《Heliyon》：Current advances and challenges in the cultivation and biotechnological intervention in Rhodiola for enhanced production of bioactive metabolites
红景天属（*Rhodiola* spp.）原产于亚洲、欧洲和北美洲的高山及亚北极地区，因其多样的药理活性和工业重要性而被公认为高价值药用植物。研究人员已知这些物种能够合成一系列独特的生物活性化合物，包括红景天苷（salidroside）、洛塞维（rosavins）和对羟基苯乙醇（p-tyrosol），这些化合物在对抗癌症、缺氧性损伤、神经退行性疾病、心血管疾病和肺纤维化方面已展现出良好的治疗潜力。尽管医药领域对其需求日益增长，但红景天属植物的可持续利用却受到过度采挖、生境退化以及自然条件下代谢产物产量 inherently 低下的阻碍。此外，研究人员对这些化合物生物合成途径的了解有限，加之其大规模生产面临制约，因此亟需探索合适的生物技术策略。本综述旨在全面讨论红景天属植物优化的体外培养系统及新兴代谢工程方法的研究现状，以期在支持自然种群保护的同时提高代谢产物产量。本文所提供的见解有望为未来研究和工业应用的设计提供便利，以促进可持续的商业开发及药物研发。
1 引言
红景天属（*Rhodiola*）是景天科（Crassulaceae）多年生草本植物，因其卓越的治疗潜力而被广泛认可。该属植物分布于欧洲、亚洲和北美洲的多个山脉中。全球已鉴定出90余种红景天属植物，其中约73种分布于中国，包括四裂红景天（*R. quadrifida*）、狭叶红景天（*R. kirilowii*）、大花红景天（*R. crenulata*）和圣地红景天（*R. sacra*），主要分布在青藏高原。与此同时，玫瑰红景天（*R. rosea*）、齿叶红景天（*R. integrifolia*）、库页红景天（*R. sachalinensis*）和红景天（*R. rhodantha*）等物种原产于欧洲和北美。在印度，包括小从红景天（*R. imbricata*）、异齿红景天（*R. heterodonta*）、喜马红景天（*R. wallichiana*）、四裂红景天和西藏红景天（*R. tibetica*）在内的红景天属植物分布于跨喜马拉雅地区，主要生长在海拔2500米以上。
这些物种在印度、中国、西藏、俄罗斯和斯堪的纳维亚的传统医学实践中已应用数百年。在中国，红景天被视为神圣草药，常被称为“高原人参”；而在印度，小从红景天作为珍稀濒危物种，被当地人称为“Sanjeevani”，意为“赋予生命”，反映了其显著的药用价值。红景天具有多种药理特性，包括抗癌、抗缺氧、抗衰老、抗氧化、抗应激、抗微生物、神经保护、心脏保护、辐射防护和适应原样效应。产生这些效应的主要生物活性化合物包括红景天苷、对羟基苯乙醇、洛塞维（rosavin）、洛塞琳（rosarin）和洛塞因（rosin）。此外，这些物种还富含酚类化合物，如槲皮素、山奈酚、绿原酸、没食子酸、咖啡酸、肉桂酸、羟基苯甲酸、对香豆酸和阿魏酸。红景天多样的药用潜力导致市场需求激增，进而造成自然种群的过度开发。因此，迫切需要采取可持续的繁殖和保护策略，以确保这些珍贵物种的持续供应。
