（植物学专业论文）不同生态分布的植物精油化学多样性研究及相关数据库建设.pdf

内容摘要 随着人类对药物的深入研究，人们发现植物化学成分的多样性为寻找开发新 药提供了必不可少的先导化合物、结构及合成途径。本项目选择三个植物类群( 高 原植物、干旱植物和园林植物) 作为研究对象，从精油成分的多样性角度进行分析， 初步探讨其化学多样性的分析及度量方法。 大花红景天( r h o d i o l ac r e n u l a t a ) 为景天科( c r a s s u l a c e a e ) 红景天属( r h o d i o 埘 多年生草本植物，主要分布于北半球的高寒地带。本研究采用水汽蒸馏法提取大花 红景天根茎的精油，用g c m s 计算机联用仪数据处理系统，对精油成分及其含量 进行定性和定量分析。从西藏和云南8 个大花红景天居群的精油中，共分离出近6 5 个成分，鉴定了4 2 个化合物：聚类分析与主成分分析均能将8 个大花红景天居群精 油化学成分分为2 个化学类型，化学型i 为西藏的3 个居群，即富含香叶醇( 4 5 5 2 5 5 1l ) 型：化学型i i 为云南的5 个居群，即富含辛醇( 2 0 9 7 。3 9 4 5 ) 和香叶醇 ( 1 4 7 8 2 6 9 ) 型。在此基础上，利用m a n t e l 统计检验探讨了精油化学成分与地 理距离的相关性，发现两者显著相关。 沙棘是胡颓子科沙棘属的一种固氮树种，在干旱和半干旱地区生长。沙棘属下 有沙棘、柳叶沙棘、肋果沙棘和西藏沙棘四个种，在沙棘种下又包括9 个亚种。其 中云南沙棘亚种和中国沙棘亚种在中国具有广泛的分布，而且是中国的特有种。利 用g c m s 方法，分析了1 4 个中国沙棘居群和云南沙棘居群的化学成分。共分离得 到4 5 个化合物，鉴定了其中的4 0 个化合物；采用主成分和聚类分析的方法对居群 之间化学成分的变异进行了分析，结果显示烷烃、醇和脂肪酸在不同居群中的分布 能够把中国沙棘和云南沙棘两个亚种显著地区别开来，具有显著的分类学指示意义。 沙棘居群化学成分的变异与地理位置之间有一定的相关性。对沙棘居群间的化学成 分变化与种群遗传距离的相关性分析表明，无论是云南沙棘还是中国沙棘，化学成 分的变化与遗传变异的相关性都不显著，说明居群化学成分的变化趋势与居群遗传 变异趋势不一致。 园林植物是城市生态环境的主体，在改善空气质量，除尘降温，增湿防风，蓄水防 洪，以及维护生态平衡，改善生态环境中起着主导和不可替代的作用。我们分析了6 2 种园林植物的精油成分，发现常绿的松柏类植物的精油含量较高，为此，我们选择 黄皮( c l a u s e n al a n s i u ml o u rs k e e l s ) ，白皮松( p i n u sb u n g e a n az u c c e xe n d l ) ，香 榧( t o r r e g a g r a n d i s f o r te x l i n d l ) ，铡拍( p l a t y c l a d u so r i e n t a l i s l ，f r a n c e ) ，龙柏( s a b i n a c h i n e n s 矗l a n t c v , k a i z u c a ) ，雪松( c e d r u sd e o d a r ar o x bgd o n ) ，圆柏( s a b i n a c h i n e n s l l a m ) 等7 种城市绿化的常见树种作为研究对象分别进行体外抑菌，杀菌 试验，选择金黄色葡萄球菌( s t a p h y l o c o c c u sa u r e u sa t c c 2 9 2 1 3 ) ，表皮葡萄球菌 ( s t a p h y l o c o c c u se p i d e r m i d i sa t c c - 3 5 9 8 4 ) ，大肠埃希菌( e s c h e r i c h i ac o l ia t c c 2 5 9 2 2 ) ，绿脓假单胞菌( p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a a t c c 2 7 8 5 3 ) 为供试菌种。实验结果 显示：所有供试植物挥发油均具有一定的抑菌及杀菌作用。供试植物挥发油普遍对 革兰阳性菌作用较强，而对革兰阴性菌则几乎没有作用( 除圆柏对大肠杆菌有作用) ， 尤其是对耐药性较强的绿脓杆菌，全部供试植物挥发油均无效。所供试植物挥发油 中，圆柏的抑菌及杀菌作用最强，范围最广。 我们利用m i c r o s o f t a c c e s s2 0 0 0 数据库软件，建立了一个红景天属植物标本数 据库，并运用m a p i n f op r o f e s s i o n a l6 0 软件对红景天属的三个重要药用物种( 大花 红景天、长鞭红景天、狭叶红景天) 进行了地理信息分析。红景天属植物标本数据 库的建立，为红景天属植物的分布及其居群生物学、系统发育地理学研究提供了基 本资料，对野外调查、采样工作具有借鉴参考作用：由于红景天属植物大多分布在 高寒地带，对环境变化敏感，结合标本记录可用于研究比较大花红景天等红景天属 植物的历史与动态分布，对物种保护工作具有一定的指导意义。 