《Journal of Applied Research on Medicinal and Aromatic Plants》：From Natural Extraction to Heterologous Biosynthesis: The Evolution of Preparation Strategies for Bioactive Compounds from Medicinal Plants
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Jing Guan|Hongyuan Luo|Hongwei Li|Lin Li|Weie Wen|Delin Xu中国遵义563099，遵义医科大学临床前医学院细胞生物学系摘要药用植物含有多种活性成分，具有广泛的药理作用，是制药领域的宝贵原料。然而，由于天然植物活性成分含量低、
Jing Guan|Hongyuan Luo|Hongwei Li|Lin Li|Weie Wen|Delin Xu
中国遵义563099，遵义医科大学临床前医学院细胞生物学系
摘要
药用植物含有多种活性成分，具有广泛的药理作用，是制药领域的宝贵原料。然而，由于天然植物活性成分含量低、提取过程繁琐以及成熟周期长等原因，限制了其在工业化药品研发中的应用。阐明植物中药用成分的生物合成途径及分子遗传机制，并通过途径重构实现高效生产，仍是解决传统中药中天然产物产量低、工业化规模不足问题的关键方法。本文总结了近年来关于药用植物次生代谢物及其相关调控基因生物合成途径的研究进展，介绍了利用底盘细胞异源重构次生代谢物生物合成途径的代谢工程方法，阐述了利用微生物底盘细胞合成常见植物源性药用天然产物（包括黄酮类、萜类和生物碱）的分子调控策略。此外，还比较了以大肠杆菌和酿酒酵母作为底盘细胞表达次生代谢物合成元件或基因的机制及应用进展。最后，本文探讨了通过途径重构研究开发药用成分合成的前景，旨在为从药用植物中异源生产天然产物的底盘工程和途径优化提供思路，同时通过整合多组学技术及其他新兴技术，推动天然药物的高效合理合成。
引言
随着公众健康意识的提高以及对传统中药功效的认可度不断提升，药用植物在慢性疾病治疗和亚健康状态调理方面的临床应用需求日益增加，因此药用植物发挥着不可替代的作用。在国际上，传统中药也越来越受到重视，中药出口需求不断增长，为相关产业带来了新的机遇。药用植物富含活性药用成分，这些都是药物开发的的重要原料。这些活性成分主要是次生代谢物，包括含氮有机化合物、酚类化合物和萜类化合物（Umalatha等，2025）。药用活性成分是药用植物发挥治疗作用的物质基础，对其研究的深入程度直接影响着天然药物的研发与临床应用，比如用于治疗疟疾的青蒿素类药物（Okombo和Fidock，2025），以及用于乳腺癌和卵巢癌化疗的紫杉醇注射液（Gao等，2024）。
目前传统中药面临的困境在于其生长周期长、品质易受环境影响、人工栽培存在诸多问题，如种植障碍和病虫害，导致其活性成分含量极低。例如，红豆杉中的紫杉醇含量极少，分离率仅为0.01%（Subban和Kempken，2023），需要大量原材料；青蒿中的青蒿素含量最高也只有1%，且会受品种和生长条件的影响（Septembre-Malaterre等，2020），无法满足医疗需求。近年来，代谢工程和合成生物学的快速发展为高质量次生代谢物的生产提供了新途径。与资源有限且效率低的传统植物提取法，以及条件苛刻且污染严重的化学合成法相比，重新设计的生物合成途径能够解决传统中药资源匮乏、化学合成成本高以及环境污染等问题，是实现绿色、可持续植物源性次生代谢物生产的关键方向。
利用底盘细胞通过异源生物合成途径重构来合成次生代谢物，是高效获取传统中药中活性成分的热点方向。该策略将青蒿素（Zhao等，2022）和紫杉醇（Liu等，2024）等次生代谢物生物合成基因簇从传统中药中转移到大肠杆菌或酿酒酵母等工程化底盘细胞中，构建“细胞工厂”以突破传统中药提取的瓶颈。通过优化宿主适应性、调整启动子（Wu等，2023）、平衡辅因子（Yin等，2024）以及调控亚细胞定位（Cao等，2024）等方式，可以克服异源酶表达的障碍——酵母在黄酮类化合物糖基化方面表现优异，而大肠杆菌则更适合优化萜类化合物的前体物质。借助CRISPR技术（Zhang等，2024）和动态开关技术，黄酮类、萜类和生物碱的异源合成已取得一定进展，但多酶效率低和宿主毒性等问题仍阻碍了其工业化应用。有人在大肠杆菌BL21（DE3）中构建了三酶级联反应体系，能够在24小时内以30g/L的底物浓度生成16.62g/L的吡咯烷酮，转化率为95.2%，生产率为0.69g·L?1·h?1（Jiang等，2023）。人工智能技术的进步，尤其是深度学习和生成模型，加速了具有体外活性的多靶点药物的发现和新设计（Abdelsayed，2025）。系统生物学、机器学习以及人工智能驱动的途径优化技术（Liu等，2022）推动了传统中药活性成分的可持续生产，使得稀有抗癌/抗病毒成分能够大规模制备，同时也促进了合成生物学与传统中药现代化的融合。