红景天的传统繁殖方法，包括基于种子和营养繁殖的方式，面临诸多限制，如种子萌发率低、生长速度慢、季节性依赖以及对环境波动的敏感性。这些挑战阻碍了大规模繁殖和具有药用价值的重要次生代谢物（SMs）的可持续生产。为克服这些制约因素，生物技术策略已成为通过操纵微环境来优化生长条件的强有力工具，微环境在调节细胞行为（包括细胞分化、器官发生和形态发生反应）中起着关键作用。植物组织培养和其他体外技术为红景天的快速繁殖、保护和代谢产物产量提高提供了有前景的替代方案。然而，除了零星的体外培养方法报道外，目前仍缺乏整合体外繁殖策略、植物生长调节剂（PGR）优化和代谢工程方法的综合性综述。此外，关于物种特异性PGR响应以及实验室方案向商业应用的可扩展性方面，仍存在显著的知识空白。本综述批判性地评估了不同红景天属物种的微繁殖和再生策略，特别侧重于剖析不同PGR处理对形态发生和次生代谢物（SM）产生的影响。进一步重点介绍了先进的生物技术干预措施，如诱导子处理、前体饲喂和代谢工程，旨在增强关键次生代谢物的生物合成。通过整合这些策略，研究人员为生物技术干预如何促进这一高价值药用属的可持续保护和药物应用提供了全面视角。
2 综述信息检索方法
使用PubMed、Scopus、Web of Science和Google Scholar等数据库进行了全面的文献检索。关键词包括“Rhodiola”、“salidroside”、“rosavin”、“secondary metabolite production”、“plant tissue culture”、“elicitation”和“metabolic engineering”。优先选择近十年经同行评审的文章，以确保纳入最新研究进展。
3 红景天属的植物化学成分与经济重要性
红景天属植物因其有效的抗氧化、适应原和神经保护作用而长期用于传统医学体系。这些治疗特性归因于多种植物化学物质，大致分类为苯乙醇类——红景天苷、酪醇；苯丙素类——洛塞维、洛塞琳和洛塞因；黄酮类和原花青素类——红景天素（rhodiolin）、红景天黄酮苷（rhodioflavonoside）、儿茶素和原花青素低聚体；单萜醇及其衍生物——洛塞利多（rosiridol）、洛塞利丁（rosiridin）、香叶醇；酚酸类——没食子酸、绿原酸、咖啡酸、对香豆酸和阿魏酸；鞣质类——可水解和缩合鞣质，如没食子鞣质、鞣花鞣质、原花青素。其中，红景天苷和酪醇以及苯丙素类如洛塞维、洛塞因和洛塞琳通过多种分子途径发挥广泛的药理作用。红景天苷通过清除自由基和上调抗氧化防御系统（如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽（GSH））表现出有效的抗氧化作用，同时降低脂质过氧化标志物如丙二醛（MDA）水平。作为神经保护剂，红景天苷通过减少淀粉样蛋白-β（Aβ）积累和激活PI3K/Akt信号通路，改善阿尔茨海默病模型果蝇的运动功能和寿命。它还保护PC-12神经元细胞免受氧化应激并抑制乙酰胆碱酯酶活性，有助于在神经退行性疾病中的潜在治疗作用。在癌症研究中，红景天苷已被证明通过下调PI3K/Akt/mTOR和ENO1/PKM2/GLUT1信号通路，在多种癌细胞系（包括HT-29、MKN-45和SGC-7901）中诱导细胞凋亡和自噬。酪醇是与红景天苷结构相关的酚类化合物，具有抗氧化、神经保护、心脏保护和抗炎特性。洛塞维在肺纤维化小鼠模型中通过抑制NF-κB、TGF-β1和α-SMA的表达而显示出抗炎和抗纤维化作用。在癌症研究中，洛塞维还减少了肿瘤诱导小鼠模型中的血管生成和新血管形成，提示其具有抗血管生成和抗肿瘤潜力。计算机模拟分子对接和分子动力学研究表明，洛塞维可能与SARS-CoV-2靶蛋白（包括病毒主蛋白酶（Mpro））相互作用，支持其进一步抗病毒研究的潜力。
红景天属植物因其文献记载的药用特性和在制药及营养保健品行业日益增长的应用而具有显著的经济价值。全球对天然健康产品和适应原补充剂的兴趣日益浓厚，显著增加了对红景天制剂的需求，凸显了其在营养保健品和草药市场中日益增长的重要性。中国是全球红景天提取物的主要生产国，是各国际市场的重要供应商。仅2018年，中国就注册了超过126种含红景天的商业产品，包括胶囊、粉末、茶和功能性饮料。美国、英国、澳大利亚、新西兰、加拿大、韩国和巴基斯坦等主要进口国反映了这些提取物不断扩大的国际市场。此外，红景天属植物正被探索作为开发新型药物制剂的候选对象，强调了其在生物医学研究和药物发现中的更广泛意义。