关键词：大花红景天、沙棘、园林植物、抑菌、g c m s 、数据库建设 a b s t r a c t t h er h o d i o l ac r e n u l a t a ( c r a s s u l a c e a e ) ，ap e r e n n i a lh e r b a c e o u sp l a n t ，c o n s i s t so f a b o u t9 0s p e c i e sa l lo v e rt h ew o r l d ，d i s t r i b u t e dm o s t l yi nt h e h i g hc o l dr e g i o no f t h e n o r t h e r nh e m i s p h e r e t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fe s s e n t i a lo i l sf r o mr h i z o m e so f r c r e n u l a t aw a sa n a l y z e db yg c m sq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y 6 5c o m p o u n d s w e r ee x t r a c t e df r o me s s e n t i a lo i l sf r o me i g h tp o p u l a t i o n si nt i b e ta n dy u n n a n ，a m o n g w h i c h4 2w e r ei d e n t i f i e d t h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s ( p c a ) a n dc l u s t e ra n a l y s i s ( c a ) s h o w e dt h a tt h ec h e m i c a lv a r i 曲i l i t yo f r c r e n u l a t af r o mt i b e ta n dy u n n a ni s r e l a t e dw i t ht h eg e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o na n dc a nb eu s e df o rt h ei d e n t i f i c a t i o no f r e s o u r c e so fr c r e n u l a t a t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt w om a i nc h e m o t y p e sw e r ew e l l d i f f e r e n t i a t e d ，o n er i c hi ng e r a n i o l ( 4 5 5 2 5 5 11 ) i n c l u d i n ga l lt h r e ep o p u l a t i o n sf r o m t i b e tw h i l et h eo t h e rr i c hi nn - o c t a n o l ( 2 0 9 7 3 9 4 5 ) a n dg e r a n i o l ( 1 4 7 8 2 6 9 ) i n c l u d i n ga l lf i v ep o p u l a t i o n sf r o my u n n a n f u r t h e r m o r e ，t h em a n t e lt e s ts h o w e dt h e r e w e r es i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h et w od i s t a n c e sm a t r i c e sb a s e do nc h e m i c a l c o m p o s i t i o na n dg e o g r a p h i c a ld i s t a n c e s e ab u c k t h o r n ( h i p p o p h a er h a m n o i d e s ) i sw e l la d a p t e dt oa r i dr e g i o n sa n di su t i l i z e d f o rm u l t i p l ep u r p o s e si nc h i n a t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f l e a v e sf r o m1 4p o p u l a t i o n s o f h i p p o p h a er h a m n o i d e ss s p y u n n a n e n s 西a n ds s p s i n e n s i sw a sa n a l