植物细胞培养：次生代谢物高产！

植物中含有数量极为可观的次生代谢物质。据保守估计，目前已发现的植物天然代谢物已超过3万种，而且每年还有大量新的代谢物被发现。根据化学结构的差异，一般将这些次生代谢物划分为酚类、萜类和含氮化合物3大类。我们的祖先在与疾病的抗争中已积累了丰富的利用植物中的生物活性物质治病强身的经验。1593年，李时珍编纂的巨著《本草纲目》中所列的1892种药物绝大多数是植物。目前仍有约25%的法定药品来自植物。然而，由于植物生长缓慢，自然灾害频繁，即使是大规模人工栽培仍然不能从根本上满足人类对经济植物日益增长的需求。因此，早在1956年，Routier和Nickell就提出工业化培养植物细胞以提取其天然产物的大胆设想。

1968年，Reinhard等首先将这种设想转变成现实，生产出了哈尔碱（harmine）。紧接着Kaul等于1969年、Furuya等于1972年、Teuscher等于1973年分别培养植物细胞获取了其中的薯蓣皂苷、人参皂角苷和维斯纳精（visnagin）。现在，一些发达国家已集中相当数量的人力、财力潜心开拓这个经济潜力十分巨大的生产领域。目前，世界上工业化培养植物细胞（人参细胞）已达130吨/个发酵罐的生产水平。

工业化植物细胞培养系统主要有两大类：悬浮细胞培养系统和固定化细胞培养系统。前者适于大量快速地增殖细胞，但往往不利于次生代谢物的积累；后者则相反，细胞生长缓慢，但次生代谢物含量相对较高。

（一）悬浮培养系统

1953年，Muir成功地对烟草和直立万寿菊的愈伤组织进行了悬浮培养。此后，Tulecke和Nickell于1959年推出了一个20 L的植物细胞封闭式悬浮培养系统。该系统由培养罐及4根导管连通辅助设备构成，经蒸汽灭菌后接入目的培养物，以无菌压缩空气进行搅拌。当营养耗尽，细胞数目不再增加且次生代谢物达一定浓度时，收获细胞，提取产物。他们用此系统成功地培养了银杏、冬青、黑麦草和蔷薇等细胞。该系统的突出优点是结构简单，易于操作。但它的生产效率不够高，次生代谢物累积的量也较少。后人在此基础上进行了改进，包括：①半连续培养方法，即每隔一定时间（如1～2天）收获部分培养物，再加入等量培养基的方法；②连续培养方法，即培养若干天后，在连续收获细胞的同时不断补充培养液的方法。这两个方法较明显地提高了细胞的生产率，但由于收获的是快速生长的细胞，其中的次生代谢物含量依然很低。看来有必要控制不同的参数分阶段培养细胞。例如，前阶段营养充足，加大通气，促进细胞大量生长；后阶段由于营养短缺、溶解氧供应不足导致细胞代谢途径改变，转而累积较高浓度的次生代谢物。

（二）固定化细胞培养系统(www.xing528.com)

针对上述细胞悬浮培养的缺点，1979年，Brodelius等首次报道了用藻酸钙成功地固定化培养桔叶鸡眼藤、长春花、希腊洋地黄细胞。实验证明，细胞分化和次生代谢物积累之间存在正相关性。细胞固定化后的密集而缓慢的生长有利于细胞的分化和组织化，从而有利于次生代谢物的合成。此外，细胞固定化后不仅便于对环境因子的参数进行调控，而且有利于在细胞团间形成各种化学物质和物理因素的梯度，这可能是调控高产次生代谢物的关键。细胞固定化是将细胞包埋在惰性支持物的内部或贴附在它的表面。其前提是通过悬浮培养获得足够数量的细胞。常见的固定化细胞培养系统有以下两大类。

（1）平床培养系统。该系统由培养床、贮液罐和蠕动泵等构成，设备较简单，比悬浮培养体系能更有效地合成次生代谢物。但它占地面积较大，生产效率较低。

（2）立柱培养系统。将植物细胞与琼脂或褐藻酸钠混合，制成多个1～2 cm3的细胞团块，放置于无菌立柱中。这样，贮液罐中下滴的营养液流经大部分细胞，次生代谢物的合成大为增强，同时减小了占地面积。

至今，人类通过植物细胞培养获得的生物碱、维生素、色素、抗生素及抗肿瘤药物等不下50大类。有些培养细胞中的次生代谢物含量甚至超过原植物。在我国，许多重要药用植物如人参、西洋参、丹参、紫草、甘草、黄连等的植物细胞培养都已成功，其中人参、新疆紫草细胞的培养技术已接近国际先进水平，不过成本过高是尚待克服的难题。深入发掘我国特有的巨大中草药宝库，结合现代细胞培养技术，我国植物细胞次生代谢物的研制与生产一定会硕果累累，后来居上。