综述：诱导子介导的植物次生代谢物增强的研究综述

《Frontiers in Plant Science》：Elicitor-mediated enhancement of secondary metabolites in plant species: a review

本综述系统阐述了利用生物与非生物诱导子（Elicitor）策略提升药用植物（如三尖杉属Cephalotaxus）次生代谢物（SM）产量的原理与应用。文章聚焦于关键化学诱导子如水杨酸（SA）、茉莉酸甲酯（MeJA）、一氧化氮（NO）及重金属，以及物理因子如紫外辐射（UV）、盐胁迫和渗透胁迫的协同效应，特别强调了NaF与MeJA联用对高三尖杉酯碱（HHT）和 Harringtonine 产量的显著提升作用。综述进一步探讨了其分子机制（涉及MAPK、ROS、JA/SA信号通路），并展望了结合组学、纳米技术及CRISPR等前沿生物技术实现次生代谢物可持续、规模化生产的巨大潜力，为连接传统药用植物资源与现代制药需求提供了创新视角。

　　

1 引言

植物合成种类繁多的小分子有机化合物，即代谢物，这对它们的生存至关重要。这些分子在功能上可分为三大类。初级代谢物（PM），如有机酸、氨基酸和核苷酸，直接负责基本的生长和发育。次生代谢物（SM）主要参与植物与环境的相互作用，例如防御或吸引。三级代谢物则是关键的调节化合物，控制着内部的生理过程，包括其他代谢物的合成。次生代谢物（SMs）是结构多样的化合物，在植物防御自身及适应非生物和生物胁迫方面发挥着重要作用。

植物次生代谢物是分子量小于3000 Da的小有机分子。药用植物的治疗价值主要归因于其多样的SMs。植物产生这些有价值的化合物是对环境挑战的适应性反应。SM的合成受遗传、气候和营养可用性等多种因素影响。当植物面临病原体、干旱、盐度或极端温度等胁迫时，其质膜上的受体感知这些威胁并激活信号级联反应，最终刺激SMs的合成。

植物SMs的主要类别包括生物碱（如高三尖杉酯碱和homoharringtonine）、萜类、黄酮类、酚类和甾体类。这些化合物执行着关键的生态功能，从威慑草食动物和调节共生关系到改变土壤微生物群落结构。然而，SMs的自然合成仅由生物或非生物胁迫因子诱导，且天然含量通常较低。它们协助多种防御作用，如提供紫外线防护、作为抗氧化剂、抑制酶活性和产生色素。这些次生化合物通过各种生化途径由初级代谢物合成，并大致分为含氮和非含氮化合物。

利用诱导子（一种用药理剂激活这种天然防御反应的方法）已成为一个有前景的研究方向。诱导子通过触发特定的转录因子起作用，这些转录因子进而刺激关键基因，从而激活负责合成这些有价值化合物的代谢途径。这种方法为显著提高产量和带来巨大经济效益提供了巨大潜力。植物源次生代谢物的全球市场价值约300亿美元，凸显了其巨大的经济和治疗意义。然而，供应短缺仍然是一个关键瓶颈。

2 诱导子：类型与机制

诱导子是能够调节植物中特定化合物（如次生代谢物SM）含量和组成的因子。这些代谢物由生物和非生物胁迫塑造。SMs在允许植物适应并在挑战性条件下茁壮成长方面起着至关重要的作用。诱导子在植物生物技术中是一种强大而有效的技术，用于启动新型SMs的生产并提高体外细胞中的生物量产量和代谢物积累。在植物系统中，诱导子有助于提高特定次生代谢物的产量。反过来，这些SM调节发育过程、胁迫耐受性、生存能力、生产力和信号转导途径。诱导子的类型、处理持续时间、剂量和培养物类型等因素影响诱导的有效性。

3 非生物诱导子

3.1 化学诱导子

化学诱导子模拟药用植物中的胁迫条件，增强治疗性SMs如黄酮类和生物碱的生物合成效应。化学诱导子包括水杨酸、茉莉酸甲酯、一氧化氮供体和重金属。

3.1.1 水杨酸

水杨酸（SA）是一种多功能的植物源酚类物质，调控从种子萌发到色素合成、酶活性调节、乙烯合成、气孔行为、产热、光合效率、营养吸收、开花启动、膜稳定性、豆科植物结瘤等多种对植物发育至关重要的机制，最终塑造植物的整体健康和发育。SA具有类激素特性，已被用于多种植物模型，包括体外和体内，通过上调不同的途径（如MEP/MVA途径）来评估其对SMs生物合成和积累的调节作用。将SA加入培养基并短暂暴露植物培养物已显示出能显著放大次生代谢物的生物合成和积累。

3.1.2 茉莉酸和茉莉酸甲酯

作为非生物诱导子，JA及其衍生物通过促进关键SMs（包括精油、酚类、萜类和生物碱）的合成来调节植物生理并加强其防御系统。这些诱导子通过与原膜受体相互作用，引发涉及NOS/ROS积累和保护性氧化胁迫酶产生的防御级联反应，在裸子植物和被子植物谱系中保持独特作用。JA和MeJA的机制在非三尖杉属物种中得到了很好的研究；然而，三尖杉属细胞培养的研究结果是一个例外，说明了NaF和茉莉酸甲酯（MJ）在三尖杉属细胞培养中的协同效应，导致harringtonine和homoharringtonine的生物合成和释放显著增加。

3.1.3 一氧化氮

一氧化氮已成为诱导植物防御机制和SMs产生的关键调节因子。当暴露于胁迫条件时，一氧化氮（NO）作为核心信号分子，增强植物中SMs的产生。一氧化氮（NO）通常在药用植物培养物中分泌，调节生长、防御、程序性细胞死亡和胁迫反应中的信号通路，导致次生代谢物生物合成增强。

