共生培养法促进石杉碱甲增量富集的研究.pdf
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1、天然产物研究与开发NatProdResDev2023,35:1956-1963共生培养法促进石杉碱甲增量富集的研究李靖,李姝漪,付俊璇3,张起辉33重庆兴泰濠制药有限公司,重庆40 0 0 0 0;中南大学材料科学与工程学院,长沙410 0 8 3;3重庆大学化学化工学院,重庆40 0 0 0 0摘要:为了促进蛇足石杉中石杉碱甲增量富集,本文利用内生真菌与蛇足石杉的共生进化关系,以共培养体系(co-culture system,CCS)为基础,提出了增加石杉碱甲产率的新方法。以蛇足石杉植株存活率为指标,确定共培养体系最佳培养条件;以细胞存活率、愈伤组织诱导率和增殖率为指标,确定最佳培养基条件;
2、以石杉碱甲和麦角留醇为指标性成分,控制植物细胞和内生真菌比例关系,维持培养体系内植物细胞和内生真菌之间的生长平衡,获得最佳的继代时间。结果表明:CCS的最佳培养条件为光照强度10 0 Lux,湿度9 5%,MS液体培养基,蔗糖2 0.0 g/L,2,4-二氯苯氧基乙酸5.0 mg/L和激动素1.0 mg/L;4d为最佳继代时间,其石杉碱甲的浓度最高,与1d时相比增加了49.34%,并且石杉碱甲与麦角留醇的浓度比值控制在1.5 2.2 之间时,内生真菌生长对石杉碱甲的富集有良性促进作用。该研究为高效、低成本增加石杉碱甲产量提供新的探索路径,亦可以有效解决药源不足问题,具有很好的应用前景。关键词:
3、蛇足石杉;石杉碱甲;植物细胞;共培养体系;内生真菌中图分类号:R284D0I:10.16333/j.1001-6880.2023.11.014文献标识码:AStudy on promoting effect of co-culture system onthe increment and enrichment of huperzine ALI Jing,LI Shu-yi?,FU Jun-xuan,ZHANG Qi-hui?3*文章编号:10 0 1-6 8 8 0(2 0 2 3)11-19 56-0 8 Chongqing Sintaho Pharmaceutical Co.,Ltd.,C
4、hongqing 40000,China;2 School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;3 School of Chemistry and Chemical Engineering,Chongqing University,Chongqing 40000,ChinaAbstract:In order to promote the efficient enrichment of huperzine A,a new co-culture system(CCS)
5、,utilizing the symbioticrelationship between Huperzia serrata and endophytic fungi,was proposed.The optimal culture conditions of the CCS were ob-tained based on the cell survival rate,callus induction rate and multiplication rate.Huperzine A and ergosterol were applied asindicators to control the p
6、roportion of botanical cells and endophytic fungi.The growth balance between botanical cells and en-dophytic fungi was maintained for the optimal time of subculturing.The results showed that the best culture conditions for CCSwas:100 Lux Luminous level,95%humidity,MS liquid medium,20.0 g/L sucrose,5