4 红景天属的生物技术方法
红景天属植物的栽培受到特定环境要求、种子活力低、生长速度慢和次生代谢物积累有限的限制。生物技术方法，特别是体外技术，通过优化微环境来提供解决方案，微环境影响细胞分化和器官发生。每个物种对光照、温度、湿度、营养和生长调节剂都有独特的要求。识别和微调这些因素可促进植物发育并降低组织培养成本，这对大规模繁殖至关重要。适当优化的条件可产生具有改良性状的优质植株，适合商业用途。
4.1 红景天属的体外繁殖
4.1.1 影响分生组织培养植物繁殖的关键因素
微繁殖是植物组织培养中的一项关键技术，主要利用植物的分生组织区域，如茎尖、节段、腋芽、子叶节等。该方法涉及几个关键阶段：外植体选择、无菌培养建立、芽增殖、体外芽生根、植株驯化和田间定植。对于红景天属植物，已使用多种外植体，包括成熟茎尖、侧生芽和节、体外茎尖、体外芽和体外幼苗，通过分生组织培养进行芽诱导。其中，体外幼苗和体外芽因其不具有成熟外植体常见的休眠问题，被优选为微繁殖的起始材料。微繁殖成功的关键方面是有效消毒外植体以防止污染。预消毒步骤涉及使用液体洗涤剂，如Labolene和Tween 20，浓度范围为0.01%至2.0%。为防止真菌污染，小从红景天的芽已用0.5%的Bavistin处理。表面消毒使用化学试剂实现，如氯化汞（HgCl2）浓度为0.04%至0.5%，次氯酸钠（NaOCl）浓度为0.5%至20%，以及次氯酸钙[Ca(OCl)2]浓度为5.0%。
红景天属植物的微繁殖已使用各种基础营养培养基进行研究，包括Murashige和Skoog（MS）培养基（1962）、改良MS培养基（MMS）和Nitsch和Nitsch（NN）培养基（1969）。其中，MS培养基因其宏量和微量元素组成均衡，最常用于芽增殖，支持红景天属植物的最佳生长和发育。细胞分裂素，如N6-苄基腺嘌呤（BAP）、激动素（KN）、噻苯隆（TDZ）、玉米素（Z）、meta-Topolin（mT），单独或与吲哚-3-乙酸（IAA）和α-萘乙酸（NAA）组合使用，已成功促进其芽增殖。对玫瑰红景天的研究表明，添加KN和IAA、NAA或Z和IAA的基础培养基可显著增强芽增殖。尽管这些组合有效，但大多数关于各种红景天属物种的研究都使用添加BAP的MS培养基以获得最佳生长。例如，BAP单独使用已被证明在促进芽增殖方面非常有效。此外，当BAP与KN结合时观察到协同效应。进一步研究表明，BAP与IAA或NAA组合可显著增强芽增殖。这些发现共同表明，BAP是促进红景天属物种芽增殖的多功能可靠选择。虽然玫瑰红景天是众多微繁殖研究的主要焦点，但小从红景天仍相对未充分研究，特别是在优化的PGR应用方面。为解决这一知识空白，研究团队评估了各种细胞分裂素对小从红景天芽增殖的效果。研究人员发现BAP和低浓度TDZ均可有效促进芽增殖。然而，尽管TDZ在众多植物物种中诱导高频芽再生的能力已被充分记录，但其应用常因相关缺点（包括过度愈伤组织形成、过度水合化和异常芽形态）而受限。为克服这些限制，研究人员研究了使用mT作为替代细胞分裂素。mT与BAP结构不同，在间位含有羟基化苄环，作为细胞分裂素氧化酶的较弱抑制剂，导致植物组织中更稳定和生理平衡的细胞分裂素活性。研究结果显示，与BAP或TDZ处理的培养物相比，mT显著改善了小从红景天的芽质量，产生了叶片更宽、过度水合化发生率降低的发育良好的芽。展望未来，进一步研究mT等替代PGR对于优化红景天微繁殖方案和提高高价值生物活性化合物的可持续生产至关重要。
