属植物组织与细胞培养影响因素研究进展
李 健 ,宋晓平 ,陈树林
(西北农林科技大学 动物科技学院 ,陕西杨凌 712100)
   [摘 要 ] 红豆杉中的紫杉醇具有抗肿瘤活性 ,直接从植物中提取紫杉醇的传统生产方法 ,不仅产量低 ,而且
会对红豆杉野生资源造成严重破坏 ,而组织与细胞培养是一种极具潜力的紫杉醇生产技术。 文章对近年来国内外
红豆杉属植物组织与细胞培养工作中的培养基、培养条件、外植体选择、诱导子以及褐变等影响因素的研究情况进
行了全面系统地综述。
[关键词 ] 红豆杉 ;培养基 ;培养条件 ;外植体 ;诱导子 ;褐变现象
[中图分类号 ]  S791. 490. 4     [文献标识码 ]  A [文章编号 ]  1671-9387( 2005) 10-0042-05
  紫杉醇 ( tax ol )是 20世纪 70年代由 Wani从短
叶红豆杉 ( Taxus brevi folia )树皮中提取出来的具
有独特抗癌作用的天然产物。 自 1992-12美国食品
与药品管理局 ( FDA)批准将其用于治疗卵巢癌以
来 ,紫杉醇已在多个国家获准上市 ,中国医学科学院
药物研究所和海口制药厂已于 1995-10获得其新药
证书。但红豆杉属植物的野生资源十分有限 ,且生长
缓慢 ,体内紫杉醇含量亦很低 ,所以紫杉醇的药源问
题一直颇受关注 ,而且至今仍未得到很好的解决。红
豆杉属植物组织与细胞培养技术 ,是一种很有潜力
的紫杉醇生产方法。本文对国内外关于红豆杉属植
物组织与细胞培养方面的研究作以综述。
1 培养基的种类与组成成分
1. 1 培养基的种类
  刘佳佳等 [1 ]从红豆杉愈伤组织的诱导、继代保
存、生长和紫杉醇的生产等 4个不同方面对培养基
进行了筛选 ,结果表明 ,在红豆杉愈伤组织的诱导方
面 , M S培养基优于 B5 , N6 , SHN ( Schenk & Hilde-
brandt New )等培养基 ,以当年生嫩茎为外植体 ,愈
伤组织诱导率可达 100% ;继代培养时以 B5培养基
为好 ;愈伤组织的生长以 B5和 SHN培养基为好 ;而
紫杉醇的生产以 MS培养基为好。另外 ,有研究者 [ 2]
指出 ,在 MS, Miller, Nagata和 Abou-Man 4种培养
基中 ,红豆杉细胞均生长较快 ;其中在 Abou-Man培
养基上生长的红豆杉细胞干重最高 ,但紫杉醇未被
检出 ; H培养基上的红豆杉细胞中紫杉醇的含量可
高达细胞干重的 0. 11% ,但是生长缓慢。因此 ,建议
以 Abou-Man培养基为其基本生长培养基 ,以 H培
养基为其基本生产培养基。冉懋雄 [3 ]认为 ,红豆杉愈
伤组织的诱导 ,应当以 B5培养基为基础 ,并且液体
培养基比固体培养基更有利于缩短从诱导到悬浮培
养的生产周期。
总的来说 ,关于红豆杉培养物在不同生长阶段
应该采用何种培养基的问题 ,各文献中提出的观点
差异较大 ,这可能与试验所用材料的种属、生理状
态、取材部位、采集时间等多种因素有关 ,在实际操
作中 ,需要根据具体情况进行选择和优化。
1. 2 碳 源
碳源作为植物生长的基质和能量来源 ,对细胞
生长和次级代谢产物的生产有很大影响。 Kim等 [4 ]
在短叶红豆杉细胞悬浮培养中 ,比较了 20 g /L的蔗
糖、乳糖、半乳糖、葡萄糖、果糖对细胞生长的影响 ,
发现半乳糖和蔗糖最有利于细胞生长。 在高起始糖