本文综述了通过人工重构生物合成途径来调控次生代谢物合成的研究历程，重点总结了黄酮类、萜类和生物碱这三类化合物的生物合成机制及调控基因，并探讨了以大肠杆菌和酿酒酵母作为底盘细胞的应用进展。通过整合该领域的最新研究成果，本文从多个维度呈现了代谢网络调控的情况，揭示了合成生物学技术在工业化应用中的潜力（Yin等，2024）。文章聚焦于实现高效生产的合成生物学策略关键路径，包括代谢途径优化、宿主适应性改造以及动态调控技术，旨在为医药和农业领域的应用发展提供理论支持。通过分析技术瓶颈和发展趋势，本文可为制定环保型的工业化方案提供决策参考，引导科研资源的合理分配，推动次生代谢物可持续制造系统的创新与发展。
文献检索所使用的数据库和搜索引擎包括PubMed、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar。核心关键词包括“黄酮类生物合成”“萜类生物合成”“次生代谢物调控”“MYB转录因子+黄酮类”等及其组合。文献筛选的时间范围为2000年1月至2025年12月。
章节节选
次生代谢物的生物合成途径及分子调控机制
次生代谢物的合成以初级代谢物（如糖类、氨基酸、脂肪酸等）为前体，通过一系列酶催化的级联反应形成结构多样的产物，其主要合成途径可归纳为：（1）前提物质供应；（2）核心骨架构建；（3）后期修饰加工。次生代谢物的合成受遗传背景和环境信号共同构成的多层次分子网络调控，这些调控因素包括：
从天然提取向异源合成的转变
目前，从传统中药中获取药用活性成分主要依靠植物提取。这种方法不仅会造成环境破坏，与植物资源保护的理念相悖，也不利于药物开发与可持续自然资源保护之间的平衡。此外，植物提取还存在活性成分含量低、提取过程复杂等问题，导致提取成本高昂。尽管某些次生代谢物可以通过
用于次生代谢物合成的底盘细胞优化策略
总之，次生代谢物的合成通常受复杂的调控网络调控，这些调控网络包括转录因子、信号分子和环境因素等。了解这些调控机制的复杂性和相互作用是一大挑战。中药材料中参与次生代谢物合成的许多基因和途径尚未被完全鉴定和注释。因此，需要高效的组学技术来探索这些遗传资源，从而加以改进
致谢
本研究得到了多项资助，包括国家自然科学基金（32260089）、贵州省科学技术厅基金（QKHJC-MS[2025]371）、遵义市农业科学院2025年度横向项目（G-257）、中华人民共和国教育部产学合作教育项目（230901414190927）、教育部供需对接就业导向教育项目等
未引用参考文献
（Li等，2022；Li等，2021；Liu等，2023；Liu等，2024；Liu等，2024；Zhang等，2024；Zhang等，2026；Zhang等，2023；Zhang等，2025；Zheng等，2025）
CRediT作者贡献说明
Lin Li：撰写——初稿，资料整理。 Hongwei Li：撰写——初稿，可视化分析，验证，软件使用，资料整理，方法学研究，形式分析，数据管理。 Hongyuan Luo：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化分析，软件使用，资料整理，方法学研究，形式分析，数据管理。 Jing Guan：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化分析，验证，软件使用，资料整理，方法学研究，实验分析，形式分析，数据管理。 Delin Xu：撰写——审阅与编辑，撰写
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了多项资助，包括国家自然科学基金（32260089）、贵州省科学技术厅基金（QKHJC-MS[2025]371、QKHJC-ZK[2022]623、QKHJC-ZK[2022]610、QKHJC-MS[2025]359、QKHJC-ZK[2023]496）、遵义市农业科学院2025年度横向项目（G-257）、遵义医科大学未来优秀教师培养计划（XJ2023-JX-01-06）以及第一批