除了营养培养基和PGR外，培养条件（包括光周期、温度和光照强度）在红景天的芽增殖和整体生长中起着关键作用。大多数红景天属物种的研究中，16小时光照的光周期主要用于促进芽增殖和生长。光照强度在大多数研究中报道的最适范围为40至46 μmol m
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健康根系的发育对于微繁殖植物的存活和成功定植至关重要。影响根形成的几个关键因素包括营养培养基的强度、所用生长素的类型及其浓度。在红景天属植物中，根据所用PGR的不同，体外生根观察到不同响应。研究表明，将微芽转接至不含PGR的? MS培养基上可有效诱导玫瑰红景天生根。此外，还评估了添加各种PGR的不同营养培养基强度（MS和? MS）在红景天属植物中诱导体外生根的效果。例如，单独添加IAA（5.0 μM）或IAA（0.2 mg/L）、IBA（2.0 mg/L）和GA3（0.4 mg/L）组合至? MS培养基在大花红景天和玫瑰红景天中产生了最佳生根响应。类似地，在? MS培养基中BAP（1.0 mg/L）和NAA（1.0 mg/L）的组合被发现是玫瑰红景天生根的最佳方案。相比之下，在MS培养基中BAP（0.1 mg/L）和NAA（1.0 mg/L）的组合显著改善了库页红景天的生根。微繁殖方案的最后一步——驯化，对于微繁殖植物成功适应环境条件至关重要。已报道多种盆栽基质组合可有效支持这一过程。例如，土壤、沙子和蛭石（1:1:1）的混合物；土壤、珍珠岩和蛭石（1:1:1）；珍珠岩、土壤和泥炭（1:1:2）；以及泥炭藓、珍珠岩和沙子（1:1:1）均已被证明可促进驯化。
4.1.2 直接不定芽再生
体外植物再生是作物改良的关键步骤，对粮食安全和农业可持续性有重要贡献。然而，尽管其重要性，目前红景天的体外再生方案仍仅限于少数物种，包括大花红景天、狭叶红景天、小从红景天和库页红景天。这一局限性构成了明确的研究空白，使其成为进一步研究的重要领域。控制直接芽再生成功的关键因素包括基础营养培养基的组成和碳源选择。此外，外植体类型、PGR、培养添加剂和环境条件也显著影响再生响应。例如，狭叶红景天的最适芽再生是通过叶片外植体在添加BAP（13.32 μM）和NAA（0.54 μM）的MS培养基上实现的，再生频率达86.1%。类似地，在大花红景天中，在暗培养预处理后，添加BAP（15 μM）和GA3（2.5 μM）的MS培养基上报道了最高的芽再生。这些发现强调了激素平衡和预处理在增强芽形态发生中的重要性。然而，与大多数聚焦于叶片外植体的研究不同，Tasheva和Kosturkova（2010a）证明了利用根茎芽和带叶节的茎段作为外植体在玫瑰红景天中成功进行直接再生。当根茎芽（10-12 mm）在添加2 mg/L玉米素、0.2 mg/L IAA和1000 mg/L酪蛋白水解物的MS培养基上培养时，62.5%的外植体实现了芽再生。类似地，带叶节的茎段在相同芽诱导培养基下显示出显著更高的85%的再生频率，这可能归因于更高的分生组织活性和内源细胞分裂素水平。腐胺被广泛认为通过调节多胺生物合成和应激响应来促进形态发生。在库页红景天中，在MS培养基中补充100 mM腐胺和BAP（1 mg/L）将不定芽再生从71%提高至93%，证明了其对芽诱导的积极作用。虽然低浓度腐胺刺激细胞分裂和分化，但高于最适范围的浓度可能产生应激样效应或诱导代谢失衡，对芽诱导产生负面影响。此外，对mT和KN等替代细胞分裂素在红景天属植物中的评估关注较少。研究它们在红景天再生中的潜力可能为现有方案带来有价值的改进，并实现更有效的物种特异性优化。此外，温度和光周期等环境参数在促进芽增殖和生长中发挥重要作用。红景天属植物最适直接芽再生已在25°C的培养室温度和16小时光周期下实现。
