天然胡萝卜素开发利用状况和设想
广西植物Guihaia26(3):334—3372006年5月
天然胡萝卜素开发利用状况和设想
王新超,杨亚军,陈亮,姚明哲,赵丽萍
(中国农业科学院茶叶研究所农业部茶叶化学工程重点实验室,浙江杭州310008)
摘要;近年来,胡萝卜索的药理作用研究日益深入,大量研究表明胡萝卜索是维生
素A的重要来源,具有抗
氧化,抗癌,抗辐射,增强免疫力等生理和药用价值.不同植物种类之间和品种之间
存在显着差异,通过育种
途径来提高植物中胡萝卜索的含量是可行的.提出了开发利用高胡萝卜紊含量植
物一茶树的设想.
关键词:胡萝卜索i药理;育种;茶树;开发利用
中图分类号:Q945.49文献标识码:A文章编号:i000—3142(2006)03~0334-04
Theexploitationandutilization0f
naturalcarotenesinplants
WANGXin—chao,YANGYajun,CHENLiang,
YAOMing-,zhe,ZHAOLi—ping
(KeyLabofTeaChemicalEngineering,MinistryofAgriculture.TeaResearchInstitute, ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Hangzhou310008.China) Abstract:Inrecentyears,studiesonpharmac0l0gicalfunctionsofcarotenesdeepenincreasin
gly.Agreatnum—
berofresearchresultsindicatedthatcaroteneshadsomephysiologicalandpharmac0l0gicalfunctions,suchas
anti—oxidation,anti—cancer,anti—
radiation,enhancedimmunityetc.Andcarotenes,especiallybeta-carotene. weretheimportantresourceofvitaminA.Thecarotenesfromdifferentplantspeciesanddifferentvarieties
weresignificantlydifferent,anditwasfeasibletoincreaseplantcarotenescontentthroughbre
eding.Atenta—
tireplantoutilizecarotene-richedplant—teaplantwasputforward. Keywords:carotenelpharmaco】0gicalfunctionibreeding;teaplantlexploitationandutilization
植物胡萝卜索是镶嵌于叶绿体和有色体膜中的
脂溶性色素,具有共轭复烯烃类结构,依结构可以分
为口一,p一,7一胡萝卜素等160多种.它们是许多花,
果实及胡萝卜根呈现黄色,橙红色至红色的原因.
不少胡萝卜素具有V原和抗癌活性,因而是人和
动物食物中不可缺少的成分.胡萝卜素也是植物生
存所必不可少的.所有植物均能合成胡萝卜素.对
其生物合成途径的研究近年来取得巨大进展,关键
基因先后得到克隆,并已初步实现通过基因工程调
控类胡萝卜素合成.有关胡萝卜素的生物合成及其
调控徐昌杰等(2000)已有专文综述,本文侧重介绍
植物胡萝卜素特别是p一胡萝卜素的生理和营养价值
以及开发利用高胡萝卜素资源——茶树的设想.
I胡萝卜素的生理功能与药用价值
1.1维生素A的重要来源
V是动物体必需的维生素,缺乏v^会影响到
上皮细胞,眼,呼吸道,消化道,泌尿系统及生殖器官
的正常功能.动物体内无法合成v^,必须通过饮食
收稿日期;2005-02?25修回日期:200508—15
基金项目:浙江省分析测试基金项目资助
(04027)[AnalyzingandMeasuringFoundationofZhejiangProvince(o4o27)]
作者简介:王新超(1975一),男,安徽霍邱人,助理研究员,硕士,主要从事茶树资源育种与分子生物学研究
通讯作者(Authorforcorresp0ndence,E-mail:Liangehen@mail.tricaas.corn)
3期王新超等:天然胡萝卜素开发利用状况和设想335 来补充.其中除直接获得V外,将摄人体内的胡萝 卜素通过一定的途径转化为V是一条非常重要的 途径,特别是p_胡萝卜素,一分子可以转化为两分子 vA.据报道,全世界特别是发展中国家人体所需VA 的60,70来源于食物中的胡萝卜素(李全顺, 2002).