7、.0 mg/L 2,4-dichlorophenoxyaceticacid and 1.O mg/L kinetin.The 4th day was the optimal subculturing time with the highest concentration of huperzine A,which increased by 49.34%compared with the huperzine A level on the 1sday.The growth of endophytic fungal had a posi-tive effect on the enrichment of
8、 huperzine A when the concentration ratio of huperzine A to ergosterol was kept between 1.5and 2.2.This study provides a new proposal to increase the production of huperzine A with high efficiency and low cost,whichcan effectively solve the problem of insufficient drug source and has a good applicat
9、ion prospect.Key words:Huperzia serrata;huperzine A;botanical cells;co-culture system;endophytic fungi蛇足石杉(Huperzia serrata(T h u n b.e x M u r r a y)Trev)为石杉科石杉属蕨类植物,是一种治疗跌打损收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 3基金项目:国家自然科学基金(8 19 7 3451);重庆市技术预见与制度创新项目(cstc2019jsyj-yzysbAX0020)*通信作者Tel:86-23-65102531;E-mail:qhzhang
10、 伤、解毒、止痛以及治疗精神分裂症的珍稀中草药 1。蛇足石杉也是目前研究较好的用于治疗阿尔茨海默病的药物,其有效成分石杉碱甲是一种治接受日期:2 0 2 3-0 7-2 4疗重症肌无力和阿尔茨海默病的高效、低毒性、可逆和高选择性的乙酰胆碱酯酶(AChE)抑制剂,它可Vol.35以增强乙酰胆碱的作用,而乙酰胆碱是一种与注意力、警惕性、专注力和记忆力有关的中枢神经递质 2.3。在19 8 2 年,石杉碱甲成功从蛇足石杉中分离出来,被当做“希望之星”。据调查,到2 0 2 5年,发达国家6 5岁以上的阿尔茨海默病患者将达到710万人,比2 0 18 年的550 万患者增加近2 9%,除非有医学上的突
11、破,否则到2 0 50 年,该病患者数量可能从550 万增加到138 0 万 4,而仅在美国,大约每10 万人中就有14 2 0 人患有重症肌无力,患者总人数约为36 0 0 0 6 0 0 0 0 人,这也是一个十分惊人的数字 5。对于阿尔茨海默病和重症肌无力,目前市面上药物的最大问题是药物毒性以及耐药性。与目前的药物相比,石杉碱甲是天然植物提取物,安全性好、不良反应少、可被人体快速吸收,并且抑制方式为竞争性和非竞争性的混合型抑制,治疗效果显著,有效时间长 6 蛇足石杉在世界各地均有分布,但其资源十分有限,其中一个限制因素是蛇足石杉生长缓慢,从孢子到成熟至少需要15年时间。且在成熟阶段蛇足石
12、杉的高度也仅有10 30 cm。同时,其生长环境难以复刻 7 ,在实际栽培过程中难以推广。因此,在不久的将来,蛇足石杉将面临灭绝的威胁。近年来,对这种珍稀植物开展了多项研究,例如对外植体和愈伤组织的体外培养。Kanichiro Ishiuchi 的团队先后从H.pinifolia的茎尖中获得外植体,并在灭菌培养基中培养2 个周期(每个周期为7 d),最后成功地将外植体转入愈伤组织生长培养基中 8 ,此外,研究人员对蛇足石杉培养方法进行了各种改进,例如培养基成分筛选以及茎尖培养技术的研究,但组培过程中外植体的消杀问题仍未得到有效的解决,限制了石杉碱甲的大规模化生产 9,10 。由于蛇足石杉的自然