浓度的培养基中 ,果糖最能刺激紫杉醇的合成 ,与高
起始糖浓度培养的细胞相比 ,采用补糖的方法 ,紫杉
醇产量在静止期可显著增加。元英进等 [5 ]的研究发
现 ,南方红豆杉 ( Taxas chinensis var. mairei Cheng
et L K Fu)细胞对蔗糖的消耗有一个临界点 ,即培
养液中总残留有 1 g /L的蔗糖不能被吸收 ,而培养
[收稿日期 ]  2005-01-10
[基金项目 ] 国家自然科学基金项目 ( 30170683)
[作者简介 ] 李 健 ( 1980- ) ,男 ,山西大同人 ,在读硕士 ,主要从事中药化学成分及药理作用的研究。
[通讯作者 ] 宋晓平 ( 1963- ) ,男 ,陕西周至人 ,教授 ,博士 ,硕士生导师 ,主要从事中药化学成分及药理作用的研究。 E-mai l: s xpxbnl
@ 163. com
DOI : 10. 13207 /j . cnki . jnwaf u. 2005. 10. 010
液中浓度为 30 g /L的蔗糖对细胞生长和产物合成
最为有利。蔗糖大部分被降解成葡萄糖和果糖 ,其中
葡萄糖有利于细胞的前期生长以获得大量的悬浮细
胞 ,在中期添加果糖有利于细胞培养后期合成紫杉
烷类化合物。
1. 3 氮 源
在氮源组成中 ,较低的 NH+4 /NO-3 比有利于细
胞的快速生长 ,而其他无机盐浓度与细胞生长之间
不存在这种关系。陈永勤等 [6 ]报道 ,培养基中高浓度
的 NO-3 有利于云南红豆杉 ( Taxas yunnanensis
Cheng et L K Fu)愈伤组织的生长 ,而高浓度的
N H
+
4 则抑制愈伤组织的生长 ,但可显著提高紫杉醇
的含量。在无机氮全部为铵态氮的处理中 ,愈伤组织
接种 1周后就变成砖红色 ,增殖较少 ,其生长指数显
著低于对照 ,但紫杉醇含量较对照高 1倍。
1. 4 前体化合物
在红豆杉属植物细胞培养过程中 ,有时培养细
胞不能按理论产率合成紫杉醇 ,其中一个很重要的
原因就是缺少紫杉醇合成的前体 ,此时如在培养物
中加入外源性前体 ,就会增加紫杉醇产量。 因此 ,选
择适当的前体相当重要。胡萍等 [7 ]认为 ,在红豆杉细
胞悬浮培养过程中 ,添加苯丙氨酸对其细胞生长有
利 ,而添加苯甲酸钠对其细胞生长不利 ,这是因为酸
性条件下苯甲酸钠部分以苯甲酸形式存在 ,苯甲酸
能进入细胞内部 ,扰乱细胞内酶的代谢 ,使细胞生长
受到影响。但较低浓度的苯甲酸钠对细胞的生长影
响不大。
但同样一种前体 ,在细胞的不同生长时期加入 ,
对细胞的生长和次生代谢产物合成的作用大不相
同 ,有时甚至还会起抑制作用。 在对中国红豆杉
( Taxus chinensis )细胞紫杉醇合成途径的研究 [8 ]中
发现 ,在培养第 1天添加 0. 2 mmol /L的苯丙氨酸和
苯基甘氨酸 ,到第 15天 ,紫杉醇产量较对照提高 50
% ,但添加更高浓度的前体则不能进一步提高紫杉
醇的积累 ;而在培养第 7天时添加这 2种前体 ,紫杉
醇的产量则没有提高。其可能的原因是 ,细胞中并不
缺乏苯丙氨酸等前体 ,而是缺乏将苯丙氨酸或苯基
甘氨酸转化为苯基异色氨酸的酶 ,该酶活力的变化
导致细胞无法接受更高浓度的前体和在某些时候不
能将前体纳入正确的合成途径。
1. 5 中间代谢产物和植物生长激素
孙彬贤等 [9 ]的研究发现 ,代谢中间产物 牛儿
醇、 牛儿 牛儿醇、蒎烯和甲瓦龙酸在合适的浓度