y z e db yg c m s o f t h e4 5c o m p o u n d sr e p r e s e n t e d ，4 0c o m p o u n d sw e r ei d e n t i f i e d t h ep r i n c i p a l c o m p o n e n t sa n a l y s i s ( p c a ) a n dc l u s t e ra n a l y s i sw e r ep e r f o r m e df o ri n v e s t i g a t i n gt h e i n t e r p o p u l a t i o nv a r i a b i l i t yo f t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n o u rr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e d i s t r i b u t i o no ft e t r a c o s a n e ，e i c o s a n o la n dh e x a d e c a n o i ca c i dh a v es i g n i f i c a n tv a l u ef o r d i s t i n g u i s h i n gh r h a m n o i d e ss s p y u n n a n e n s i sa n dh r h a m n o i d e ss s p s i n e n s i sf r o m e a c ho t h e r t h ep c aa n dc ao f t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o nr e v e a l e dt h a tt h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o no f l e a v e si sa s s o c i a t e dw i t hg e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o n t h et h r e e d i m e n s i o n a l p l o to f t h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t s c o r e sf t o t a l9 8 3 i n f o r m a t i o ni nt h ef i r s tt h r e e c o m p o n e n t s ) s h o w e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fl e a v e sa n d g e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o nc l e a r l y l a n d s c a p ep l a n t si nt h ec i t i e sp r o v i d es i g n i f i c a n tv a l u e ，f e i n c r e a s i n gt h eq u a l i t i e s o f a i r ，d e c r e a s i n gd u s t ，a n dc h a n g i n gt h ee c o l o g y & c i t i e s w ea n a l y z e dt h ee s s e n t i a lo i l s o f 6 2l a n d s c a p ep l a n t s ，a n df o u n dt h eh i g hc o n t e n to f e s s e n t i a lo i l si nc o n i f e r a e t h e e s s e n t i a lo i l so fc l a u s e n al a n s i u ml o u ts k e e l s ，p i n u sb u n g e a n az u c c e xe n d l t o r r e g a g r a n d i sf o r te x l i n d l ，p l a t y c l a d u so r i e n t a l & lf r a n c o ，s a b i n ac h i n e n s i sl a n t c v k a i z u c a c e d r u sd e o d a r ar o x bgd o na n ds a b i n ac h i n e n s i sl - a n tw e r ee x a m i n e df o r t h e i rp o t e n t i a la n t i m i c r o b i a la c t i v i t i e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s