13、资源匮乏以及以上所提及的原因,急需找到一种以较低成本就可提高石杉碱甲含量的新方法。内生真菌是一类生活在植物茎和叶组织内的真菌,已有研究发现,如果内生真菌与植株长时间共生进化,它们就可以通过基因重组获得宿主植物的某些基因,产生与宿主植物相同的次生代谢物 1-3。同时,内生真菌还可以产生激素促进寄主植物的生长发育。因此,在共培养体系中,内生真菌被认为是激发子 13,这意味着植物细胞可以在一定浓度范围内与内生真菌共培养,在共培养体系中内生真菌和李靖等:共生培养法促进石杉碱甲增量富集的研究1材料与方法1.1材料植株取自湖北省神农架多年生的野生蛇足石杉植株,经重庆大学药学院张传瑞研究员鉴定为石杉科石杉属
14、蕨类植物蛇足石杉(Huperzia serrata(T h u n b.e x M u r r a y)T r e v),样品(2 0 2 0 0 50 0 6)存于重庆大学植物园室外设施网室内;腐殖土取自重庆市四面山森林公园。1.2仪器与试剂Agilent1100高效液相色谱仪(Agilent有限公司);BDS200型倒置生物显微镜(重庆奥特光学仪器有限公司);RE-52型旋转蒸发器(上海雅荣生化仪器厂)。MS培养基(批号:2 0 2 0 0 40 6,纯度:BR,杭州百思生物技术有限公司);激动素(KT)(批号:I2020156,纯度9 9%,金坦生物技术分公司);2,4-二氯苯氧基乙酸(
15、2,4-D)(批号:118 46 7 32,纯度97%,金坦生物技术分公司);青霉素(批号:B184012,纯度9 8%,北京华迈科生物技术有限公司);链霉素(批号:B160603,纯度9 0%,北京华迈科生物技术有限公司);两性霉素B(批号:B200208,纯度9 0.0%,北京华迈科生物技术有限公司);特美汀(批号:B173024,纯度9 9%,北京华迈科生物技术有限公司);中性红(批号:2 0 2 0 0 12 3,规格:指示剂,天津博迪化工股份有限公司);石杉碱甲(批号:10 0 2 43-2 0 2 0 0 3,纯度9 8%,四川维克奇生物科技有限公司);麦角笛醇(批号:1118 4
16、5-2 0 2 0 0 4,纯度98%,四川维克奇生物科技有限公司);甲醇(批号:2 0 2 0 0 317 0 2,纯度:色谱纯,天津盾特特种化工有限公司);乙酸铵(批号:2 0 2 0 0 4132 3,纯度:色谱纯,成都科隆化工有限公司)。1.3实验方法1.3.1蛇足石杉的驯化为了获得蛇足石杉最佳培养条件,参考Huang等 15 对蛇足石杉适宜生长环境研究结果,对其驯化1957植物细胞相互影响,促进植物积累产物。麦角笛醇是真菌细胞膜的重要组成成分,属于真菌类的特征留醇,可作为衡量真菌生物量的代表性指标 14。本研究引人了一种新型的共培养体系(co-cul-ture system,CCS)
17、,以一种经济、便捷的方式提高蛇足石杉中石杉碱甲的含量,以改善蛇足石杉因为资源短缺而无法广泛应用的现状。1958条件进行考察。将野生蛇足石杉样本种植于重庆大学室外设施网室内,以蛇足石杉植株的存活率为指标,对驯化时腐殖土与河沙比例、空气湿度、光照强度进行单因素考察,每次试验供试植株为10 株,重天然产物研究与开发复3次。植株存活率计算方法为:植株存活率=植株存活数量/供试植株总数10 0%。蛇足石杉在设定的条件下开始发芽(见图1A),即蛇足石杉成功驯化。BVol.35图1萌发的蛇足石杉植株(A),植株表皮细胞(B)和海绵细胞(C)Fig.1 Germinate Huperzia serrata(A
18、),botanical epidermal cells(B)and spongy cells(C)1.3.2组织培养基的制备以真菌生长情况和叶肉细胞存活率为指标,对培养基制备过程中基础培养基种类(1/2 MS,MS 和B,)进行研究 16,17 ;以丛生芽萌发率和茎段数量为指标考察蔗糖浓度(1%、2%、3%、4%)【17 ;以愈伤后,用血细胞计计数染色活细胞在显微镜下,可以清晰地观察到悬浮液中的表皮细胞和海绵状细胞(见图1B、1C)。海绵状细胞中的石杉碱甲的浓度最高,其成像长约2 3 38 m,宽约 15 2 3 m 20 O组织诱导率和愈伤组织增殖率为指标考察最佳植物激素2,4-D浓度(0、
19、2、5、7 mg/L)18。控制培养基pH为5.8,采用青霉素(30.0 mg/L)、链霉素(50.0mg/L)、两性霉素B(0.5mg/L)、特美汀(5.0 mg/L)等抗生素控制培养基中其他微生物的无限增殖,通过分析未植入外植体的灭菌空白培养基的真菌生长情况判断培养基制备过程灭菌是否彻底。愈伤组织诱导率和增殖率的计算方式为:愈伤组织诱导率=诱导出愈伤组织的胚胎数/接种的胚胎数10 0%;愈伤组织增殖率=(收获的愈伤组织重量-接种的愈伤组织重量)/接种的愈伤组织重量10 0%。1.3.3外植体的体外杀菌和繁殖据报道,蛇足石杉叶片中石杉碱甲的产量最高,因此体外培养的靶细胞为叶肉细胞 16 。将