条件下 ,对南方红豆杉培养细胞的生长没有明显影
响 ,并且蒎烯对其生长还有一定促进作用 ,说明这 4
种代谢中间产物对细胞生长无毒害作用 ,可以被吸
收和利用。在合适的浓度时 ,上述 4种代谢中间产物
对南方红豆杉培养细胞中紫杉醇含量的影响不同。
其中 , 牛儿醇和 牛儿 牛儿醇对紫杉醇含量的
促进作用最为明显 ,分别比空白对照提高了 73%和
91% ,甲瓦龙酸的作用居中 ( 32% ) ,而蒎烯基本没
有作用。
不同的激素种类及其用量水平直接影响细胞的
生长和分化。盛长忠等 [10 ]对南方红豆杉叶愈伤组织
的诱导结果表明 , 2, 4-D比萘乙酸 ( N AA)更有利于
愈伤组织的形成。培养基中添加适当浓度的水解酪
蛋白 ( CA)、苯丙氨酸 ( Phe)和乙酸钠能促进南方红
豆杉愈伤组织的生长和紫杉醇的积累。
2 培养条件
2. 1 光 照
  在离体无菌培养条件下 ,细胞处于异养状态 ,且
培养基中已经添加了足够的碳源 ,光照并非用来提
供光合作用的能量 ,但是不同的光照时间和光照强
度仍然会对细胞代谢产生一定的影响。 Fett-Neto
等 [11 ]研究了白光对东北红豆杉愈伤组织和悬浮培
养细胞中紫杉醇积累的影响发现 ,暗培养时悬浮细
胞的生长量是白光培养下的 2~ 3倍 ,紫杉醇的产量
也是白光培养下的 3倍。其原因可能有 2个: 一是紫
杉醇 (二萜 )的远程前体是甲戊二羟酸 ( MV A) ,而
MV A的合成量与甲戊二羟酸酰辅酶 A还原酶
( HM GR)的活性正相关 ,光照会导致 HMGR的活性
降低 ,最终导致紫杉醇积累的降低 ;二是光照会抑制
紫杉醇的胞外分泌 ,从而可能导致胞内合成过程的
反馈性抑制。
2. 2 温 度
虽然大多数植物细胞的适宜生长温度范围较宽
( 22~ 30℃ ) ,但在红豆杉细胞生长和紫杉醇合成过
程中 ,适宜温度还是起着一定作用。 周爱文等 [12 ]研
究了低温处理对红豆杉细胞悬浮培养的影响 ,比较
了分别在 2, 4, 6, 8℃下处理 12, 24, 36 h以及恢复
12, 24, 36 h对红豆杉细胞分裂指数的影响。结果表
明 ,在 2℃下处理 12 h,恢复 12 h ,红豆杉细胞分裂指
数提高了 115% ,说明低温对其细胞生长具有诱导
作用。 Choi等 [ 13]发现 ,中国红豆杉在 24℃下培养一
段时间后 ,升高温度至 29℃ ,再培养 14~ 21 d时 ,紫
杉醇含量可达到 137. 5 mg /L ,如果 21 d后仍持续保
持 29℃ ,紫杉醇含量可在这一峰值保持 42 d。由此
43第 10期 李 健等: 红豆杉属植物组织与细胞培养影响因素研究进展
可见 ,温度与紫杉醇合成途径之间有明显的相关性。
2. 3  pH值
Fet t-Neto等 [14 ]曾指出 ,培养基 pH值在 4. 8~
7. 8时 ,东北红豆杉愈伤组织的生长没有明显差异。
但是盛长忠等 [15 ]研究了培养基 pH值对东北红豆杉
和南方红豆杉愈伤组织生长、紫杉醇含量与苯丙氨
酸解氨酶 ( PAL)活性的影响后 ,提出了不同的观点 ,
认为 pH值的高低对红豆杉愈伤组织生长及紫杉醇
含量影响很大 ,且 PAL活性的大小与紫杉醇含量呈
正相关 ,即 PAL活性高 ,紫杉醇含量往往也高。这可
能是因为:在 PAL的作用下 ,由苯丙氨酸脱氨基而
形成的肉桂酸参与了 Wintersein酸的形成 ,而 Win-