对于体外再生红景天芽的生根，已使用? MS和全强度MS培养基。在几种条件下观察到成功生根，包括库页红景天单独使用? MS，狭叶红景天使用添加IBA（1.48 μM）的? MS，大花红景天使用添加IAA（5.0 μM）的MS培养基，以及小从红景天使用添加NAA（0.5 μM）的MS培养基。成功生根的红景天植株已使用不同的盆栽混合物进行驯化，包括土壤、珍珠岩、蛭石、沙子和泥炭藓。据报道，体外再生的库页红景天在人造土壤中存活率为100%，而在泥炭藓：沙子（1:1）基质中移植后存活率超过95%。大花红景天在土壤中约81.7%的植株存活，而狭叶红景天在同一基质中存活率为66.6%。小从红景天在土壤、蛭石和珍珠岩（1:1:1）的混合物中显示出超过80%的存活率。
4.1.3 间接植物再生
在红景天属植物中，叶片外植体主要用于愈伤组织介导的再生，除了库页红景天的一项研究使用了茎尖。在大多数情况下，MS培养基作为基础营养培养基，3.0%蔗糖作为红景天属植物间接再生的主要碳源。添加2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D），单独或与BAP、IBA或CH等生长添加剂组合，增强了愈伤组织诱导和芽形成的响应。在几项研究中，BAP单独使用或与IAA、IBA或NAA组合使用，已被证明可有效促进间接芽再生。据报道，添加BAP（2.5 μM）和NAA（5.0 μM）的MS培养基可促进愈伤组织诱导，而含有BAP（1.0 mg/L）和IBA（2.0 mg/L）的MS培养基被证明可有效促进小从红景天愈伤组织的芽增殖。小从红景天愈伤组织介导再生的最适培养条件包括16小时光周期，培养温度根据再生方案不同为15至25°C。来自愈伤组织培养的体外芽已在添加IAA、IBA或NAA等生长素的? MS或MS培养基上成功生根。生长素和细胞分裂素的组合，特别是添加BAP和IBA的MS培养基，在小从红景天中产生了每芽最高的根数，而BAP与NAA组合被发现更适合库页红景天。通过愈伤组织介导的器官发生在含有土壤、沙子和蛭石（1:1:1）或土壤：珍珠岩：蛭石（1:1:1）混合物的盆中驯化后，体外再生的小从红景天植株存活率为75%至80%。
5 红景天属次生代谢物的生物合成及其调控
红景天属植物以其丰富的生物活性化合物含量而闻名，包括多酚、有机酸、苯丙素和苯乙醇苷，这些化合物具有重要的药学意义。传统的商业规模生产这些代谢物的方法往往繁琐，需要数年时间才能充分积累。体外培养和其他生物技术方法为诱导和增强红景天属植物中有价值的次生代谢物（SMs）的产生提供了有效替代方案。因此，植物细胞、组织和器官培养技术代表了可持续商业规模生产这些具有药用价值的次生代谢物的有前景策略。
5.1 细胞、组织和器官培养对红景天属次生代谢物生产的影响
已探索各种植物组织培养技术作为生产红景天属植物重要次生代谢物的可行替代方案，包括大花红景天、小从红景天、狭叶红景天、四裂红景天、玫瑰红景天和库页红景天。不同的外植体，包括茎、根、子叶、体外叶片、体外幼苗和体外芽，已用于红景天的芽再生、愈伤组织培养和细胞悬浮培养。外植体的选择在决定次生代谢物积累中起关键作用。例如，Rattan等人（2020）证明，叶片外植体建立的愈伤组织培养产生的红景天苷（3.59 mg/g DW）高于根外植体（2.18 mg/g DW）。然而，根来源的愈伤组织培养显示出较高水平的酪醇（0.88 mg/g DW），而叶片外植体为0.60 mg/g DW。类似地，Bhardwaj等人（2018b）报道了小从红景天体外根中洛塞维（0.00671 mg/g DW）和肉桂醇（0.0181 mg/g DW）的浓度高于芽（洛塞维：0.00374 mg/g DW和肉桂醇：0.0128 mg/g DW）。培养基的选择是影响次生代谢物生产的另一个关键因素。