ee s s e n t i a lo i l sh a v e t h ec a p a c i t yt oi n h i b i tt h eg r o w t ho fp a t h o g e n i cm i c r o o r g a n i s m s ，f e s t a p h y l o c o c c u s a u r e r s se p i d e r m i d i s , a n de s c h e r i c h i ac o l i w eu t i l i z et h es o f t w a r eo f d a t a b a s e ，m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0t oe s t a b l i s had a t a b a s e o f t h es p e c i m e n so f r h o d i o l ap l a n t s ，a n dw ea l s oa n a l y z et h eg e o g r a p h i ci n f o 弁n a t i o no f t h r e ei m p o r t a n tm e d i c i n a ls p e c i e so f r h o d i o l a ，i e r c r e n u l a t a ( h o o k l e tt h o m s ) h o h b a ，rf a s t i g i a t a ，a n drk i r i l o w i iv i aa n o t h e rs o f t w a r e ，m a p i n f op r o f e s s i o n a l6 0 t h e e s t a b l i s h m e n to f t h ed a t a b a s eo f t h es p e c i m e n so f r h o d i o l ap l a n t sc a np r o v i d et h eb a s i c i n f o r m a t i o nf o rt h ed i s t r i b u t i o n p o p u l a t i o nb i o l o g ya n ds y s t e m a t i c & d e v e l o p m e n t a l g e o g r a p h ys t u d yo fr h o d i o l ap l a n t s t h ed a t a b a s ec a na l s ob eu s e da sr e f e r e n c ef o rf i e l d r e s e a r c ha n ds a m p l i n gw o r k 第一章引言 1 1 植物次生代谢产物及其作用 1 8 9 1 年，k e s s e l 将植物的新陈代谢分为初生代谢( p r i m a r ym e t a b o l i s m ) 和次 生代谢( s e c o n d a r ym e t a b o l i s m ) 。初生代谢是指维持植物体正常生命活动所必需 的物质和能量代谢，包括合成代谢和分解代谢，初生代谢产生的代谢产物称为 初生代谢产物( p r i m a r ym e t a b o l i t e s ) ，如糖、氨基酸、脂肪酸、核酸以及它们的 多聚体( 淀粉、多糖、蛋白质、r n a 和d n a 等) ，这些物质的分子量一般很大， 又称为大分子化合物。植物的次生代谢是植物体利用初生代谢产物，在一系列 酶的催化作用下，进一步进行合成或分解代谢，产生的代谢产物称为次生代谢 产物( s e c o n d a r ym e t a b o l i t e s ) ，如黄酮类、生物碱、挥发油等，由于这些化合物分 子量一般很小( 2 5 0 0 以下) ，又称为小分子化合物，习惯上称为天然产物( n a t u r a l p r o d u c t s ) 。次生代谢是一类特殊而且复杂的代谢类型，通常认为植物物的次生代 谢是通过渐变或突变获得的一种适应生存的方式，是植物体在长期的进化过和 中对生态环境适应的结果。它们通过降解或合成产生，不再对代谢过程起作 用。 植物次生代谢产物种类繁多，在来源、结构和功能方面均有不同之处。目 前己知的结构达3 万余种，主要分为：生物碱类( a l k a l o i d s ) 、萜类 ( t e r p e n o i d s ) 、黄酮类( f l a v o n o i d s ) 和其它酚酸类( p h e n o l i c s ) 等。大多数植 物在其生长和发育阶段都不断地合成各种类型的次生代谢产物，如：蒎烯、薄 荷醇、番茄碱、吲哚乙酸、赤霉素、叶绿素、类胡萝h 素等( h a r b o m e ，1 9 8 8 ； 1 9 9 1 ) 。植物次生代谢产物的多样性令人惊奇，以今天的技术而言，只要有足 够量的样品就可以从一种植物中分离鉴定出数百种的化合物。