药用植物有效成分生物合成途径及实际应用

金彦磊

摘 要：药用植物中的有效成分是药用植物在应用过程中的核心物质，目前各个领域的发展都非常迅速的，生物工程技术和先进科学技术的应用和发展，对药用植物有效成分的合成起到了促进作用，对于药用植物的合理利用和有效成分的高效生产提供了新的途径和方法，同时对药用植物的可持续利用有着非常重要的作用。进而，本文对药用植物中功能基因的研究方法，主要功能和实际应用等方面进行了探究。

关键词：药用植物；有效成分；生物合成；功能基因

一、目标候选基因的筛选

1、时空表达分析获得有效候选基因

药用植物中的有效成分在生物生长的不同阶段，存在的形式是不同的，许多要药用植物的有效成分只存在于特定的组织细胞中，在进行有效有效基因筛选的过程中，可以利用有效成分在不同时期和不同部位的基因累积，来完候选基因的筛选。

2、诱导共表达获得有效候选基因

藥用植物的有效成分的产生主要是由于植物与外界因素相互作用而产生代谢物，植物可以利用这些代谢物质来提升抗病性和抗病虫害能力，这些代谢物质可以受到诱导子的影响而积累在一起，所以利用这种方法对植物中有效成分进行筛选，根据植物的不同表现形式选择候选基因，并对其进行功能上的分析和研究。诱导子的主要来源有两种，一种是生物中的诱导子，另一种是非生物的。

3、组学数据系统整合分析获得候选基因

植物代谢组学通过对生物体内所有小分子代谢物进行非靶向轮廓分析、靶向定量分析等策略，寻找小分子代谢物与植物生理变化的相对关系，反推寻找差异代谢物形成的功能基因。通过植物代谢组学分析，可将获得的次生代谢差异化合物进行通路分析，锁定其所在的生物学途径，与转录组数据结合，推测差异表达基因或蛋白质，根据基因表达和代谢物合成的相关性建立全面的系统生物学网络。

4、其他获得候选基因的方法

除了以上集中获取候选基因主要方法以外，还有其他的候选方法。相关技术人员可以对农业作物的生产技术进行研究，将合适的技术应用在要用植物的生产中，以此来对植物中的有效成分进行研究。不同植物的生长代谢情况是不同的，可以根据植物的实际代谢情况，在原有节筛选技术基础上进行创新，将类似的基因提取出来。目前社会中技术的发展非常迅速，可以将规模性植物和农作物应用的高新技术应用在药用植物的研究中，对要用要用植物中有效成本的合成有着极大的作用。

二、目标基因功能验证

药用植物有效成分中的候选基因筛选是的主要应用功能研究基础，在对功能基因进行研究的过程中，可以有效提高功能基因的研究效率，从而获得有药用植物中的有效基因。

1、体外功能研究

体外基因功能主要是利用植物体外的物质和酶作用来进行植物催化功能的分析。主要利用的外界物质有：大肠杆菌、酵母、枯草芽孢杆菌、酵母、昆虫细胞和哺乳动物细胞等。这些表达系统在体外基因功能研究的过程中，应用的比较广泛的是大肠杆菌和酵母分别作为宿主细胞的原核和真核的表达。

酵母作为一种单细胞低等真核生物，具有与大肠杆菌相似的生长特性，对外源基因表达的蛋白具有一定的翻译后加工能力，可对外源蛋白进行一定程度的糖基化修饰，使蛋白表达更稳定，常用于真核生物基因的表达及功能验证。酵母表达系统在研究植物蛋白互作和功能基因方面有广泛应用，特别适用于P450基因的功能研究。苄基异喹啉类生物碱及萜类化合物等生物合成途径中的P450基因的体外催化功能研究均使用了酵母表达系统。

2、体内功能验证

体外功能研究方便快捷，适用于大多数功能基因研究。对于遗传转化体系成熟的物种，还应通过体内功能验证来进一步确认功能基因在植物体内的生物学功能。目前植物功能基因体内验证的方法包括过表达用以上调基因表达，RNA干扰或病毒诱导的基因沉默等下调基因表达以及新兴的TALEN、CRISPR-Cas9等基因定点敲除和修饰技术等。目前，应用比较广泛是的RNAi以及VIGS技术，而CRISPR-Cas9技术的在一些药用植物中已经开展。

三、功能基因研究的应用

1、合成生物学生产药用有效成分

近年来，合成生物学快速发展，微生物全基因组重建、酵母染色体人工合成、以及青蒿素的微生物细胞工厂生产等都让合成生物学显示了其在药用植物有效成分获得方面的巨大应用前景。合成生物学应用于药用植物方向的操作主要包括：底盘细胞选择与改造、合成途径组装和重建、代谢流调控、系统优化在微生物或者模式植物中重构药用有效成分的生成途径，最后利用发酵工程实现高效生产。除了青蒿素，目前研究者们已经成功构建了丹参酮、鼠尾草酸、人参皂苷、姜黄素、阿片类化合物、紫杉醇前体等一系列高附加值化合物的微生物基因工程菌株，并形成了高效的药用植物合成生物学研究策略，为缓解中药资源压力、实现药用资源可持续利用提供新的发展方式。

2、药用植物品种改良

功能基因可以在原来药用植物的生长基础上来进行代谢方式的转变，改变原来药用植物的生长特性，提高药用植物的生长品质，这样就可以对药用植物中代谢物质的数量进行改变，在原来基础上提高，再对代谢物质中的有效成本进行提取，提高了药用活性物质的产量。当前应用的药用植物品种改良方法主要有，将植物中主要酶物质进行单一表达、减少与有效成分竞争的物质等。

根据不同种类化合物合成途径的特点，研究者们以药用植物为次生代谢反应器已成功生产多种药用活性化合物和其前体。例如，萜类化合物中青蒿素、丹参酮类和紫杉醇，生物碱类化合物中长春碱前体、和东莨菪碱等在植物体内代谢途径的改造和调控研究都已取得一定进展。但是，由于大多数植物次生代谢产物结构复杂，生物合成步骤繁多，生物合成基因解析难度较大，是目前运用基因工程改良药用植物的主要瓶颈。另外，过表达代谢途径中重要基因是否能达到显著提高代谢产物含量的目标也有待深入研究。因此在不断筛选药用植物功能基因，解析其生物合成途径的同时，也可以借鉴微生物代谢工程的策略，将代谢流调控与系统优化联合运用。

结语：许多药用植物遗传转化体系不成熟，仍未在药用植物功能基因研究中广泛应用。随着科学技术的发展，更多新技术、新思路等待我们继续深入研究，药用植物功能基因研究和其广阔的应用前景，为传统的中药资源研究注入了新的活力，为提高中药材品质和寻找创新性药物来源方式奠定了坚实的基础，从而实现药用植物资源的深入挖掘和可持续发展。

参考文献：

[1]苏新堯，薛建平，王彩霞.中药功效成分合成生物学研究进展[J].中国中药杂志，2016，41（22）：4150-4157.

[2]侯娅，马阳，邹立思，等.生态因子对药用植物次生代谢物的影响及其研究方法[J].时珍国医国药，2015（1）：187-190.