已评估各种基础培养基，包括MS、改良MS、? MS、NN和B5，用于红景天属植物的次生代谢物生产。其中，MS培养基因其适合支持不同红景天属物种的生长和生物活性化合物积累而最常用。此外，培养基类型已被证明影响次生代谢物积累。液体培养通常在次生代谢物生产方面优于琼脂凝胶培养，因为营养吸收增强且在生物反应器系统中具有可扩展性。虽然3.0%蔗糖常用作碳源，但一些研究表明5.0%蔗糖浓度可增强库页红景天中红景天苷和酚类物质的产生。BAP、KN、Z、TDZ、mT、NAA、IBA和2,4-D等PGR已用于建立红景天属植物的芽、愈伤组织和细胞悬浮培养。添加BAP和NAA的MS培养基已被确定为有利于愈伤组织和细胞悬浮培养中次生代谢物的产生。此外，Hao等人（2023）证明，通过调整氮（30 mM；NH4
+/NO3
? = 5/25）、磷（0.94 mM）和钙（2.3 mM）来优化基于MS的细胞悬浮培养基的矿物质组成，可显著增强库页红景天细胞悬浮培养中红景天苷和多糖的产生。
虽然16小时光周期最常用于红景天的次生代谢物生产，但几项研究表明，暗培养可进一步增强狭叶红景天和库页红景天细胞悬浮培养中红景天苷、酪醇和洛塞维的积累。在玫瑰红景天中，连续光照导致洛塞维水平不可检测，而Kapoor等人（2019）发现连续光照暴露使小从红景天培养物中红景天苷水平增加了1.24倍。培养持续时间也很关键，根据目标次生代谢物不同而变化，通常为5至42天。例如，大花红景天中红景天苷（26.48 mg/g DW）和酪醇（17.34 mg/g DW）的最高水平记录在悬浮培养的第10天。在狭叶红景天中，红景天苷峰值积累（0.0156 mg/g DW）发生在第12-15天，而酪醇（0.0016 mg/g DW）在第28天达到峰值，洛塞维（0.0082 mg/g DW）在第42天达到最大值。
5.2 通过诱导子处理增强红景天属次生代谢物的产生
诱导子处理是增强药用植物（包括红景天属）次生代谢物生物合成的广泛认可策略。已使用各种诱导子，如光照、紫外光、蔗糖、水杨酸、茉莉酸、茉莉酸甲酯、抗坏血酸、氯化镉、酵母提取物和真菌菌丝体提取物，以显著提高具有药学重要性次生代谢物的积累。诱导子通过模拟生物或非生物胁迫信号发挥作用，植物通过特定细胞表面受体感知这些信号。这种感知触发信号转导级联，如丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）途径和活性氧（ROS）信号传导，最终导致MYB、WRKY和bHLH家族等应激响应转录因子的激活。这些转录因子结合生物合成基因的启动子区域，从而上调参与酚类和糖苷（如红景天苷和洛塞维）生物合成的关键酶（如PAL和UDP依赖性糖基转移酶）的表达。这种增强的转录活性导致目标代谢物的加速积累。例如，在添加BAP（1.0 mg/L）和IBA（2.0 mg/L）的MS培养基上维持的小从红景天芽培养暴露于紫外光，21天后红景天苷含量增加了5倍。类似地，蓝光被发现比红光、白光和绿光更有效地促进小从红景天愈伤组织培养21天中红景天苷、酚类化合物和黄酮类的产生。培养条件，特别是碳源浓度，也起着关键作用。在库页红景天悬浮培养中，4-5%的蔗糖浓度显著增强了红景天苷积累，可能通过改变渗透胁迫并同时作为碳源和信号分子。在研究的化学诱导子中，茉莉酸甲酯是最有效的之一。在库页红景天细胞培养中，在黑暗条件下补充250 μM MeJA，20天后红景天苷含量增加约20%。Rattan和Warghat（2023）报道，用100 μM MeJA处理小从红景天细胞悬浮培养，在处理72小时后积累了红景天苷（1.85 mg/g DW）、酪醇（0.60 mg/g DW）、洛塞维（0.67 mg/g DW）和洛塞琳（0.53 mg/g DW）。相比之下，50 μM SA更有效，在诱导子处理48小时后，所有四种代谢物的积累显著更高。在生物诱导方面，在库页红景天悬浮培养中使用黑曲霉（*Aspergillus niger*）菌丝体提取物（40 mg/L），20天后与未处理对照相比红景天苷产量增加了5倍。这可能通过防御相关途径的协同激活和增强的前体可用性发生。
