摘要：天麻素是我国名贵中药材天麻中的一种主要活性成分，具有降血压、抗癫痫、抑制肿瘤、保护神经等多方面的药理活性。随着市场对天麻素需求的不断增长以及传统获取方法固有的问题，导致急需新的方法来解决天麻素生产实际中面临的各项困难。生物合成法是一种有别于传统获取法的新方法，已在天麻素获取上取得了较大进展和成果，故现阶段有必要从天麻素生物合成途径、植物转化法和微生物转化法3个方面，对天麻素生物合成进行系统地阐述，从而为进一步改进和完善天麻素生产方法，以满足人们对其不断增长的需求提供有价值的参考。
天麻素又名天麻苷，是天麻GastrodiaelataBl.块茎中一种含量最高的有效单体成分，其化学名为4-羟甲基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷，相对分子质量.27，分子式C13H18O7，为无色针状结晶，mp～℃，易溶于醇类和水，难溶于氯仿和乙醚，经苦杏仁酶水解后得到4-羟基苯甲醇（也称对羟基苯甲醇）和葡萄糖2种单体。天麻素具有多种药理活性，可以增加中央及外周动脉血管顺应性，降低外周血管阻力，增加心脑血管血流量，产生温和降压作用，而且对心肌细胞、脑组织均有保护作用[1]，同时具有镇静、催眠、镇痛、增强免疫等作用，在临床上广泛用于治疗心脑血管、微循环系统疾病，对头痛眩晕、肢体麻木、小儿惊风、癫痫、抽搐、破伤风等病症疗效显著，且无明显不良反应[2]。
目前，人们对以天麻素为主要药效成分的天麻需求量不断增长，其年销售额达十几亿元，由于其应用范围的进一步扩大，年销售额预计还将不断增长[3-4]。面对如此广阔的市场前景，医药工作者们提出了许多获取天麻并提高天麻素产量的方法，其中以人工栽培提取法和化学合成法为主流，但它们也存在一定的问题。对于人工栽培提取法而言，该法虽然可以获得一定产量的天麻素，但要得到产量大、纯度高和价格低的天麻素依然存在较大难度，究其原因主要与2个方面相关：一是天麻在人工栽培过程中往往会出现产量减少、品质降低的现象[5]。二是即使人工栽培获得了大量优质的天麻块茎原材料，但要从这些材料中提取并得到高纯度的天麻素绝非易事[6]。对于化学合成法来说，它是目前我国获取天麻素的主要生产方法，也是一种较早研究的方法，于20世纪80年代初周俊院士等[7]建立，但在实际生产过程中，由于此法需经历多步化学反应，并要大量使用红磷、溴等试剂，因而导致该法具有产量低、毒性大、成本高、环境不友好等缺点。为了克服该方法的缺陷，学者们分别从提高反应得率、减少反应步骤、降低试剂毒性等方面对天麻素化学合成法进行了有意义的改进[8-10]，但这些改进虽然对推动化学合成法合成天麻素有所帮助，但始终无法摆脱化学合成法先天具有的一些弊端，如反应试剂毒、反应步骤多、反应时间长、反应条件苛刻、反应副产物不易去除、反应三废不好处理等[9]，因而通过化学合成法生产天麻素不是一种制备天麻素的最优方法，目前实际生产中急需一种更加先进的方法来代替化学合成法。
生物合成法是当前获取天麻素的有较好应用前景的第3种方法，本文主要对天麻素生物合成的方法进行一个系统的归纳和分析，期望为日后进一步改进和完善天麻素的生产方法和满足人们对其不断增长的需求提供有价值的参考。
1生物合成途径
