光調控對藥用植物次生代謝成分合成的影響

張 偉，孟祥慶，蘇曉薈，汪晉伊，李麗華，賈 敏

（1.解放軍總醫院京南醫療區豐北橋門診部藥房, 北京100071；2.海軍軍醫大學藥學系中藥鑒定學教研室, 上海 200433；3.中國人民解放軍66481 部隊, 北京 100072）

藥用植物自古以來便是人們預防和治療疾病的主要武器，對人類健康的發展起著舉足輕重的作用。根據世界衛生組織(WHO)的數據，全球至少有25%的藥物直接或間接來源于藥用植物，中藥有95%以上來源于藥用植物，并且超過60%的抗癌藥物是直接或間接從藥用植物中發現的[1]，所以藥用植物是藥物的主要來源。次生代謝成分（secondary metabolites，SMs)是指不直接參與植物生長發育，但對植物的長期生存有著至關重要作用的小分子有機化合物[2]。根據其結構和生物合成途徑，植物SMs 主要分為多酚類、萜類和含氮有機物，這些化合物具有抗氧化、抗炎、清除自由基、抗菌和抗病毒等活性[3]。SMs 實際上是植物在長期進化中為對抗生物和非生物脅迫而促進環境適應的結果[4]。SMs 的合成和積累是非常復雜的，受多種因素的影響，包括內部發育遺傳回路（受調控的基因、酶）和外部環境因素（光、溫度、水、鹽度等）[5]。在這些因素中，光幾乎影響所有類型SMs 的積累（見圖1），光質、光強和光周期均影響藥用植物SMs 的含量[6]。藥用植物的SMs 是臨床療效的物質基礎，是評價藥材質量的重要指標。光如何影響SMs 生物合成對于提高藥用植物SMs 的產量和質量至關重要。本文就近年來國內外關于光對藥用植物SMs 的研究現狀進行綜述，以期為相關研究及藥用植物高產優質栽培提供指導。

圖1 光對藥用植物SMs 合成的影響

1 太陽光譜和光感受器

根據光的波長，太陽光譜可分為：紫外光（UV，100～400 nm，其中：A 波段，315～400 nm；B 波段，280～315 nm；C 波段，100～280 nm）、可見光或光合有效輻射（PAR；藍光：400～500 nm；綠光：500～600 nm；紅光：600～700 nm）和近紅外光（700～800 nm）[7]。光感受器是植物光感覺和光信號轉導不可或缺的部分，植物對光的反應能力是由能夠感知不同光照強度、光質、光照方向和光周期的光感受器所決定的[3]。目前在模式植物擬南芥中至少鑒定出了五類光感受器：①光敏色素（phyA-phyE），主要感知紅光和紅外光；②隱色素（CRY1/CRY2），主要感知藍光和紫外A 波段(UV-A)；③向光素（phots），主要感知藍光；④藍光受體ZTLs（zeitlupes），主要感知藍光和綠光(450～520 nm）；⑤紫外線感光器也稱UV 抗性位點8（UVR8），主要感知紫外B 波段（UV-B）[8]。光感受器通過調節特定基因的表達來刺激SMs 的生化途徑，SMs 的生物合成與光感受器吸收的波長密切相關。

2 光質

2.1 UV

紫外線的波長僅占到達地球表面的太陽輻射的一小部分，但它對包括植物在內的現存物種有重大的生物影響。因此，UV 可作為一種重要的非生物激發劑用于促進各種植物培養中SMs 的生產[9]。

2.1.1 UV-A

SMs 的產生是對UV 暴露增強的一種適應機制?；ㄇ嗨貫樯镱慄S酮物質，而黃酮類物質最主要的功能是自由基清除能力和抗氧化能力。有研究證明：花青素是當今人類發現最有效的抗氧化劑，也是最強效的自由基清除劑，花青素的抗氧化性能比維生素C 高20 倍，比維生素E 高50 倍，并且可以吸收多余的可見光和幫助植物抵抗紫外線，清除氧自由基保護植物，是植物天然的光保護劑[10]。研究發現UV-A 可促進紅花檵木愈傷組織花色素和黃酮類物質的合成[11]，也可以明顯促進津田蕪菁膨大肉質根表皮花青素的積累[12]。