tersein酸是紫杉醇合成的前体。值得注意的是 ,有
利于愈伤组织生长的 pH值却不利于紫杉醇的积
累 ,而且往往是愈伤组织生长越好 ,紫杉醇含量越
低 ;生长状态较差的 ,紫杉醇含量反而可能增高。
2. 4 气 体
植物细胞在悬浮培养时需要氧气 ( O2 ) ,同时也
能非光合地固定一定浓度的二氧化碳 ( CO2 ) ,只有
O2和 CO2的浓度达到某一平衡点时 ,细胞才会很好
地生长。乙烯是植物细胞在不良刺激下产生的一种
防御性气体 ,对紫杉醇产量的提高不利。丁如贤
等 [16 ]报道 ,对于浆果红豆杉 ( Taxus baccata )的悬浮
培养细胞 ,在培养基中维持低浓度的 CO2并移走乙
烯 ,同时提供充足的 O2能够促进细胞生长 ,增加紫
杉醇的产量。
3 外植体的选择
红豆杉属植物细胞培养都是用愈伤组织建立起
来的 ,所以选择适当的外植体就显得十分重要。不同
种属应优选不同的组织作为外植体。陈永勤等 [17 ]比
较了云南红豆杉、南方红豆杉、杂种红豆杉 ( Taxus
media Rehd)和东北红豆杉愈伤组织的诱导情况 ,
结果几乎 100%的云南红豆杉茎段都可以形成愈伤
组织 ,但由于其植株来源不同 ,愈伤组织形成的迟早
和形成可继代愈伤组织的比率差异较大 ,如早春取
样的茎段形成愈伤组织的时间要比秋季取样的早得
多。东北红豆杉在秋季取样时 ,不仅其茎段形成愈伤
组织的时间晚、比率低 ,而且大部分外植体上的愈伤
组织在形成后不久 ,就由淡黄色变成棕红色 ,停止生
长 ,因而较难形成较大的愈伤组织块而进行继代培
养 ;而春、夏季取样的茎段 ,其形成愈伤组织的颜色
浅 ,为淡黄色。南方红豆杉和杂种红豆杉的茎段都比
较容易形成愈伤组织 ,南方红豆杉在含2. 0 mg /L 2,
4-D的培养基上诱导效果最好 ,而杂种红豆杉的茎
段和叶片在愈伤组织形成的时间早晚方面没有差
异 ,但叶片形成愈伤组织的比率要比茎段低得多。
目前 ,在关于红豆杉属植物组织和细胞培养的
文献 [18~ 20 ]中 ,大多都是采用茎段作为外植体来诱导
愈伤组织的。但是 ,以茎段作为外植体 ,材料的污染
率很高 ,给诱导工作带来较大困难。从短叶红豆杉中
分离得到的内生真菌至少就有 300多种 ,因此 ,外植
体特别是老的外植体受到真菌污染的情况经常出
现。杨礼香等 [21 ]发现 ,以芽作为外植体 ,可以解决这
个问题 ,而且由芽诱导的愈伤组织生长速度较快。
4 诱导子
4. 1 生物源性诱导子
  孙彬贤等 [9 ]证明 ,不同浓度茉莉酸甲酯对红豆
杉细胞生长的影响虽然轻微 ,但对紫杉醇合成有明
显的促进作用。其中 ,在起始培养时加入浓度为 100
μmol /L茉莉酸甲酯时 ,培养细胞中紫杉醇含量增加
10倍 ,达到 5. 38 mg /L。另外 ,系统中甲基茉莉酮酸
酯 ( M JA)和乙烯的相互作用对紫杉醇的积累很重
要 ,只有当乙烯浓度达饱和后 , M JA才表现出诱导
植物细胞 Osmo tin启动子的能力 ,促进紫杉醇的积
累 [22 ]。
花生四烯酸 ( Arachidonic Acid)是另一种能显
著提高紫杉醇积累的诱导子。 在中国红豆杉悬浮细
胞培养中 ,对每克接种细胞在培养第 1天添加 5μg
的花生四烯酸 ,紫杉醇产量比对照提高了 9倍多 [23 ]。
孙彬贤等 [9 ]的研究指出 ,不同浓度的花生四烯酸对
南方红豆杉培养细胞的生长与紫杉醇含量的影响基
本相似 ,即轻微抑制细胞生长而促进紫杉醇的合成。