20、健康叶片用普通肥皂洗净,分别用7 0%酒精浸泡50 s,0.5mg/L孔雀石绿浸泡8 min,3%H,0,浸泡10 min,再用无菌水洗涤3次。将灭菌后的外植体在含有510 mL液体灭菌介质的研钵中机械粉碎。1 3min后,将叶肉细胞悬液转入容量瓶中稀释,然后转入培养基中,在室温(2 4),光照强度(10 0 Lux左右),湿度(9 5%)下培养 19 11.3.4单细胞计数每2 d测定一次叶肉细胞数。样品以4:1的比例悬浮于含0.0 4%中性红的沉积物中,孵育2 0 min1.3.5提取取5mL培养基悬液,通过3次冻融提取,2 次超声提取(单次40 min,每次间隔10 min)提取石杉碱甲
21、和麦角甾醇 2 1。将悬液减压蒸馏浓缩,提取液用甲醇溶解。将溶液转移到10 mL容量瓶中定容。在HPLC分析前溶液用0.2 2 m滤膜过滤。每天测定一次石杉碱甲和麦角醇的浓度和混合比例。1.3.6色谱条件采用高效液相色谱仪和紫外检测器对提取物进行色谱分析。色谱柱:Agilent TC-Ci8(150 m m 4.6mm,5 m),进样量10 L,流速1.0 mL/min,柱温25。石杉碱甲和麦角笛醇的检测波长分别为310nm和2 8 2 nm。流动相由水和甲醇(含0.0 0 8 mol/L乙酸铵)组成,比例为7 5:2 5 2 2,2 31.3.7方法验证以5 45 g/mL石杉碱甲和麦角笛醇
22、标准溶液绘制标准曲线。采用相关系数法(r)测定标准曲线的线性度。精密度试验:在相同条件下,将标准溶液(10g/mL)进样5次,测定方法精密度。重复性试验:样品在相同条件下操作5次,测试方法重复性。稳定性实验:样品分别于1、2、4、8、12 h测定,测试方法稳定性 2 4。以上三种试验结果均以峰面积的相Vol.35对标准偏差(RSD,%)表示。取已测定石杉碱甲和麦角笛醇含量的样品(1mL)加入石杉碱甲(0.5mL,10 g/mL)和麦角笛醇(1 mL,15 g/mL)在“1.3.6”的色谱条件下进行加标回收试验,重复5次,计算回收率,并根据回收率进行评价:回收率=(加标试样测定值-样品测定值)/
23、加标量10 0%。1.4楼数据处理方法用SPSS16.0软件进行统计分析,所有结果用平均值标准差(xs)表示,组间比较采用最小显著差异(least significant difference,LSD)法,P 0.05表示差异具有统计学意义。2结果与分析2.1马化条件考察为了研究共培养体系最佳培养条件,对蛇足石A100806020-02.2不同培养基条件研究由表1结果所示,空白对照组在相同培育条件下未见真菌污染物,表明培养基制备过程中灭菌彻底,只有使用MS培养基时,叶肉细胞存活率为12.5%,并且伴随着内生真菌的生长,说明基础培养基的种类对蛇足石杉内生真菌的生长和细胞培养体系有显著影响;改变培
24、养体系蔗糖浓度,丛生芽萌发率和茎段数量发生明显变化,在蔗糖浓度为李靖等:共生培养法促进石杉碱甲增量富集的研究*4:12:1腐殖土与河沙比例Theratioof humus soiltoriver sandC100806040200图2 马驯化条件对植株存活率的影响(xs,n=10)Fig.2 Effect of domestication conditions on plant survival rate(x s,n=10)注:*P0.05;*P0.01。mg/L)。1959杉驯化条件进行了单因素考察,并选取各因素考察试验中存活率较高的三组进行显著性差异分析。如图2 A所示,土壤由腐殖土和河沙
25、组成,在不同土壤配比下植株存活率存在显著差异,土壤配比为2:1时植株存活率最高,并且2:1与1:1之间的P值小于0.01,2:1与4:1之间的P值小于0.0 5,故选取2:1作为最佳土壤配比。在最佳光照强度研究中,不同光照强度下植物存活率存在着显著差异,见图2 B,100 Lux与30 0 Lux之间的P值小于0.0 1,10 0 Lux与8 0 Lux的P值小于0.0 5,最佳光照强度为10 0Lux。由图2 C 可知,空气湿度对植物存活率也存在着显著影响,9 5%与8 5%和9 5%与10 0%之间的P值均小于0.0 1,最佳空气湿度为9 5%。B100806040201:11:27585
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