5.3 前体饲喂增强红景天属次生代谢物的产生
前体饲喂是通过增加生物合成中间体的可用性来增强植物系统次生代谢物产生的重要生物技术策略。该技术涉及向培养基中补充前体分子，这些前体随后被整合到特定生物合成途径中并由植物细胞转化为所需代谢物。生物合成前体的可用性和分布影响通过次生代谢途径的碳通量，从而影响次生代谢物的生物合成和积累。已研究几种前体分子在增强红景天属植物关键次生代谢物产生中的作用，包括苯丙氨酸、酪醇、酪氨酸、肉桂醇、肉桂醛和酪胺。其中，酪醇在增强小从红景天、玫瑰红景天和狭叶红景天中红景天苷积累方面被证明特别有效。在小从红景天中，在优化的细胞悬浮培养基中补充3.0 mM酪醇，在16小时光照/8小时黑暗光周期下，叶片来源培养物产生最高红景天苷含量26.05 mg/g DW，根来源培养物为26.62 mg/g DW。对于洛塞维生产，在小从红景天细胞悬浮培养中补充1.0 mM苯丙氨酸，在16小时光照/8小时黑暗光周期下培养12天后，洛塞维和洛塞琳含量最高，分别为1.57 mg/g DW和0.78 mg/g DW。肉桂醇（1.5-2.5 mM）也增强了小从红景天、玫瑰红景天和狭叶红景天中洛塞维、洛塞因和洛塞琳的积累。洛塞维类化合物产量的提高归因于所供肉桂醇的直接糖基化，从而绕过苯丙氨酸解氨酶介导的L-苯丙氨酸向反式肉桂酸的转化，该转化代表苯丙素途径中关键的限速步骤。前体添加的时机在优化次生代谢物生产中起关键作用。在狭叶红景天转化根培养物中，接种时补充2.5 mM肉桂醇，14天后添加1%蔗糖，显著增强了洛塞维的产生。相比之下，第14天单独补充2.5 mM肉桂醇有利于洛塞因的产生。
5.4 毛状根培养与红景天属次生代谢物的产生
毛状根培养（HRC）已成为传统组织、器官和悬浮培养生产次生代谢物（特别是根中发现的次生代谢物）的有前景替代方案。毛状根表现出遗传和生化稳定性，以及在无PGR培养基中旺盛生长的能力，使其成为次生代谢物生物合成的有吸引力系统。影响毛状根技术成功的几个因素包括农杆菌菌株、光密度（OD）、共培养持续时间、外植体类型、组织损伤方法、pH、培养条件和光周期。红景天属植物中HRC的建立特别受外植体选择、农杆菌菌株（如C58C1、LBA 9402、ATCC 43057和ATCC 15834）和培养基的影响。大多数研究使用体外叶片外植体建立毛状根，通常在MS或? MS培养基上培养以促进最佳生长。据报道，在MS培养基中补充PGR（包括BAP、IAA和2,4-D）可增强四裂红景天中毛状根生长和代谢物产生。在这些条件下，与对照相比，毛状根表现出增强的红景天苷产生（0.058-0.071%）。库页红景天的转化毛状根，特别是携带UDP-糖基转移酶基因的那些，与对照相比红景天苷产量惊人地增加了420%。此外，在HRC系统中已采用诱导子处理和前体饲喂策略来增强红景天苷、洛塞琳、洛塞维和洛塞因的产生。例如，向大花红景天毛状根培养物中添加水杨酸（20 μM）和茉莉酸甲酯（100 μM），红景天苷产量分别增加了7.63倍和4.1倍。类似地，用2.5 mM酪醇处理狭叶红景天毛状根，红景天苷产量增加了3倍。
5.5 利用生物反应器大规模生产次生代谢物