2.1.2 UV-B

植物通過發展保護結構和機制來應對UV-B的過度損傷。前者包括毛發、蠟和其他提供光學保護的細胞修飾，而后者涉及抗氧化酶的誘導和保護分子濃度的提高[13]。SMs 的形成和產生可增強植物對UV-B 的適應性，保護植物免受UV-B 的損傷。

在UV-B 脅迫下研究最廣泛的一類生物堿是長春花體外細胞培養中的具有抗癌活性的萜類吲哚生物堿（TIAs）：長春花堿和長春堿。研究表明UV-B 對長春花細胞懸浮液照射5 min 可將長春花堿和長春堿的產量分別提高到3 倍和12 倍[14]。

UV-B 對萜類SMs 的影響較大。紫杉醇是紅豆杉屬植物具有抗癌作用的二萜類化合物，研究表明，UV-B 輻射（3 W/m2）12 h 和24 h，可顯著誘導東北紅豆杉組培苗中紫杉醇的積累[15]。青蒿素是一種含有過氧化物橋結構的倍半萜內酯，在UV-B 照射2 h 后ADS、CPR 和DBR2 基因的表達被誘導，4 h 和6 h 后達到高峰[16]。甘草酸是甘草的主要活性成分之一，UV-B 低強度（0.43 W/m2）和高強度（1.43 W/m2）照射均能提高3 月齡盆栽甘草根組織中甘草酸的濃度，為對照的1.5 倍，且3～6 個月生盆栽植物的甘草酸濃度與3～4 年生田間植物的甘草酸濃度相似甚至更高，并證實在受控環境下，可以在短期內實現高濃度的甘草酸生產[17]。

UV-B 可誘導產生更多的多酚類化合物，而黃酮類化合物是其中最大的類別。睡茄在UV-B 輻射下葉片和根部4-香豆酸Co-A 連接酶(4CL)、肉桂醇脫氫酶（CAD）、查爾酮異構酶（CHI）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和二氫黃酮醇還原酶（DFR）的活性增加[18]。與此相似，UV-B 輻射顯著提高了辣椒葉片中綠原酸和芹菜素8-C-己糖的含量，且苯丙氨酸解氨酶（PAL）和查爾酮合成酶（CHS）基因的表達量在UV-B 處理下也有所增加[19]。

2.1.3 UV-C

UV-C 照射幾乎可以誘導和提高所有酚類化合物中類黃酮的生物合成[9]。最近的一份研究表明，金蕎麥在光周期為16L/8D h 的UV-C（5.4 kJ/m2）處理后，積累了最優的生物量（438.3 g/L 鮮重，16.4 g/L干重）、總黃酮含量（TFC: 4.05 mg/g）和酚類物質含量(TPC: 11.8 mg/g)[20]?；⒄仍赨V-C（10 W/m2）照射6 h 和12 h 后，白藜蘆醇含量分別比未處理的顯著提高了2.6 倍和1.6 倍。UV-C 處理后，苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸4-羥化酶、4-香豆酸輔酶a 連接酶和二苯乙烯合酶（STS）等直接參與白藜蘆醇合成的基因被強烈誘導，并確定了MYB、bHLH 和ERF家族中的幾個成員作為白藜蘆醇生物合成基因的潛在調控因子[21]。