有人推测，一种 植物中可能发现2 0 0 0 至3 0 0 0 种化合物，而同科同属植物，其次生代谢产物分布 也有一定的规律性，这无疑促进了植物分类学( 系统与进化植物学) 和植物生 态学等研究的快速发展，同时也应运而生了一些相关性学科，如：植物化学分 类学、化学系统学和化学生态学等( 周俊和谭宁华，1 9 9 9 ；周俊和郝小江， 2 0 0 0 ) 。人们逐渐认识到，利用次生代谢产物来进行植物分类，可以弥补传统 分类的不足( h e g n a u e r 1 9 6 6 ；g o t t l i e b ，1 9 8 2 ) 。许多具有重要经济价值的植物 ( 特别是一些药用植物) 其主要有效成分的含量常常存在很大的差异，需要根 据其特性进行种及种下化学型的鉴定及分类( p a l o n ，1 9 9 2 ) 。例如，在薄荷科罗 勒属植物中，按其精油成分的含量可分为三种化学型：富含百罩酚( t h y m o l r i c h ) ( e k u n d a y o ，19 8 6 ；n t e z u r u b a n z a ，e ta 1 ，19 8 7 ；n d o u n g aa n do u a m b a ，19 9 7 ； p i n o ，e t a l ，1 9 9 8 ；j i r o v e t z ，e la l ，1 9 9 8 ；s a n d a ，e t a l ，1 9 9 8 ) ；富含丁子香酚 ( e u g e n o l r i c h ) ( c h o g oa n dc r a n k ，19 81 ；z a m u r e e n k oe ta l ，19 8 6 ；j a n k o v s k y ，e t a l ，1 9 9 0 ；c o l s o ne t a l ，1 9 9 1 ；c o r t e z ，e t a l ，1 9 9 8 ) ；富含香叶醇( g e r a n i 0 1 r i c h ) ( c h a r l e sa n ds i m o n 1 9 9 2 ) 。 植物与动物不同，为了生存，必须采取与动物不同的生态对策以适应各种 环境。合成和利用次生代谢产物就是其重要的对策之一( 李雄彪和张金忠， 1 9 9 2 ：何维明和钟章成，1 9 9 8 ；朱麟和古德样，2 0 0 0 ；彭少麟等，2 0 0 2 ： m a n n ， 1 9 7 8 ；h a r b o m e ，1 9 8 8 ；1 9 9 1 ) 。到目前为止，已经初步明确植物次生代谢物质的 主要功能体现为两个方面：首先，它们具有重要的生态学意义自身防御和 繁衍后代。为了生存，植物合成和利用这些次生代谢物质既可以阻止其它生物 的侵害，又可以抑制与其竞争生存条件的其它植物种群的生长发育；既可以吸 引帮助它们繁衍后代的传粉媒介，又可以吸引某些生物与之共生。其次，植物 次生代谢物质在植物的进化过程中起着不可忽视的作用。在漫长的生物进化过 程中，植物为求得“适者生存”产生一些对生态环境高度适应的次生代谢物质，从 而增强了其竞争生存的能力。当然，随着生存环境的改变，某些在植物进化过程 中十分重要作用的产物，在随后的进化阶段中可能意义不大。总之，近年来，植 物次生代谢产物的作用越来越引起人们的关注( 谷文祥等，1 9 9 8 ；h a r b o m e ， 1 9 8 8 ；1 9 9 1 ) 。 植物对生态环境的适应既可以发生在形态结构上，也可以发生在生理生化 上，而某些次生物质则成为后一种适应的物质基础。在一些耐早植物的研究中 发现其脱落酸和脯氨酸含量较高。例如：小麦在发生萎蔫的4 小时内其脱落酸的 含量立即增加达4 0 倍，脱落酸能促使植物气孔关闭，使气孔开放时间缩短或使 其只在晚上开放，这是植物提高保水力从而增强抗旱能力的途径之一。同时， 实验已经证明，在植物叶片上喷施脱落酸( 浓度为o 0 2 1 t g c m 2 ) 能有效的促使植 物关闭气孔，在几天内水分消耗可以减少5 0 以上( 杜近义等，1 9 9 9 ) 。 2 许多盐生植物的细胞内都积累了大量的甜菜碱和脯氨酸。人们已测定一系 列对盐分不敏感的植物由非盐条件逐步增加盐的浓度至高盐分环境中，其体内 的脯氨酸含量逐步增加，甜菜碱的含量也相应提高( 刘家尧等，1 9 9 4 ；梁峥和 骆爱玲，1 9 9 5 ；侯彩霞和汤章城，1 9 9 8 ：1 9 9 9 ；郭蓓等，1 9 9 9 ；杨淑英等， 2 0 0 0 ；骆爱玲等，2 0 0 1 ；陈少良等，2 0 0 1i 陈鹏和潘晓玲，2 0 0 1 ) 。也有一些 植物积累的是山梨醇、右旋肌醇甲醚等，这些化合物都是易溶于水。有关研究 认为，盐生植物在细胞内通过积累这些无毒溶质可以平衡由于液泡内无机盐 ( 如n a + 等) 积累所造成的细胞质渗透压的变化，从而对细胞起保护作用( 杜近 义等，1 9 9 9 ：王萍和郭继勋，1 9 9 8 ；张士功等，1 9 9 9 a ：1 9 9 9 b ；李银心等， 2 0 0 0 ；赵博生等，2 0 0 1 ；李秋莉等，2 0 0 2 ) 。 ， 德国科学家m o l i s h 于1 9 3 7 年首次提出了化感作用( a l l e l o p a t h y ) 一词，它 涵盖了各种植物之问包括微生物的生化相生及相克作用，即一种植物对另一种植 物的抑制现象。