1.2抗氧化作用
在人体正常的新陈代谢过程中或受到强烈的紫 外线照射后,会产生大量的自由基,对核酸,蛋白质, 细胞膜,细胞等产生损伤,导致细胞突变或死亡.胡 萝卜素的抗氧化活性可以清除自由基,减轻自由基对 细胞造成的损害.如Keaney等(1993)发现,摄人 胡萝卜素可以增加血管组织中的抗氧化能力,维护血 管的扩张功能,缓解动脉粥样硬化症状.马爱国等 (1999)的结果认为胡萝卜素可以有效降低H(]2 所致的DNA损伤.叶琳等(2003)发现胡萝卜素可 以降低烹调油烟所导致的肺脂质过氧化,保护肺泡巨 噬细胞膜免受损伤.
1.3抗癌作用
胡萝卜素能够抑制癌细胞增殖,损伤癌细胞 DNA,调控癌细胞基因的表达,达到防癌抗癌的目的. 如Prakash等(2002)通过培养肺癌细胞株NCI_l_I69 发现,添加20gmol/Lp_胡萝卜素的处理可以比对照 显着降低NCI-H69增殖率.许彦枝等(2001)发现胡 萝卜素能够逆转由DMBA(二甲基苯并蒽)诱发的动 物口腔癌前病变.李忠等(2003)利用基因芯片技术, 比较了胡萝卜素处理前后乳腺癌细胞基因表达的 差异,筛选出21个差异表达基因,涉及细胞凋亡,细
胞信号转导,蛋白翻译合成,免疫等.说明胡萝卜 素可能通过诱导细胞凋亡,阻断细胞信号转导,蛋白 翻译合成等途径抑制癌细胞的增殖.,
1.4增强免疫力
胡萝卜素具有提高免疫力的功效.Michal等 (1994)认为,p一胡萝卜素可通过增效机体内淋巴细 胞和巨噬细胞的功能来提高免疫力,降低病变发生 的几率.Dayid(1995)发现,每天口服p一胡萝卜素 180mg的HIV感染病人的白细胞总数和T辅助细 胞数明显上升,灌胃天然p一胡萝卜素丸的小白鼠,其 免疫器官胸腺脾的重量增加,单核巨噬细胞的吞噬 指数提高,使血浆溶血素抗体升高.Chew等 (2000)比较了饲喂与不饲喂p一胡萝卜素的两组狗血 浆中的成分,发现p一胡萝卜素可提高血浆中IgG的 含量,增强免疫力.
1.5抗辐射作用
胡萝卜素的抗辐射作用机制主要表现在能够淬 灭由射线诱发产生的自由基,修复射线对细胞的损 伤.Umegaki等(1997)研究表明,饲喂胡萝卜素可 以通过它的抗氧化活性和/或V活性来阻止X一射 线引起的损伤.张世平等(2000)认为,p一胡萝卜素 能直接抑制和淬灭由射线所引起的活性单线态氧, 阻断过氧化应激状态,促进SOD,H:O:酶的释放, 减轻辐射所引起的不适.
2通过育种途径提高植物体胡萝
卜素含量的可能性
2.1不同植物胡萝卜素的含量差异
胡萝卜素广泛分布于各种植物中,但不同品种 植物的含量存在显着差异.在深色泽植物中含量较
多,而在粮食作物中含量较少.表1列出几种常见 植物胡萝卜素的含量.由表1看出,大部分植物的 胡萝卜素含量都较低,即使胡萝卜也不例外,作为人 类日常食用的粮食作物含量更低.据统计,在亚洲, 非洲,拉丁美洲等发展中国家以水稻,小麦和玉米为 主食的国家,每年有几百万人患有维生素A缺乏 症,导致失明,免疫力下降和早衰(WHO,1996). 正因为胡萝卜素有上述的功能,为了补充胡萝卜素 摄人量不足,开发胡萝卜素类的保健品和药品成为 一
个热点.胡萝卜素的获得有3个渠道,一是化学 合成,二是生物合成,三是从植物中提取.有研究指 出,化学合成的胡萝卜素摄人量大时,会产生较大的 毒副作用,而天然胡萝卜素则不会或毒性较小.所 以从开发药品和保健品的角度出发,获得天然胡萝 卜素是理想途径(苏毅等,2OO1).生物合成法是通 过微生物的培养,利用微生物在其体内合成胡萝卜 素,然后从微生物体内分离得到胡萝卜素的方法. 目前主要是利用杜氏盐藻富集胡萝卜素的特性来生 物合成提取胡萝卜素.但杜氏盐藻对生活环境条件 的要求较高,只能局限在特定地区.螺旋藻中胡萝 卜素含量虽然较高(6.75mg/g),但其培养成本也 较高,全世界总产量4000t左右,所以限制了这一 方法的推广利用,其他微生物发酵技术尚处于探索 阶段(施跃峰,2000;杨雪莲等,2004).通过从高等 植物中提取天然胡萝卜索正成为规模化生产胡萝卜 素的一种最佳选择.利用植物资源提取天然胡萝卜 素的研究尚处于起步阶段,又因高含量的资源较稀
336广西植物26卷
少,所以目前还没有大规模应用.但这是一个重要 的发展方向(马文平等,2002).
