ZnO纳米颗粒诱导天仙子毛状根高效生产托烷类生物碱的机制及生物反应器优化研究

为解决托烷类生物碱化学合成效率低、提取成本高的问题，伊朗Urmia大学研究人员通过ZnO纳米颗粒(ZnO NPs)诱导天仙子(Hyoscyamus reticulatus)毛状根，在气泡柱生物反应器中显著提升莨菪碱(hyoscyamine)和东莨菪碱(scopolamine)产量，最高分别达400 mg/kg和275.1 mg/kg干重，为工业化生产提供新策略。

　　

托烷类生物碱如莨菪碱(hyoscyamine)和东莨菪碱(scopolamine)是医药领域的重要活性成分，广泛应用于眼科散瞳、心率调节等临床治疗。然而，其化学合成难度大、植物天然含量低，传统提取方法成本高昂。如何通过生物技术手段高效生产这类高价值代谢物，成为当前研究的焦点。伊朗Urmia大学园艺科学系的Sahar Alizadeh和Bahman Hosseini团队在《Scientific Reports》发表研究，创新性地利用氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)作为非生物诱导剂，在天仙子毛状根培养体系中实现了托烷类生物碱的突破性增产。

研究团队采用气泡柱生物反应器培养系统，结合高效液相色谱(HPLC-DAD)分析技术，系统评估了不同浓度ZnO NPs(0-100 mg/L)对毛状根生长、抗氧化酶活性及次生代谢产物的影响。通过测定过氧化氢酶(CAT)、愈创木酚过氧化物酶(GPX)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性，分析总酚(TPC)和总黄酮(TFC)含量，并采用DPPH和FRAP法评估抗氧化能力，最终解析了ZnO NPs诱导代谢合成的剂量-效应关系。

毛状根生长曲线
通过30天动态监测发现，毛状根鲜重(FW)在培养15天后进入对数生长期，19-22天达到平台期，此时生物量积累最适宜诱导处理。

ZnO NPs对生物量的影响
50 mg/L ZnO NPs处理48小时使鲜重达到峰值153.4 g，而100 mg/L处理72小时则显著抑制生长(79.82 g)，表明低浓度促进而高浓度抑制的典型" hormesis效应"。

抗氧化酶活性变化
100 mg/L ZnO NPs处理显著提升CAT、GPX和APX活性，最高达对照组的3倍，证实纳米颗粒通过激活氧化应激防御系统触发次生代谢通路。

酚类与黄酮积累
75 mg/L处理48小时使TPC提升至52.612 mg GAE/g FW，而100 mg/L处理使TFC达1.05 mg QE/g FW，显示纳米颗粒通过调控苯丙烷代谢途径促进抗氧化物质合成。

托烷类生物碱增产
HPLC分析显示75 mg/L ZnO NPs处理72小时使莨菪碱和东莨菪碱分别飙升至400 mg/kg和275.1 mg/kg干重，较对照提高30.5倍和45.85倍，创下该体系最高记录。

这项研究首次阐明ZnO NPs通过双重机制调控天仙子毛状根代谢：一方面作为纳米诱导剂引发活性氧(ROS)应激，激活抗氧化系统和次生代谢关键酶如苯丙氨酸解氨酶(PAL)；另一方面作为锌源参与辅酶活化。研究建立的"生物反应器-纳米诱导"联用技术，为工业化生产高价值植物药提供了可放大的解决方案，尤其对稀缺托烷类生物碱的稳定供应具有重要战略意义。团队建议后续研究聚焦纳米颗粒的细胞器靶向性及其与茉莉酸甲酯(MeJA)等诱导剂的协同效应，以进一步优化生产体系。