2.2 可見光

2.2.1 紅藍光

紅光和藍光較易被葉綠素吸收，所以是調節藥用植物SMs 含量的重要光質。Kapoor 等[22]研究發現，藍光處理的愈傷組織培養至第21 天，積累的紅景天苷（3.12 mg/g 干重）量最大，TFC（5.53 mg/g干重）和總酚（TPC，11.84 mg/g 干重）的積累量均高于其他光照條件，但紅光下培養的愈傷組織在第21 天生物量（7.43 g/L）最大，紅光培養下愈傷組織的比生長率最高（0.126/d），倍增時間最高（132.66 h），即紅光刺激最大生物量積累，藍光促進紅景天苷、酚類物質和黃酮類物質積累。Manivannan 等[23]研究發現，不同光照處理丹東玄參時，TPC 和TFC 的含量在藍光處理下顯著高于紅光處理。值得注意的是，藍光顯著提高了TFC（比冷白色熒光燈組高65.68%）和TPC（比冷白色熒光燈組高55.14%）的含量。在對墨旱蓮的研究中，紅光處理可促進酚類物質（57.8 mg/g）和黃酮類物質（11.1 mg/g）的產生。藍光處理下，4 種主要化合物香豆素（1.26 mg/g）、小泡蛋白（5.00 mg/g）、威地洛內酯（32.54 mg/g）和去甲基威地洛內酯（23.67 mg/g）以及2 種次要化合物β-香樹素 （0.38 mg/g）和木犀草素（0.39 mg/g）的產量均有所增加[24]。Nadeem 等[25]研究了發光二極管對羅勒愈傷組織中生物活性成分積累的影響，發現各處理中，藍光處理下愈傷組織TPC 含量最高，紅光處理下愈傷組織TFC 含量最高。高效液相色譜法（HPLC）分析表明，藍光條件下迷迭香酸（96.0 mg/g 干重）和丁香酚（0.273 mg/g 干重）濃度最高，分別為對照組的2.46 和2.25 倍。紅光下愈傷組織中花青素（0.122 mg/g 干重）和芍藥苷（0.127 mg/g干重）含量最高。連續白光下培養的愈傷組織中，氨基酸積累量為81.40 mg/g（干重），是對照的4.52 倍。水飛薊是一種被廣泛研究的著名保肝藥材。研究發現紅光能顯著提高該植物的酚類物質、黃酮類物質和超氧化物歧化酶活性。在紅光下，HPLC 分析顯示水飛薊素總濃度（18.67 mg/g 干重）是對照的2 倍。當暴露在紅光下時，水飛薊素、異水飛薊素、水飛薊賓A、水飛薊賓B 和水飛薊寧的含量都很高[26]。此外，藍光對遠志根中TFC 和TPC積累有促進作用[27]，可有效促進半夏塊莖中總生物堿的累積[28]，也可以促進淫羊藿苷類黃酮的形成[29]。但也有相反的情況，如在對絞股藍的研究中，紅光比藍光更有利于絞股藍總皂苷的積累，但是紅光卻抑制絞股藍TFC 的積累[30]；紅光處理下黃花蒿的青蒿素和青蒿酸含量較低[31]。

也有研究表明，紅藍光組合能更好的促進藥用植物中SMs 的積累。李琪等[32]研究表明，與單色紅光和藍光相比，紅藍復合光更有利于金線蘭組培苗的生長發育以及SMs 的積累。其中，紅藍（1∶1）組相較于其他組合光更能顯著促進金線蘭黃酮類、酚類、氨基酸類等多種次級代謝產物的積累。因此，紅藍（1∶1）可以作為金線蘭組織培養的最佳光質。劉建福等[33]發現，R7B3 時最有利于姜黃根莖SMs 的生成，此條件下，姜黃素類化合物含量達到最大值, 去甲氧基姜黃素、姜黃素和雙去甲氧基姜黃素含量分別比白光（對照）顯著提高44.32%、77.39%和43.80%。

2.2.2 黃光

有研究表明黃光可以促進SMs 的產生。黃光處理下擬巫山淫羊藿的黃酮類化合物含量高于紅光、藍光和白光處理。RNAseq 和qPCR 分析表明，黃光可顯著上調黃酮類生物合成基因CHS1、F3H1、PT_5 和raGT_5 的表達水平，可能是黃酮類生物活性物質積累增強的原因之一。耐陰植物通常生活在陽光較少的地方（如林下作物），光合作用驅動的波段，如紅光和藍光優先被上層冠層過濾掉，可利用的有效輻射主要為綠光、黃光和紅外光。因此，擬巫山淫羊藿可能是為了適應遮蔭條件下有限的黃色輻射光譜而進化的[34]。