其中 ,当花生四烯酸浓度为 3. 2μmo l /L时诱导作用
最明显 ,细胞生长是空白对照的 85% ,而紫杉醇含
量增加 1倍。
4. 2 非生物源性诱导子
葛志强等 [24 ]的研究指出 ,在南方红豆杉细胞悬
浮培养体系中加入适当浓度的铈 ( Ce4+ ) ,对其增殖
能力、细胞活力及紫杉醇含量均有明显的促进作用 ;
Ce
4+ 的浓度与其对细胞产生的生物效应成正相关 ,
同时细胞自身所处的生理状态也影响稀土离子的作
用结果。李景川等 [25 ]研究了 Ce4+对南方红豆杉细胞
可溶性蛋白合成和细胞活力的影响 ,发现低浓度
Ce
4+ ( 0. 10 mmo l /L)可显著提高可溶性蛋白的合成
强度和细胞活力 ,高浓度 Ce4+ ( 5. 00 mmol /L )对细
胞表现出强伤害作用 , 适宜浓度 Ce4+ ( 1. 00
44 西北农林科技大学学报 (自然科学版 ) 第 33卷
mmol /L )在短期内可大幅度提高紫杉醇的合成速
度 ,达到最高积累。李家儒等 [26 ]在中国红豆杉悬浮
培养中添加 CuCl2 ,证实 Cu2+ 能够促进紫杉醇的形
成 ,最佳加入时期为细胞指数生长末期 ,最适 Cu2+
浓度为 30μmol /L;诱导中培养细胞的可溶性蛋白
质含量、 PAL活性及培养基 pH值均有变化 ,他们认
为 Cu2+ 诱导处理可能促进细胞内与紫杉醇合成相
关的酶的合成 ,但有关 Cu2+ 促进红豆杉培养细胞中
紫杉醇合成的作用机制尚缺少深入的研究。
用超声波处理植物细胞 ,是一种既可保持细胞
正常生长又能有效刺激胞内次生代谢物释放的简易
操作方法。张姝等 [27 ]分析了超声波对悬浮培养的中
国红豆杉细胞的生长、紫杉醇合成及释放的影响后
指出 ,细胞对不同强度及不同作用时间的超声波反
应不同。用 38 kHz的超声波对悬浮细胞作用 120 s,
紫杉醇胞外释放率由对照的约 10%提高到 40%~
50% ,总产量提高了 47% 。
5 褐变现象
传统观点认为 ,植物组织在切割时溢出的一些
酚类物质 ,可被 O2或酶类催化氧化成有毒的醌类 ,
呈现褐色乃至黑色 ,导致细胞死亡 ,这就是褐变现
象。关于褐变现象的原因 ,近年来有人提出了不同的
观点。 陈永勤等 [ 28]在试验中 ,向培养基中添加酚类
物质的吸附剂 (乙烯吡咯烷酮 , PV P)和抗氧化剂 (抗
坏血酸 , Vc)发现 ,这并不能有效地抑制云南红豆杉
愈伤组织系的褐变 ,认为红豆杉属植物愈伤组织的
褐变可能与其细胞中谷氨酰胺 -谷氨酸循环受阻以
及黄酮和类黄酮色素的形成有关。据此 ,他们向培养
体系中添加 0. 30 mg /L的 L-谷氨酰胺 ,用以建立转
移氨基的谷氨酰胺 -谷氨酸循环 ;添加 0. 074~ 0. 22
mg /L的桂皮酸 ,用以抑制苯丙烷类物质代谢的关
键酶- PAL的活性 ,阻止黄酮和类黄酮植物色素的
形成。结果表明 ,添加这 2种物质可以改善愈伤组织
的严重褐变现象 ,使其能长期继代培养。
盛长忠等 [29 ]研究表明 ,在培养红豆杉愈伤组织
时 ,培养基中添加一定量的 Vc、活性炭、水解酪蛋白
( CA)、赤霉素 ( GA3 )、脱落酸 ( ABA)、果糖和葡萄糖
等外源物质 ,能较明显地抑制过氧化物酶和多酚氧
化酶活性 ,减轻愈伤组织和培养基褐变的程度 ,从而
促进愈伤组织的生长。梅兴国等 [30 ]研究了活性炭对