表1几种植物的胡萝卜素含量比较(单位:mg/kg干重) Table1Beta—carotenecontentinsomeplantspecies
植物种类胡萝素含量
Plantspecies口_carotenecontent 枸杞Medlar(李忠等,1999)
苜蓿Clover(丁毅等,2001)
茶叶Tea(陈宗懋,2000)
番茄Tomato(王强等,1997)
辣椒Hotpepper(吴明光等,1993) 山药Yam(张兵等,1996)
胡萝卜Carrot(耿三省等,1996)
甘薯Sweetpotato(张立明等,2003) 南瓜Squash(吴增茹等,1998)
玉米Maize(吉宏武等,1998)
小麦Wheat(Graham等,2000)
水稻Rice(Graham等,2000)
2.2提高植物胡萝卜素含量的途径
从表1看到,各种植物的胡萝卜素的含量比较 低.如何提高植物的胡萝卜素含量?通常有两种方 法:
2.2.1转基因技术将控制胡萝卜素合成的基因转 入植物体内,培育转基因植物.通过农杆菌介导法 将控制胡萝卜素合成途径的基因转入水稻,已培育 出富含胡萝卜素的转基因水稻(gold—rice),其胡萝 卜素含量是普通稻米的3,4倍(Ye等,2000;Hoa 等,2003).Romer等(2000)对转基因番茄的研究
发现,虽然类胡萝卜素总量没有变化,但p一胡萝卜素 含量提高了3倍.D'Ambrosio等(2004)研究表 明,转基因番茄到第三代后,其类胡萝卜素总量和p一 胡萝卜素含量都大幅度提高,特别是p一胡萝卜素的 含量提高显着,比对照提高24,47倍以上,且这一 性状可稳定遗传.虽然转基因技术为提高胡萝卜素 含量打开了一扇方便之门,但还处于探索阶段,离实 用还有一段距离.
2.2.2常规育种技术已有的研究认为,胡萝卜素 的含量是可遗传的数量性状.如对胡萝卜的研究认 为其胡萝卜素含量性状由3个主基因和许多微效基 因控制,番茄的胡萝卜素含量由超过2O个的基因控 制,而玉米上发现一个与胡萝卜素含量有关的主效 基因为不完全显性,控制黄色位点(Graham等, 2000).汪炳良等(I993)对番茄果实的胡萝卜素含 量进行的配合力分析表明,各基因型间胡萝b素含 量存在明显差异,双亲的一般配合力效应值和组合 的特殊配合力效应值与杂交后代的表现型密切相 关.Iglesias等(1997)对632份木薯种质的胡萝卜 素含量进行测定的结果发现,不同类型种质问差别 显着.对胡萝卜索含量的遗传学研究表明,木薯中 的两个基因对其胡萝卜素含量的作用很大,y完全 显性,控制着胡萝卜素向根部的运输,y2为部分显 性,控制根部胡萝卜素的积累,且y对y具有上 位性,还有其它的一些微效基因参与调控.谢一芝 等(1998)认为,甘薯基因型间的胡萝卜素含量差异 可达0,25mg/lOOg鲜薯,且该性状遗传力高,后 代有超亲现象,使高胡萝卜素含量品种选育成为可 能.Wong等(2004)在玉米上发现与控制玉米子粒
类胡萝卜素积累的2个候选基因yellow1和vivip— arous9紧密连锁的QTL标记,可以为玉米类胡萝 卜素含量的遗传改良提供有效的分子辅助选择手 段.以上研究表明,利用育种方法是可以提高植物 胡萝』,索含量的.目前,由国际热带农业研究中心 (CIAT)与国际食物政策研究所(IFPRI)组织的 HarvestPlusProgram正在发展中国家开展提高粮 食作物微量营养元素含量的研究计划,其中一个重 要的内容就是通过育种等手段提高粮食作物的p一胡 萝卜素含量,以补充人们V摄人量的不足. 3开发利用高胡萝卜素茶树资源