天麻素在结构上由4-羟基苯甲醇和葡萄糖2部分组成，其中4-羟基苯甲醇又是天麻细胞中一种主要的单体成分，故研究者们推测天麻素生物合成的最后一步必定涉及葡萄糖糖基化4-羟基苯甲醇的过程。对于前体物质4-羟基苯甲醇所涉及的生物合成途径目前还不是很确定，但根据芳香类化合物代谢相关过程推测[11]，4-羟基苯甲醇在天麻细胞内很可能由甲苯经两次单加氧酶作用后生成，见图1，目前已陆续有相关研究结果开始证实此推测途径的正确性。如以4-羟基苯甲醇或4-羟基苯甲醛作为前体物质，部分植物或微生物细胞可将其糖基化生成天麻素。此外，Tsai等[12]利用第2代RNA测序技术比较了天麻从球茎发育到块茎时合成天麻素基因的差异表达情况，结果显示天麻幼嫩块茎中确实有比球茎显著高表达的单加氧酶和糖基转移酶基因，其中一条编码单加氧酶的unigene在幼嫩块茎中的表达量是球茎中的2.4倍，而另一条编码糖基转移酶的unigene则是球茎中的3.2倍。以上这些研究结果一方面有力证明了天麻素生物合成途径推测的正确性，另一方面也为人工异源构建天麻素生物合成途径奠定了理论基础。
2植物转化法
植物是许多具有医药应用价值的天然活性产物的来源，它们通过自身细胞内复杂的次生代谢反应合成一些相同的天然活性物质，如红景天苷除红景天属植物可以合成外，女贞、小叶女贞、藏波罗花等也可以合成[13-15]。正是从这一现象出发，研究者们尝试利用非天麻类植物合成天麻素（表1）。蔡洁等[16]对人参毛状根生物合成天麻素转化体系进行了探索，结果显示人参毛状根在B5培养液中培养22d后，可将天麻素苷元（4-羟基苯甲醇）转化生成天麻素，转化率为84.8%，合成的天麻素占人参毛状根干质量的6.65%。龚加顺等[17-18]分别利用两种不同的曼陀罗植物（白花曼陀罗和紫花曼陀罗）悬浮培养细胞进行了天麻素生物转化研究，实验结果表明两种曼陀罗细胞都能将前体物质4-羟基苯甲醛先还原成4-羟基苯甲醇，然后利用细胞内的糖基转移酶使其糖基化生成天麻素，其中在培养基中添加0.1mg/L水杨酸和保持发酵罐罐压小于1kPa时，可有效促进紫花曼陀罗细胞对4-羟基苯甲醛的糖基化效率。除了以曼陀罗悬浮细胞作为转化载体外，彭春秀等[19]还利用曼陀罗毛状根进行了天麻素转化实验，结果显示由农杆菌诱发的曼陀罗毛状根能转化外源底物4-羟基苯甲醇合成天麻素。本课题组也开展过天麻素植物转化的相关研究，其中利用植物水培法对小白菜是否能够利用4-羟基苯甲醇产生和积累天麻素，以及4-羟基苯甲醇对小白菜生长是否会造成影响进行了考察，所得结果证实小白菜能以浓度相关的方式将4-羟基苯甲醇转化为天麻素，但随时间的推移天麻素积累量逐渐降低，而且水培营养液中添加4-羟基苯甲醇会抑制小白菜根的生长并延缓或阻滞株高的增长，因而在含4-羟基苯甲醇的水培液中不宜长时间培养小白菜[20]。以上研究结果都充分证明，除天麻外还有部分植物也能利用相关前体物质合成天麻素，这就为今后拓宽天麻素的来源，并增加其产量提供了有效的途径。
3微生物转化法
3.1野生菌转化法
相关研究显示，天麻在生长过程中离不开野生微生物地协助，如天麻在种子萌发与无性繁殖2个阶段，分别要与紫萁小菇和蜜环菌进行共生才能正常萌发和生长[21]，由此研究者们开始从这些微生物中筛选合成天麻素的相关菌株（表2），章海锋[22]对天麻共生菌蜜环菌进行了筛选工作，并探索了有效的生物转化体系和合适的转化条件，结果显示一株命名为黄绿密环菌ZJUQH的菌株被筛选出来，该菌株在底物（4-羟基苯甲醇）质量浓度为3mg/mL，转化用细胞用量为6.5g/30mL转化液，聚山梨酯-.5%，初始pH4.5，转化温度23℃，转化时间h的条件下，天麻素的最大产量可达（5.65±0.45）mg/L。除
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