例如：黑胡桃树能将生长于其树冠下的番茄和苜蓿杀死；白叶鼠 草能抑制雀麦、狐茅的生长；山毛榉附近的月桂树、黄杨、杜鹃、紫杉属和冬青 属植物都生长不佳( r i c e ，1 9 8 4 ) ，等等。植物释放到环境中的次生代谢产物中许 多化合物具有化感作用，它们从植物中经挥发、淋洗、植物残体分解或有机体表 面渗出等方式进入环境。渗出物通过抑制种子萌发和幼苗定居来阻碍其立地周围 的竞争性植物的生长，从而影响植物群落甚至生态系统的演变。m u l l e r ( 1 9 6 5 ) 等人指出，在美国南加州沿海岸线分布的一些丛林带中，菊科( c o m p o s i t a e ) 的 加州蒿( a r t e m i s i ac a l i f o r n i c a ) 和唇形科( l a b a t a e ) 的银叶鼠尾草( s a l v i a l e u c o p h y l l a ) 等灌丛植物的周围会出现一条1 2 米宽的裸带，裸带中无任何植物 生长，裸带之外数米范围之内，杂草长势也明显地受到抑制。这种现象是由于加 州蒿和银叶鼠尾草的叶中含有丰富的挥发性萜类物质桉树脑( c i n e o l e ) 和樟 脑( c a m p h o r ) ，它们能被雨露带入土壤中从而抑制了其它草本植物种子的萌发和 幼苗生长。 由于化感物质存在，抑制了其他植物的生长，使许多植物易于形成纯植丛 ( p u r et h i c k e t ) ，即使在邻近的相似生境中有其它适应生活的种类也难以进入共 同生长。很多时候，在一个广泛的地理区域内，植物群落主要是由相近的种类组 成( s e i g l e r , 1 9 9 6 ) 。特别是许多菊科植物含有大量的挥发性萜类化合物，如柠檬 烯( 1 i r a n o n e n e ) 、蒎烯( p i n e n e ) 、樟脑( c a m p h o r ) 、长叶薄荷酮 ( p u l e g o n e ) 、桉树脑( c i n o l e ) 、香茅醇( c i t r o e l l 0 1 ) 等，它们不仅保护植物自 身不受侵害外，还对其他植物生长产生抑制作用( 谷文祥等，1 9 9 8 ) 。这也使菊 科植物具有极强的生命力，作为外来种( e x o t i cs p e c i e s ) 往往能在新的环境中迅 速生长蔓延，占据优势并取代本地种，从而对当地的自然植被和农业生产造成影 响( 彭少麟和邵华，2 0 0 1 ) 。目前在我国东北地区广泛蔓延的豚草( 爿州b b r o s i a a r t e m i s i i f o l i a ) ( 王大力和祝心如，1 9 9 6 ) 、长江流域的加拿大一枝黄花 ( s o l i d a g oc a n a d e n s 括) 、广东珠江三角洲的薇甘菊( m i k a n i am i c r a n t h a ) 等都已 产生了巨大危害。外来种对种群和生态系统的危害已经引起国内外研究人员的高 度重视( 彭少麟和向言词，19 9 9 ：c a l l a w a ya n da s c h e h o u g ，2 0 0 0 ；r o s e n z w e i g 2 0 0 1 ) 。 化感物质不仅只对其他植物的生长有影响，有时还抑制自身幼苗的生长发 育，也称自毒作用( a u t o t o x i c i t y ) 。例如，湿地植物灯心草( j u n c u se f f u s u s ) 分泌 的一种倍半萜内酯能明显抑制自身种子萌发和幼苗的生长发育，而促使植物匍匐 茎向外延伸，但对群落中钝叶蓠( h e l e o c h a r i so b t u s a ) 和蒯草( s c i r p “5 c y p e r i n u s ) 的生长基本上没有影响( e r v i na n dw e t z e l ，2 0 0 0 ) 。这种自毒作用维持 了种群的适当密度，促进了种群向外扩展，占据更多的生存空间，增强竞争能 力。 f i s c h e r ( 1 9 9 4 ) 等则认为化感物质在植物群落中的主要作用表现为： ( 1 ) 化感作用具有选择性；( 2 ) 化感作用对植物发芽和生长的抑制作用，呈季节性 变化，一般在夏季较强；( 3 ) 在低浓度时具有促进植物生长的作用，高浓度时 又往往表现为抑制作用。这充分显示植物群落具有极强的自我调节功能。当某种 植物较少时，其刺激性物质能加速植物的繁殖和蔓延，但发展到一定程度后，随 着化感物质浓度的增加，抑制作用加强，将种群数目限制在环境所能承受的水平 上，从而达到生态系统的相对稳定。 植物在防御其天敌如昆虫、植食动物及病原菌的侵蚀过程中，植物的次生代 谢物资发挥着重要的作用。植物对真菌的抗性，被称之为植保素。植保素是在植 物受到感染后被诱发产生的，它对病原真菌具有高度毒性，一般在健康的植物中 不存在，只有当植物细胞真正受到损伤后才开始进行生物合成。植保素中最简单 的是苯甲酸，其它的还有异黄酮，萜类化合物等。如：从辐射松( p i n u s r a d i a t a ) 中分离的二萜化合物对松树病原菌( d o t h i s t r o m a p i n i ) 有很高的抗菌活 4 性，这些萜类化合物还能抑制孢子的萌发和菌丝体的生长( f r a n i c h ，1 9 8 2 ) 。