的设想
茶树上的胡萝卜素主要分布于叶片中,主要包 括一,p一,7-胡萝卜素,p一玉米胡萝卜素及它们的氧化 物.1965年首次从茶树新梢中分离鉴定出胡萝卜 素各种组分,在茶叶中一般含量为0.069,6,成熟叶 比嫩叶含量多,其中,主要组分p一胡萝卜素约占总量 的8O.茶变种(Camelliasinensisvar.sinensis)胡 萝卜索含量为阿萨姆变种(C.sinensisvar.assami— ca)的2,3倍,但阿萨姆变种具有较高的p一玉米胡 萝卜素.胡萝卜素类作为茶叶脂溶性色素的主要组 成成分,在茶叶叶底色泽和外形色泽中起重要作用. 在茶nfN造过程中,尤其是红茶制造中,胡萝卜素类 色素大量氧化降解形成紫罗酮系列化合物,如一,p_ 紫罗酮等.对红茶香气的形成起重要作用(陈宗懋, 2000).
与其他植物相比较而言,茶叶(特别是绿茶)中 的胡萝b素含量很高,特别是高生物活性的p一胡萝 b素含量很高,是一种有极大开发利用价值的胡萝
卜素提取资源(表1).遗憾的是,有关茶叶生物活 .OO5O2OOO瑚鲫?加0铭??"Un钆L
3期王新超等:天然胡萝卜素开发利用状况和设想337 性物质的研究利用多集中于茶多酚类物质,而忽略 了胡萝卜素类物质的研究和开发利用.但就上面所 提及的研究看,开发茶叶的胡萝卜素大有可为:一是 我国的茶园面积大(世界第一),绿茶产量高,大宗茶 总量比重大,价格便宜,原料成本低;二是可以利用 夏秋季的粗老叶和修剪叶为原料,因为老叶中的胡 萝卜素含量比嫩叶中的高我国作为茶树的原产 地,拥有世界上最丰富的种质资源.对这些资源进 行深入研究,必定能发掘出高胡萝卜素含量的资源, 供工业化提取胡萝卜素利用.当前,主要工作目标 一
是从现有资源中筛选高胡萝卜素种质,二是将选 育高胡萝卜素品种和选育高茶多酚,高咖啡碱,高茶 氨酸新品种结合起来.因为这些功能性成分已实现 了工业化的提取生产,可以综合利用.目前,我们实 验室正在进行第一个方面的研究工作.
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3期唐凤鸾等:红根草的组织培养与快速繁殖研究285
在对红根草继代培养过程中我们发现,继代培
养与初代培养所需的BA浓度大不相同,初代为
0.8,1.6mg/L,继代培养仅需0.2mg/L,若再升
高则易出现玻璃化.此结果与黄炼栋等(1998)的研 究结果有较大差异.在我们的实验中,玻璃化程度 随BA浓度变化的现象与有关玻璃苗问题的研究结 论相符合,即细胞激动素的过剩是玻璃苗发生的最 初胁迫因子,及培养基中BA浓度与玻璃化成正相 关(曹孜义等,2002).因此红根草继代培养的BA 浓度不能过高,以0.2mg/L为佳,为了保证培养材 料的质量,在继代培养中可以MS和MS十BA0.2 mg/L十NAA0.02mg/L两种培养基交替使用. 本试验通过系统研究已建立起了一套完整的红 根草组培快繁技术,这对今后的工厂化育苗及对有 效成分的提取和利用有重要意义.
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