天麻素又名天麻苷，是天麻 Gastrodia elata Bl.塊莖中一種含量最高的有效單體成分，其化學(xué)名為4-羥甲基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷，相對分子質(zhì)量286.27，分子式 C13H18O7，為無色針狀結(jié)晶，mp 154～156 ℃，易溶于醇類和水，難溶于氯仿和乙醚，經(jīng)苦杏仁酶水解后得到 4-羥基苯甲醇（也稱對羥基苯甲醇）和葡萄糖 2 種單體。天麻素具有多種藥理活性，可以增加中央及外周動脈血管順應(yīng)性，降低外周血管阻力，增加心腦血管血流量，產(chǎn)生溫和降壓作用，而且對心肌細胞、腦組織均有保護作用，同時具有靜、催眠、鎮(zhèn)痛、增強免疫等作用，在臨床上廣泛用于治療心腦血管、微循環(huán)系統(tǒng)疾病，對頭痛眩暈、肢體麻木、小兒驚風(fēng)、癲癇、抽搐、破傷風(fēng)等病癥療效顯著，且無明顯不良反應(yīng)。

目前，人們對以天麻素為主要藥效成分的天麻需求量不斷增長，其年銷售額達十幾億元，由于其應(yīng)用范圍的進一步擴大，年銷售額預(yù)計還將不斷增長。面對如此廣闊的市場前景，醫(yī)藥工作者們提出了許多獲取天麻并提高天麻素產(chǎn)量的方法，其中以人工栽培提取法和化學(xué)合成法為主流，但它們也存在一定的問題。對于人工栽培提取法而言，該法雖然可以獲得一定產(chǎn)量的天麻素，但要得到產(chǎn)量大、純度高和價格低的天麻素依然存在較大難度，究其原因主要與 2 個方面相關(guān)：一是天麻在人工栽培過程中往往會出現(xiàn)產(chǎn)量減少、品質(zhì)降低的現(xiàn)象[5]。二是即使人工栽培獲得了大量優(yōu)質(zhì)的天麻塊莖原材料，但要從這些材料中提取并得到高純度的天麻素絕非易事。對于化學(xué)合成法來說，它是目前我國獲取天麻素的主要生產(chǎn)方法，也是一種較早研究的方法，于 20 世紀 80 年代初周俊院士等建立，但在實際生產(chǎn)過程中，由于此法需經(jīng)歷多步化學(xué)反應(yīng)，并要大量使用紅磷、溴等試劑，因而導(dǎo)致該法具有產(chǎn)量低、毒性大、成本高、環(huán)境不友好等缺點。為了克服該方法的缺陷，學(xué)者們分別從提高反應(yīng)得率、減少反應(yīng)步驟、降低試劑毒性等方面對天麻素化學(xué)合成法進行了有意義的改進，但這些改進雖然對推動化學(xué)合成法合成天麻素有所幫助，但始終無法擺脫化學(xué)合成法先天具有的一些弊端，如反應(yīng)試劑毒、反應(yīng)步驟多、反應(yīng)時間長、反應(yīng)條件苛刻、反應(yīng)副產(chǎn)物不易去除、反應(yīng)三廢不好處理等，因而通過化學(xué)合成法生產(chǎn)天麻素不是一種制備天麻素的最優(yōu)方法，目前實際生產(chǎn)中急需一種更加先進的方法來代替化學(xué)合成法。

生物合成法是當前獲取天麻素的有較好應(yīng)用前景的第 3 種方法，本文主要對天麻素生物合成的方法進行一個系統(tǒng)的歸納和分析，期望為日后進一步改進和完善天麻素的生產(chǎn)方法和滿足人們對其不斷增長的需求提供有價值的參考。