生物反应器技术为次生代谢物的大规模生产提供了高效且成本效益高的平台，从而满足制药和工业领域对这些生物活性化合物日益增长的需求。已有几项研究探索了生物反应器系统在库页红景天次生代谢物生产中的应用。Li等人（2014b）证明，在气球型气升式生物反应器中培养库页红景天，与振荡摇瓶培养相比增强了生物量产生，培养25天后红景天苷和多糖含量分别为1.78 mg/g DW和394.61 mg/g DW。在同一研究中，补充125 μM茉莉酸甲酯增强了红景天苷积累，达到4.75 mg/g DW，而150 μM茉莉酸甲酯导致最高多糖含量（392.41 mg/g DW）。Li等人（2016）进一步优化了生物反应器培养系统，证明3.5 cm气体分布器、30 μmol m
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?1光照强度、30 g/L蔗糖和20-25天培养期是最大化库页红景天愈伤组织生长以及红景天苷、多糖、酚类和黄酮类积累的最佳条件。最近，Hao等人（2022）在5 L补料分批生物反应器中建立了库页红景天细胞悬浮培养，使用添加3.0%蔗糖、3.0 mg/L BAP和0.3 mg/L NAA的? MS培养基，获得的细胞内红景天苷含量（39.54 mg/g DW）高于常规分批培养条件。基于这一优化的培养系统，Hao等人（2023）通过调整氮（30 mM；NH4
+/NO3
? = 5/25）、磷（0.94 mM）和钙（2.3 mM）浓度优化培养基矿物质组成，进一步提高了培养性能。在这些优化条件下，补料分批培养实现了277.3 mg/L红景天苷和4.5 g/L多糖的生产率，分别比初始培养基高1.7倍和1.9倍。
5.6 代谢工程
最近代谢工程的进展显著推进了研究人员对红景天中关键次生代谢物（特别是红景天苷和苯丙素衍生物如洛塞维）生物合成途径的理解。在红景天中，红景天苷生物合成遵循酪氨酸衍生途径，涉及酪氨酸脱羧酶（TDC）、芳香醛合酶（AAS）、醇脱氢酶（ADH）和UDP-糖基转移酶（UGT）的依次作用，UGT催化将酪醇转化为红景天苷的最终糖基化步骤。小从红景天中的转录组研究已鉴定出参与苯乙醇生物合成的多个基因，包括TYRAAT、TDC、AOC和推定UGT73C，而ADT、PAL、4-CL、CCR和CAD是苯丙素生物合成的关键参与者。莽草酸途径作为中心代谢枢纽，为两个分支提供酪氨酸和苯丙氨酸作为前体。增强次生代谢物生产的关键代谢工程策略包括：关键生物合成基因的过表达：TDC、AAS、ADH、UGT73C、PAL、4-CL、CCR、CAD；前体供应增强：ARO1和ARO2等基因的过表达增强莽草酸的供应，提高酪氨酸和苯丙氨酸水平，它们是红景天苷和洛塞维生物合成的关键前体；转录因子调控：工程化NAC、bHLH、ARF、MYB和WRKY等转录因子，这些已被鉴定为红景天中次生代谢物生物合成的重要调节因子；CRISPR/Cas9介导的基因编辑：用于敲除竞争途径或反馈调节节点；RNA干扰（RNAi）：用于选择性下调不需要的基因或竞争途径，减少苯丙氨酸和色氨酸的分流。
对红景天来源生物活性物质日益增长的工业需求，不能仅靠天然来源满足，这促使研究人员探索多种生物技术策略。其中，使用微生物系统进行代谢工程，如大肠杆菌（*Escherichia coli*）和酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*），已获得显著关注。每个宿主都提供不同的优势。大肠杆菌生长迅速且易于进行遗传操作，非常适合高通量、成本敏感的工业应用。相比之下，酿酒酵母因其真核细胞机制而受到青睐，其更接近模拟植物的翻译后修饰，并对低pH和渗透胁迫表现出更好的耐受性，增强了途径稳定性和产物回收。然而，在补料分批培养中，酿酒酵母通常实现的红景天苷产量（约0.732 g/L）低于大肠杆菌，后者可产生超过9 g/L。这些方法相比传统植物基或其他化学方法提供了成本效益、可扩展性和环境可持续性等优势。
5.6.1 大肠杆菌中间源生产次生代谢物
在大肠杆菌中成功建立了