2.2.3 綠光

研究表明綠色植物之所以呈現綠色是由于綠光大部分被植物葉片反射而很少被葉綠體吸收，因此綠光也被認為是生理無效光[7]。確實有很多研究表明綠光不利于SMs 的積累。如綠光對絞股藍總皂苷、TFC 的積累有明顯的抑制作用[30]。但也有研究表明綠光由于其高的透過率和反射率，可以深入葉片內部參與并影響光合作用，特別是在強烈的白光下，較低的葉綠體吸收任何額外的綠光都會比額外的紅光或藍光更大程度地促進葉片的光合作用[35]。青錢柳是一種兼具經濟價值和藥用價值的樹種。研究發現與白光、藍光和紅光相比，綠光處理下青錢柳葉片TFC 含量最高[36]。此外，綠光雖然抑制半夏塊莖中總生物堿的積累，但卻促進了黃酮類物質的產生[28]。

2.3 近紅外光（FR）

近紅外光是可以通過對光敏色素作用來直接調控植物的生長發育。低R/ FR 條件會使擬南芥的葉片大而厚、生物質數量大，冷適應能力強[37]。在川貝母中異甾體類生物堿的合成中，也發現了近紅外光具有類似的作用[38]。光敏色素控制植物的開花主要取決于紅外光吸收型（Pfr）/紅光吸收型（Pr）的比值，因此可以通過紅外光照射來控制Pfr/Pr 值，從而較精確地控制開花的周期，這對于以花入藥的藥用植物具有重要意義[39]。

綜上所述，不同的光質對不同植物甚至是同一植物的不同類型的SMs 影響都是不一樣的（見表1）。不同分類條件下光質對藥用植物產生的影響見圖2、圖3 所示，不同波長的光皆有可能成為誘導藥用植物SMs 積累的潛在因子。目前應用紅藍光調控黃酮類SMs 研究較多，一方面是因為紅藍光較其它光質更易獲取與利用，另一方面因為黃酮類次生代謝成分在藥用植物中相對普遍存在，生物合成途徑較為明確。不同光質對不同藥用植物、不同的SMs 存在不一樣的調控作用，明確這些作用需要大量的實驗去探索。UV在過去很長的一段時間里被視為不利于植物生長的有害因素，尤其是UV-C 更被視為“滅生性輻射”，但現在許多研究表明低劑量的（適宜的)紫外輻射會觸發植物體內抗逆境基因的表達，從而促進SMs 的積累。

表1 不同光質對藥用植物SMs 的影響

圖2 不同光質對藥用植物SMs 影響的分類圖

圖3 不同光質對藥用植物不同類別SMs 影響的分類圖

3 光照強度

與其它生理過程相似，藥用植物的次生代謝過程也受光照強度的影響。每種植物都有其適宜的光照強度，在其合適的光強下，藥用植物才能更好的生長，產生更多的具有藥理活性的SMs（見表2）。如典型的陽生植物金銀花在陽光充足的地方品質更佳，Fang 等[52]研究發現，完全光照促進了金銀花中木犀草苷的生物合成和積累，與50%、25%光強相比，100%光照強度下參與黃酮類代謝的光響應轉錄因子（NAC、WD40、MYB、ERF、WRKY）在金銀花中大量上調。野菊為喜光植物，有效成分含量如綠原酸、木犀草苷、蒙花苷、TFC 等隨光強升高而增加。鉤藤雖也為喜陽植物，但在幼苗期也需要適度的遮蔭處理。鉤藤在70%～75%光強下適宜幼苗生長和生物量積累，在30%～35%光強下適宜鉤藤幼苗有效成分（鉤藤堿、異鉤藤堿）的積累[53]。而對于陰性植物而言，需要在弱光條件下才能更好的生長。典型的陰生植物如滇重樓、三七、細辛等在栽培過程中都需要進行適度的遮蔭處理或者種植在林下等潮濕背陰處。陳黎明等[54]研究表明，在透光率為16%的光強下，三七的光合作用效率最高，并且地下部分三七總皂苷含量達到最大值為4.75%。張勤濤等[55]發現，滇重樓在黃光處理下的最適光強是（75～100） μmol/（m2·s），而在藍光處理下（100～150） μmol/（m2·s）[56]，表明不同光質下植物的最適光強范圍會有所差異?？傊?，不同植物對光照強度的需求不一，甚至在不同的生長階段對光照強度的需求也會有所差別，需要充分考慮不同植物的生態習性從而做出有益的處理。