红豆杉细胞悬浮培养褐变的抑制作用 ,指出活性炭
主要是通过吸附分泌到细胞外的有害代谢产物而发
挥作用 ,并优化了活性炭培养基 ,确定活性炭加入的
最佳时间是对数生长期。黄浩等 [31 ]研究了 8种药剂
对红豆杉愈伤组织的抗褐变作用 ,证实活性炭
( 1 000 g /L)、水解乳蛋白 ( 600 mg /L )和植酸 ( 100
mg /L) 3种药剂的抗褐变效果最好 ,且对多酚氧化
酶的抑制效果也最好。
6 小 结
目前 ,从红豆杉组织与细胞培养中获得的紫杉
醇含量已经很高 ,具备了规模化、工业化生产的条
件。 但从实验室研究到工业化生产 ,其间仍有许多
“瓶颈”问题需要解决。如用离体培养方法生产的紫
杉醇 ,产量和稳定性还都不尽如人意 ,许多反应机制
需要进一步研究 ,包括由前体物质生成紫杉醇的过
程中有哪些限速酶类 ,诱导子作用的分子机制以及
各种中间产物相互作用的机理等 ,都有待于从分子
水平上进行阐明。紫杉醇属于红豆杉属植物细胞的
次生代谢产物 ,其产量随细胞生长条件的改善而有
所下降 ,这样就造成了细胞生长和紫杉醇积累之间
的矛盾。因此 ,建立反映细胞生长与紫杉醇积累关系
的数学模型 ,找到二者的最佳平衡点 ,是实现工业化
生产的必要条件。
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Advances in research on affecting facto rs of tissue
and cell culture o f Taxus
LI Jian, SONG Xiao-ping, CHEN Shu-lin
(College of Animal Science and Technology ,Northwest A & F Uni versity , Yangling, Shaanxi 712100,China)
Abstract: The taxo l in the Taxus is a kind o f anti tumo r active composi tion. The t radi tional production
method draw n from the plants di rect ly has low producing ra te, and dest ro ys w ild resources of the Taxus.
The tissue and cel l culture is a kind o f ex t remely po tential techno logy in tax ol production. This paper gives
a sy stematic review on the resea rch o f the inf luencing facto rs, such as cul ture medium , culture condi tions,
prosoma, elici to r and brow ning , in ti ssue and cell culture o f Taxus in the recent years.
Key words: Taxus; culture medium; culture condi tions; prosoma; elici to r; brow ning
46 西北农林科技大学学报 (自然科学版 ) 第 33卷