1 生物合成途徑

天麻素在結(jié)構(gòu)上由 4-羥基苯甲醇和葡萄糖 2 部分組成，其中 4-羥基苯甲醇又是天麻細胞中一種主要的單體成分，故研究者們推測天麻素生物合成的最后一步必定涉及葡萄糖糖基化4-羥基苯甲醇的過程。對于前體物質(zhì) 4-羥基苯甲醇所涉及的生物合成途徑目前還不是很確定，但根據(jù)芳香類化合物代謝相關(guān)過程推測，4-羥基苯甲醇在天麻細胞內(nèi)很可能由甲苯經(jīng)兩次單加氧酶作用后生成，見圖 1，目前已陸續(xù)有相關(guān)研究結(jié)果開始證實此推測途徑的正確性。如以 4-羥基苯甲醇或 4-羥基苯甲醛作為前體物質(zhì)，部分植物或微生物細胞可將其糖基化生成天麻素。此外，Tsai 等利用第 2 代 RNA 測序技術(shù)比較了天麻從球莖發(fā)育到塊莖時合成天麻素基因的差異表達情況，結(jié)果顯示天麻幼嫩塊莖中確實有比球莖顯著高表達的單加氧酶和糖基轉(zhuǎn)移酶基因，其中一條編碼單加氧酶的 unigene 在幼嫩塊莖中的表達量是球莖中的 2.4 倍，而另一條編碼糖基轉(zhuǎn)移酶的 unigene 則是球莖中的 3.2 倍。以上這些研究結(jié)果一方面有力證明了天麻素生物合成途徑推測的正確性，另一方面也為人工異源構(gòu)建天麻素生物合成途徑奠定了理論基礎(chǔ)。

2 植物轉(zhuǎn)化法

植物是許多具有醫(yī)藥應(yīng)用價值的天然活性產(chǎn)物的來源，它們通過自身細胞內(nèi)復(fù)雜的次生代謝反應(yīng)合成一些相同的天然活性物質(zhì)，如紅景天苷除紅景天屬植物可以合成外，女貞、小葉女貞、藏波羅花等也可以合成。正是從這一現(xiàn)象出發(fā)，研究者們嘗試利用非天麻類植物合成天麻素（表 1）。蔡潔等對人參毛狀根生物合成天麻素轉(zhuǎn)化體系進行了探索，結(jié)果顯示人參毛狀根在 B5 培養(yǎng)液中培養(yǎng)22 d 后，可將天麻素苷元（4-羥基苯甲醇）轉(zhuǎn)化生成天麻素，轉(zhuǎn)化率為 84.8%，合成的天麻素占人參毛狀根干質(zhì)量的 6.65%。龔加順等分別利用兩種不同的曼陀羅植物（白花曼陀羅和紫花曼陀羅）懸浮培養(yǎng)細胞進行了天麻素生物轉(zhuǎn)化研究，實驗結(jié)果表明兩種曼陀羅細胞都能將前體物質(zhì)4-羥基苯甲醛先還原成 4-羥基苯甲醇，然后利用細胞內(nèi)的糖基轉(zhuǎn)移酶使其糖基化生成天麻素，其中在培養(yǎng)基中添加0.1 mg/L水楊酸和保持發(fā)酵罐罐壓小于1 kPa時，可有效促進紫花曼陀羅細胞對 4-羥基苯甲醛的糖基化效率。

除了以曼陀羅懸浮細胞作為轉(zhuǎn)化載體外，彭春秀等還利用曼陀羅毛狀根進行了天麻素轉(zhuǎn)化實驗，結(jié)果顯示由農(nóng)桿菌誘發(fā)的曼陀羅毛狀根能轉(zhuǎn)化外源底物 4-羥基苯甲醇合成天麻素。本課題組也開展過天麻素植物轉(zhuǎn)化的相關(guān)研究，其中利用植物水培法對小白菜是否能夠利用 4-羥基苯甲醇產(chǎn)生和積累天麻素，以及 4-羥基苯甲醇對小白菜生長是否會造成影響進行了考察，所得結(jié)果證實小白菜能以濃度相關(guān)的方式將 4-羥基苯甲醇轉(zhuǎn)化為天麻素，但隨時間的推移天麻素積累量逐漸降低，而且水培營養(yǎng)液中添加 4-羥基苯甲醇會抑制小白菜根的生長并延緩或阻滯株高的增長，因而在含4-羥基苯甲醇的水培液中不宜長時間培養(yǎng)小白菜。

以上研究結(jié)果都充分證明，除天麻外還有部分植物也能利用相關(guān)前體物質(zhì)合成天麻素，這就為今后拓寬天麻素的來源，并增加其產(chǎn)量提供了有效的途徑。