3.1.4 重金属

虽然重金属对大多数作物有毒，但在药用和芳香植物中，重金属可以作为非生物诱导子，因为这些植物利用重金属胁迫作为触发因素来增强有价值SMs的生物合成。植物获得复杂的协调的生理、生化、形态和遗传适应网络以承受这种胁迫。重金属通过取代重要离子破坏细胞酶而引发ROS产生，并对植物细胞造成氧化损伤。植物部署抗氧化酶（如过氧化氢酶和超氧化物歧化酶）和非酶分子（如维生素、酚类和谷胱甘肽）的组合来减轻ROS诱导的胁迫。可以看到，对药用植物进行受控的重金属暴露可以被用来提高治疗性SMs的积累，为优化栽培创造机会。

3.2 物理诱导子

3.2.1 紫外线辐射

紫外线辐射是促进植物中SMs合成的重要环境因素。紫外线光谱分为UV-A（315nm - 400nm）、UV-B（280nm - 315nm）和UV-C（280nm以下）。最近的研究表明，低水平的UV-B辐射暴露在提高植物中酚类化合物（如糖苷和黄酮）水平方面特别有效。

3.2.2 盐度

盐胁迫改变植物中的各种生理和代谢途径，触发适应机制以减轻离子、渗透和氧化胁迫。使用受控盐度作为诱导子提供了一种提高SMs积累而不损害植物活力的有效方法。

3.2.3 渗透胁迫

渗透胁迫通常由盐度、干旱和冰冻引发，是一种严重的非生物胁迫因子，会阻碍水分可用性，从而导致水分短缺并最终急剧下降植物的健康和生产力。除了对植物生长的影响外，它还影响SMs合成的调节，有证据表明某些植物在暴露于此种胁迫条件下时会发生改变。

4 生物诱导子

生物诱导子是从致病因子或宿主植物本身获得的生物源性化合物。这些包括损伤相关分子模式（DAMPs），它们作为信号分子。生物诱导子可分为两大类，即（1）微生物来源的和（2）多糖基化合物。

4.1 微生物（真菌/细菌提取物）诱导子

影响作物物种的生物胁迫导致产量和品质下降。由于病原体攻击，植物产生防御复合物，帮助减轻疾病影响。它们与不同的微生物群落共存，通过增加营养吸收、可变激素和提供针对各种病原体的防御，在植物健康中发挥关键作用。生物防治中的一个关键微生物机制是诱导系统抗性（ISR）。

微生物与药用植物之间的界面是一个复杂而动态的过程，在SMs生产中起着至关重要的作用。微生物接种物，包括细菌、真菌、酵母、藻类和病毒，可以显著改善此类生物活性化合物的合成。

4.2 多糖（壳聚糖、酵母提取物、细菌裂解物）

内生真菌是在部分或全部生命周期中生活在健康植物组织内部而不对宿主造成实质性损害微生物。它们与植物建立共生关系，维持通常使双方都受益的主动平衡。某些内生真菌通过分泌多糖诱导子来提高植物次生代谢物的产量。

4.3 激素和化学诱导子

4.3.1 多胺

多胺是小的、带正电荷的生物分子，在植物生长、发育和胁迫适应中起着至关重要的作用。它们在植物中的水平会随着环境信号、激素指示和发育阶段而动态变化。多胺在植物中的关键多胺是腐胺、亚精胺和精胺，它们在细胞分裂、器官发育和胁迫恢复力中发挥动态作用。

4.3.2 ROS诱导剂

有报道称HHT对急性髓系白血病的治疗显示出巨大的治疗潜力。虽然HHT影响蛋白质合成抑制和凋亡诱导，但其精确的抗白血病机制仍不确定。最近的研究表明，用诱导子如过氧化氢、硫化氢或磷酸钾处理柠檬香蜂草可有效提高其药用价值。

5 信号转导通路

植物通过系统信号在整个身体内进行协调，这触发了植物的防御反应和适应以承受胁迫条件。系统获得性适应（SAA）由关键信号通路介导，其中包括ROS、电波和水力波，其中ROS起着重要作用，并由JA、SA、ABA和乙烯等激素塑造。

6 联合诱导子的协同应用

诱导子的单独应用可增强SM生产，但本综述的中心论点是它们的协同组合提供了一种更强大、更有前景的策略。这种方法利用了信号交叉对话，导致生物合成通路的更强调控。

7 植物生物碱的治疗潜力：案例研究

对三尖杉属的体外研究为分析SMs生产，特别是药理上重要的生物碱（如HHT）的生物合成提供了进一步的证据。这些研究通常涉及细胞悬浮培养、毛状根系统和愈伤组织培养，这为可扩展的化合物提取提供了独特的优势。

8 挑战与未来展望

诱导子在增强SMs生产中起着至关重要的作用，为植物组织培养系统提供了巨大潜力。为了最大化产量，理解植物源化合物及其对单一或组合的生物或非生物诱导子的反应的复杂生物合成通路至关重要。然而，对关键酶、基因、转录因子和调控开关的了解不足仍然是改善代谢物合成的重要障碍。

9 结论

本综述确立了诱导子介导的策略作为增强药用植物次生代谢物生产的变革性方法，并以三尖杉属及其抗白血病生物碱作为关键模型。它证明了联合诱导子（如NaF和MeJA）的协同应用特别有效，通过激活互补的生物合成通路超越了单独处理。虽然代谢流和过程优化方面的挑战仍然存在，但将诱导与新兴生物技术（如多组学、基于CRISPR的工程和纳米技术）相结合，为高价值植物源药物的可扩展生产提供了一个强大、可持续的框架，弥合了传统知识与现代治疗需求之间的差距。