王亚琴1, 张康健2X

(11 华南理工大学食品与生物工程学院, 广东　广州510640; 21 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

　  杜仲E ucomm ia u lm oid es O liv1 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cAM P 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 ragalin、h irsut in、rut in、3, 42dihy2drobenzonic acid、ethyl glucopyrano 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ul2mo ido l 以及O kada 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A2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015mgöL NAA 的W h ite 培养基或添加苯丙氨酸的Bourgin &N istch 培养基。W ang 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210 mgöL2, 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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