表2 不同光強對藥用植物SMs 的影響

4 光周期

光周期即晝夜的相對長度，根據植物開花對日照長度的反應可分為：長日照植物、短日照植物和中日照植物。合適的光周期可以促進SMs 的積累（見表3）。朱寧等[64]研究了不同光周期對龍眼胚性愈傷組織的影響，發現在短光照處理下（6 h/18 h L/D）類黃酮的含量和產量最高；全光照處理下（24 h）類胡蘿卜素含量和產量最高。Tusevski 等[65]發現貫葉連翹毛狀根在光周期16 h/8 h 下可以從頭合成五種氧雜蒽酮、三種黃酮苷和兩種酚酸，但在暗培養下更有利于黃烷-3-醇的合成。劉靜等[66]的研究表明，在光周期12 h/d 處理下，明顯促進醉馬草內生真菌共生體幼苗麥角酰胺和麥角新堿的積累。而朱嬌等[67]的研究表明，不同光周期對西紅花的品質沒有影響，但在光周期8 h/16 h 下，有利于西紅花生長、促進初期提前開花。由此可見，光周期可以調控藥用植物中SMs 的產生和積累。

表3 不同光周期對藥用植物SMs 的影響

5 結果和討論

植物對光的響應具有特異性，光對不同植物SMs 生物合成的影響不同。在植物光調控領域，光質、光強、光周期實際上是相互影響的，改變其中任何一個因素得到的實驗結果可能會有所不同。在光強為（18.2 ± 2.5） μmol/（m2·s）時，黃光、藍光和紅光下淫羊藿苷類黃酮含量均高于白光；而在（90.9 ± 2.5） μmol/（m2·s） 光強下，白光促進淫羊藿苷類成分合成的效果卻強于黃光、藍光和紅光[29]。再如，滇重樓在藍光下得出的最適光強為（75～100） μmol/（m2·s）；而在黃光下得出的最適光強卻是（100～150） μmol/（m2·s）。光敏色素、隱色素、向光素、藍光受體、紫外線感光器是目前已鑒定出的五類光感受器，光照通過與光感受器作用，調控SMs 生物合成中涉及的轉錄因子或關鍵酶的基因表達。例如，當植物暴露于UV-B 輻射時，UVR8同二聚體經歷單體化并與COP1 相互作用，從而增加COP1 的穩定性并誘導HY5 的表達，HY5結合一些轉錄因子基因的啟動子，如AaWRKY9、GLANDULAR trichomspecific WRKY 1 (AaGSW1)和AaORA，從而上調它們的表達，這些轉錄因子刺激相關生物合成基因的表達，提高青蒿素的含量[69-70]。植物不同的生長時期對光的需求是不一樣的，即植物對光的需求具有動態性，但大多數研究給予的光照條件卻是靜態性的。因此，目前許多對于光調控藥用植物SMs 的研究是有局限的，即如對光的某一方面（光質或光強或光周期）進行考察，得出的實驗結果可能具有片面性，如能對光相互影響的三個方面（光質、光強、光周期）同時進行綜合考察有可能得出較優的光配方。

體外培養（如組織培養）生產具有藥理活性的SMs 可以對光照條件進行更為精準的調控。對于次生代謝工程而言，通過光調控提高SMs 的產量和質量是一種比較高效的、經濟的手段。目前藥用植物絕大多數是在室外種植，人們對光的調控是受限的。因此，在進行實驗時，應更多的考慮室外大規模種植時可利用的光調控手段進行研究，這樣得出的科研成果才有可能投入實際的生產中。

藥用植物中SMs 是其主要的藥效物質基礎和品質內涵，藥材內在品質主要取決于這類產物的合成與積累。在自然界中，光往往與其它環境因子（如溫度、水分、微生物等）協同或拮抗地調控藥用植物SMs 的生物合成。某種植物中SMs 的種類及合成量的閾值由自身的遺傳特性決定，光與其他環境因素則對這些產物的表達量起調控作用。隨著人們對天然活性產物需求的增加，許多可人為控制的光調控系統已被用于藥用植物的栽培。光對植物的調控作用是復雜的，目前人們對完整的光信號通路仍然不清楚，可以結合轉錄組學、基因組學、蛋白質組學、代謝組學等多種組學方法，更加全面的了解光對藥用植物中SMs 的影響機制，為提高SMs 的產量和質量提供新的思路和方法。