植物天然产物或次生代谢产物评述

      杨顺楷  四川 成都

          （五）

16. 香豆素

香豆素，一类植物防卫化合物，可以引起哺乳类内出血或皮炎。该植物代谢产物属于被称为苯并吡喃酮的一大类家族。归属于800种系的1500个代表性化合物。香豆素在水果和花中保持有最高浓度，它也广泛分布在植物的种皮、水果、花、根、叶和茎中。它对植物自身而言，起到的是防卫作用，即抗微生物攻击，拒食剂，UV-屏蔽作用，高浓度抑制种子发芽和生长，低浓度时刺激发芽和生长的性质。

基于香豆素具有对动物最大肝脏毒性；自身防卫作用最引人瞩目的高光亮点就是引起哺乳类的大出血，如草食动物从植物三叶草吸收香豆素后，引起大出血；这一发现最终导致研制出毒鼠药剂华法令，以及相关化合物用于治疗用途。同样，发现存在于植物（Heracleum mantegazzianum）叶组织的光敏化合物8-甲氧基补骨脂素，可引起与皮肤接触，并暴露在UA-A辐射下的光致皮炎。一个可比较的例证，就是香豆素诱导皮炎发生在触摸芹菜时。现在补骨脂素已经成功地应用在治疗多种皮肤疾病（eczema，银屑病），经由口服吸收和UA-A辐照治疗。

一个简单典型的香豆素，7-羟基香豆素化学结构的微小差异，构成了一个小家族—补骨脂素：白芷素（angelicin）、芝麻素，以及4-羟香豆素。

香豆素的生物合成代谢途径至今尚未得到完满阐述。部分结果就是芳香羟基化，以及附加的经由反式/顺式羟化肉桂酸异构化酶，二甲基烯丙基转移酶，多种P450/NADPH/O2 依赖性合成酶，和O-甲基转移酶所催化的反应。最简单的例子就是香豆素和7-羟基香豆素（伞形酮），分别是经由O-羟化肉桂酸和p-香豆酸生成；继之经由反式/顺式-异构化，和关环而成。但是至今尚未获得该反应过程的酶和编码该酶的基因。

另一方面，了解最多的就是关于呋喃香豆素结构类型的线型和角型生物合成。这些分别涉及经由相应的转移酶产生去甲基软木花椒素和osthenol的区域特异性的异戊烯化；后续的转化就是关于各种NADPH-依赖性，细胞色素P450氧化酶催化转化和O-甲基化。

各种真菌和酵母也合成香豆素。例如黄曲霉素，然而这些代谢产物属于聚酮化合物衍生物，由此就导出生物化学植物类似物的独特性。

17. 苯丙素生产的代谢工程：一种提高纤维、色素、药物原料和香料生产的来源

植物是怎样产生各种代谢产物的生物化学，化学和分子特征知识呢？那就是从了解植物生物多样性，及其生命科学基础本质入手。这一追求确实具有经济上意义。这对于具有商业重要的系统性改变，或是可能有益于人类的专业性品质改进，是很有必要的植物系统工程。

许多具有生物技术可能性的植物酚类代谢期待我们去开发：提高对植物病原性的抗性；改进树木心材和纤维产品的质量；发掘新的或改进药物、营养物质、色素、调味品和香料物质原材料来源；选择性调节产生风味物质植物品系开发。的确，在当今植物科学领域，正经历一场生物技术革命。结合应用分子遗传技术和传统的植物育种手段，期望产生出新一代的植物品系，经过优化后，供人类利用。

如今最大宗和最具有经济重要性的，就是展开对纤维材料植物资源的开发。无论是纸桨/造纸、家用和公用设施木材需求、家具木材，以及其他用途均与之有关。鉴于此，许多生物技术研发策略，须得立足于通过操作与改进细胞壁生物合成，并结合其与代谢功能有关的生物化学过程展开研究。该途径可能包含对木质素的修饰，要么提供脱除它以较多易感性，或者是增加木质素含量，得以提高某些易碎农作物的强度和刚性。修饰构成树木心材代谢产物组份，可以促使研究者在对具有商业重要性的木本植物心材产品研发上，有对改进品质的取舍方面存在空间，如抗腐烂、织物质地、色泽和赖久性。这些目标须得深入研究两方面，即在植物细胞壁多聚物生物合成，和如何开发在何处产生构建心材代谢物，调控大分子装配模式的基本机理。