日 本花柏( c h a m a e c y p a r i s p i s i f e r a ) 的叶子和枝条中含有的二萜化合物对水稻病原 菌( p y “c u l a r i a o r y z a e ) 也呈现出抗菌活性( k o h a y a s h i ，耵a ，1 9 8 7 ) 。c o l e ( 1 9 9 1 ) 等发现唇形科黄芩属( s c u t e l l a r i a ) 中的二萜化合物不仅对f u s a r i u m o x y s p o r u m 等病原菌具有抗菌和抑制孢子萌发的生物活性，并且显示出对昆虫的 拒食活性。 单宁是木本植物中产量较高的一种次生物质，它不但具有涩味而且不易被消 化酶分解，因此成为这些植物对抗动物侵蚀的最为重要的生化屏障。事实上，植 物中含有的涩、苦、酸等物质都能大大降低其适口性而成为很好的防御天敌侵蚀 的化学武器。 植物次生代谢物质除具有自身防御的功能外，还有一个重要的作用就是繁 衍后代( d o b s o n ，i 9 9 3 ) 。裸子植物是单性花，没有花瓣，靠风传播授粉，丽大 多数被子植物则是依赖于昆虫为其授粉。由于授粉者对花的访问，使植物获得 比风媒更佳的异花授粉的方式，从而促进植物能更快地适应和繁殖。在经历长 期的进化演替过程之后，许多被子植物产生出鲜艳的花色，同时在开花期内常 常释放出某种特殊的气味以加强对授粉者的吸引，而花香味对授粉者的吸引比花 色更为重要，因为植物释放出的挥发性成分通过对流层向外扩散，可以吸引数 公里以外的授粉者( d o b s o n ，e t 口 ，1 9 6 9 ；1 9 9 0 ；b e r g s t r 6 m ，1 9 9 1 ；e r v i na n dw e t z e l ， 2 0 0 0 ) 。构成花香的化学成分十分复杂，主要为萜类、酚类以及少量的内酯和 含硫化台物等，这些物质能刺激、诱导昆虫取食或昆虫性信息素的产生，从而 实现了对植物的授粉。虫媒花植物与为之授粉的昆虫之间形成的彼此互利的关 系也促进了它们之间的协同进化。早在六十年代末期，d o b s o n ( 1 9 9 0 ) 等就指 出兰花和长舌花蜂之间的专一性。在热带低海拔森林里，每种兰花都含有特定 的挥发性成分，释放出的气味不同，能吸引其专一的雄性长舌花蜂前柬采集香 味物质，而这些香味物质正是雄峰用柬合成其性信息素的前体。不同种的兰花 大小不同、释放的气味不同、不同种的雄蜂选择不同的兰花，当雄峰进入兰花 的同时也完成了对兰花的授粉工作。 1 2 植物次生代谢产物的生物合成途径 次生代谓十是初生代谢的继续，二者又是互相联系的。仞生代谢生成的乙酸、 甲瓦龙酸和莽草酸是次生代谢的原料，成为次生代谢产物的f j 体。这些化合物又 常常是某些次生代谢的前体，如芳香氨基酸是多肽、蛋白质和生物碱的前体，多 酮则是脂肪酸和黄酮的前体。 同位素示踪实验证明，天然化合物的主要生物合成途径有四种。 1 2 1 乙酰辅酶a 途径 这一过程的生物合成基源( 起始物) 是乙酰辅酶a 。由此基源出发，又形成 两条途径，即乙酰一丙二酸( a c e t h y lm a l o n a t ep a t h w a y ，a a - - m a ) 途径和乙酰 一甲戊二羟酸( m o v a l o n i ca c i dp a t h w a y ，m v a ) 途径。 1 2 1 1 乙酰一丙二酸途径 植物次生代谢产物中脂肪酸类、酚类、葸醌类等化合物均由这一代谢途径生 成。 脂肪酸类：饱和脂肪酸类均由a a m a 途径生成，这一过程的起始物是 乙酰辅酶a ，但起延伸碳链作用的是丙二酸单酰辅酶a 。碳链的延伸由缩合及还 原两个步骤交叉而成，得到的饱和脂肪酸均为偶数。但应该注意，奇数碳的脂肪 酸起始物不是乙酰辅酶a ，而是丙酰辅酶a ( p r o p y o n y lc o a ) ，支链脂肪酸的前 体则为异丁基辅酶a ( i s o b u t y r y lc o a ) ，a 一甲基丁酰辅酶a ( a - - m e n t h y l b u t y r y l c o a ) 及甲基丙二酸单酰辅酶a ( m e t h y lm a l o n y lc o a ) 等，但缩合及还原过程均 与上类似。 自然界广泛分布的不饱和脂肪酸类，其生物合成可能有好几条途径，主要工程 为先生成氧化物为羟基衍生物，再经脱水后生成为不饱和脂肪酸类化合物。 酚类：酚类化合物的生物合成与脂肪酸有所不同，它们由乙酰辅酶a 出发 延伸碳链过程只有缩合过程，生成的聚酮类中间体经不同的途径环合而成，其特 点是芳香环上的- - o h 、- - o c h 3 含氧取代基多为间位。 蒽醌及萘类：蒽醌及萘类化合物是由a a - - m a 途径生成，属于多酮类 ( p o l y k e t i d e s ) 化合物。此类化合物可以根据分子结构中乙酸单位的数。目，分别 命名为聚已酮类( h e x a k e t i d e ) 、聚庚酮类( h e p t a k e t i d e ) 、聚辛酮类 6 ( o e t a k e t i d e ) 等，如中药大黄中所含大黄素甲醚( p h y s c i o n ) 和大黄素 ( e m o d i n ) 的生物合成就经历了a a - - m a 途径( 图1 1 ) 0 人 臻且1 村 琵早嗣 x 黄季 r 。