对此，大部分生物技术研究重点都放在尝试工程化木质素含量，及其组成；采用反义和正义策略，针对来自苯丙氨酸和单木素醇代谢途径，编码各种酶反应步骤的靶基因开展实验研究工作。该工作主要重点集中在有关肉桂酸醇脱氢酶和肉桂酸-C0A还原酶；其标靶植物指向烟草、杨树和桉树。尽管追踪木质素构成效应不明显，但是产生的转基因植物组织，与原始野生型植株比较，它们的颜色发生了显著改变。这些转基因植物是否会具有任何有益的性质，例如造纸工业制桨易于除去木质素的应用，仍然是不清楚的。研究者期望观察色素效应是困难的。问题在于尝试改变构成木质素的过程，必须考虑再利用同样底物条件下，与此相关的生物化学代谢途径。

了解木质素适当的构成，就是以某种时空结合的未知方式，一起推定各种富含脯氨酸蛋白而大力保持操控位点的状态。影响这些木质素结构蛋白全部细节，可能就是对修饰木质素沉积和结构设计新策略方面的结果。发现操控蛋白，松树脂醇/lariciresinol 还原酶，以及相应的基因也提供了机会。继续追踪各种有兴趣的问题，包括树木心材是如何形成的，均是值得探讨的话题。

木脂素和（异）-类黄酮生物化学和分子生物学研究进展，提供了对选定专有植物品系提高保健品和药物活性物质浓度的机会，最终使得我们能够工程化生产secoisolariciresinol,mataisesinol,大豆素，和染料木素，以及类似在大宗作物中，原本不产生多少值得关注数量上述化合物。相应的转基因植物就能够提供防癌的药源作物。有一个类似提高靶向药抗癌药—鬼臼毒素生产成为了可能，它是一直使用到今天的植物抗癌化合物。

尚未释放出很有潜力的方向，令人印相深刻的或许就是应用正义/反义技术，操控花色的植物代谢工程研发项目。目前在欧洲和新西兰已经有数家实验室成功转化出数个植物样本，例如改变了矮牵牛属植物花瓣的色彩。

最后，这些代谢途径的知识，终会导致系统改变和改进风味和香料植物的性质，例如辣椒、生姜和香草香精。这些修饰作用终将会影响当今的醇性和非醇性饮品的消费习惯，而这些饮品的风味通常取决于其中的芳香酚类化合物的成分构成。

18. 小结

植物生产出庞大多样的有机化合物，这些有机化合物并不直接涉及初级代谢的生长和发育过程。在经过分析相互关系后，这些天然产物或植物次生代谢产物起到的作用，仅仅在近年意识到它们的重要性。天然产物显示出的基本功能在于防卫食肉动物和对抗病原体，以提供繁育后代的优势。如吸引传粉（授粉）媒介和种子散播；它们也可能以分子进化产生自身的毒性物质，对付竞争者植物品系，形成自身的竞争性优势。

大多数天然产物可以分为三类：萜类、生物碱和酚类化合物（多数为苯丙素类）。萜类化合物经由乙酸/甲羟戊酸，或者3-磷酸甘油醛/丙酮酸代谢途径，以五碳单位合成而来。许多植物萜类具有毒性，成为食草类动物的拒食剂，或者是某些物种的引诱剂。生物碱主要由氨基酸合成。这些含氮化合物对许多食草类动物，以其自身生物碱具有的毒性，从而保护多种植物；加之其中许多具有药理学活性而引人关注。酚类化合物基本上来自莽草酸途径合成而来，对植物具有多种重要作用。例如单宁、木脂素、类黄酮，以及一些简单的酚类化合物，均都是作为防卫食草类动物和对抗病原体。此外，木质素用以强固细胞壁的机械性能，增强刚性而起作用。

许多类黄酮色素是重要的引诱剂，它作为传粉媒介和种子散播起作用；还有一些酚类化合物具有过敏原活性，从而可能造成影响邻近空间植物的生长。

通过进化过程，植物已经建立起对抗食草动物和微生物攻击的防卫能力，并以所产生的特别类型的天然产物有助于生存竞争。更好的防卫能力，更多更强大的竞争性，使得植物业已产生了更多的后代，故在植物界已经广泛地发展出了这种产能，和生态型安全有用的代谢途径。面对来自食草动物和病原体的压力，以及恒态性的竞争，迫使植物不得不继续选择新型的天然产物；而对于栽培品种，则是常态性选择了人工合成生产的化学防卫手段（农药）。

研究植物天然产物的生物化学，业已经产生了多种实际应用。在栽培作物，生物技术手段可以选择性增高防卫化合物的数量，从而降低使用成本，以及潜在的农药毒性；类似地采用遗传工程可以增加药用物质、风味物质、香料、杀虫剂、抗真菌剂，以及其他具有的商业价值的天然产物的产量。虽然许多天然产物已经在本文予以评述，然而对于大多数植物物种天然产物的代谢还有待阐明，大量迷人具有吸引力的生物化学课题研究，有待继续深入发掘，从而建立起人与环境的绿色世界。

               (完)

 注：本文编译自英文版（2000）“植物的生物化学及分子生物学，第24章部分内容”，供参考，请指正。