： 天黉j 叶| 鳍r ! = c 1 1 图1 1 多酮类生物合成途径 1 2 1 2 乙酰一甲戊二羟基酸途径 萜类及甾体类化合物的生物合成为乙酰一甲戊二羟基酸途径，在生物体内真正 的异戊基单位为焦磷酸3 , 3 一二甲烯丙酯( d i m e t h y l a l l y lp y r o p h o s p h a t e ，d m a p p ) 及其异构体焦磷酸异戊烯基( i s o p e n t e n y lp y r o p h o s p h a t e ，i p p ) ，它们均由m v a 变化丽来，在相互衔接时般为头尾相接。但从三萜起，则呈尾一尾相接方式： 各种萜类分别由对应的焦磷酸酯得来，三萜及甾体类化合物则出反式角鲨烯 ( t r a n s - - s q u a l e n e ) 转变而成。它们再经氧化、还原、脱酸、环合或重排，即生 成种类繁多得萜类及甾体类化合物。萜类化合物中与异戊烯法则不相符得化合物 在环化过程中发生了重排所引起得。由于m v a 也是由乙酰辅酶a 出发生成，故 其生物合成基源也是乙酰辅酶a 。 1 2 2 桂皮酸( c i n n a m i ea c i dp a t h w a y ) 途径及莽草酸( s h i k i m i ea c i d p a t h w a y ) 途径 天然化合物中具有c 6 一c 3 骨架得苯丙素类、木酯素类以及具有c 6 一c 3 一c 6 骨 架得黄酮类化合物极为常见。其中的c 6 - - c 3 骨架均为苯丙氨酸( p h e n y l a i a n i n e ) 经苯丙氨酸脱氨酶( p a l ) 脱去氨基后生成的桂皮酸得来的。苯丙素类经环化、 氧化及还原等反应，还可以生成c 6 一c 2 、c 6 一c l 及c 6 等化合物。此外，与丙二 酸单酰辅酶a 结合，可生成二氢黄酮类化合物( c 6 一c 3 一c 6 ) 。两分子的苯丙素 类则通过口一位聚合，并可得到木酯素类化合物。 桂皮酸的前体是莽草酸，但莽草酸也是珞氨酸、色氨酸等其他芳香酸类的前 体，而后两者又与生物碱的生物合成密切相关，所以莽草酸途径将无法限定位仅 由桂皮酸而来的苯丙素类化合物，因而将这一支代谢途径称之为桂皮酸途径( 见 图1 2 ) 。 1 , 2 3 氨基酸途径( a m i n oa c i dp a t h w a y ) 生物碱一般来源异前体氨基酸、甲戊二羟基酸和醋酸酯等。与生物碱生物合成 有关的氨基酸主要有乌氨酸、脯氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、邻氨基苯甲 酸以及组氨酸等。生物碱的生物合成是在生物体内的一系列酶的调节、控制作用 下，经环合、偶合、裂解、甲基化、氧化、还原和消除等化学反应以及所伴随的 某些重排、降解等过程来完成的。其基本的关键反应主要为曼尼奇( m a t m i c h ) 反应、希夫( s c h i f f ) 碱反应及酚的氧化偶联反应等。例如，在苯丙氨酸的胳氨 酸途径( 图1 3 ) 中，全去甲劳丹碱( n o r l a n d a n o s l i n e ) 、网状番茄枝碱 ( r e t i c u i n e ) 等为芳基异喹啉型、原小檗碱型、啊朴啡型和吗啡型等许多重要生 物碱的中间体。 1 2 4 复合途径 由复合途径产生的化合物均经历了两种以上不同的生物合成途径。例如，查耳 酮( c h a l c o n e s ) 、二氢黄酮( d i h y d r o f l a v o n e s ) 等类化合物的生物合成( 图 1 4 ) 。常见的复合途径有：乙酰一丙二酸一莽草酸途径；乙酰一丙二酸一甲戊二 羟酸途径；氨基酸一乙酰一甲戊二羟酸途径；氨基酸一乙酰一丙二酸途径；氨基 酸一莽草酸途径。 ，j f 。= 。，。 。 ， j 。 h u 9 v 1 州9 州 。ih 面 h 龟叫厂擘! r j l i 囟+ g rr s rr t “t 。州 _ r 一、n l t t 】 扩姆 ， r v 盯 a v c r f ! ! 。h | 0 ，止 o m e 双 图1 2 桂皮酸的生物合成途径 9 r 刍 r 毁 k 夕 r 1 0坠 哥巴出 可倚冈 图1 ，3 芳香氨基酸途径 图1 4 氨基酸一乙酰一丙二酸途径 1 3 植物精油的研究与利用 植物精油( e s s e m i a lo i l ) ，又称挥发油( v o l a t i l eo i l ) ，商业上称芳香油( a r o m a t i c o i l ) ，是一类植物源次生代谢物质，具有芳香气味、分子量较小，可随水蒸汽蒸 出，有一定挥发性的油状液体物质。 自然界中富含精油的植物种类很多，迄今为止已发现3 0 0 0 余种，属于6 0 多 个科，如姜科、龙脑香科、瑞香科、杜鹃科、毛茛科、豆科、百合科、锦葵科、 夹竹桃科、马鞭草科、石蒜科、石竹科、兰科、天南星科、松柏科、木兰科、樟 科、芸香科、伞形科、唇形科、菊科等几十个科的植物中均富含有精油成分。精 油