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南方红豆杉(Taxus chinensis var. mairer)又称紫杉,为红豆杉科(Taxaceae)红豆杉属(Taxus Linn.)植物,主要分布于中国南方地区,是红豆杉属中分布最广、生长最快的一群植物,为国家一级保护树种[1]。其本身含有的紫杉醇是红豆杉属植物的次生代谢产物,属四环二萜酰胺类化合物,不仅是一种对治疗肺癌、卵巢癌等有特效的抗癌药物,更是当前公认的广谱、活性强的一线抗肿瘤药物[2-4]。由于红豆杉生长较缓慢,资源贫乏,天然植物体内紫杉醇的量又非常低,要提供临床应用需要砍伐大量红豆杉林,危及生态平衡,使红豆杉植物面临灭绝[5]。目前,一种能提供抗肿瘤化合物的途径就是利用植物细胞组织培养法大规模培养生产紫杉醇[6]。
细胞培养具有原料丰富、大规模反应较易实现等优点,因此,成为工业化生产紫杉醇的最佳途径[7]。本研究以南方红豆杉愈伤组织为材料,通过单因素试验和正交试验,对南方红豆杉细胞悬浮培养体系进行优化,并对悬浮培养过程进行动力学分析,研究细胞生长、基质消耗及产物合成的动态变化,建立动力学模型,旨在为大规模培养红豆杉细胞、扩大紫杉醇生产奠定理论和实践基础。
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由图 1可知:愈伤组织接种量低于0.06 g·mL-1,悬浮细胞增长缓慢,随着接种量的增加,细胞生长指数逐渐增大,当接种量为0.09 g·mL-1时,细胞生长指数达到峰值,为132.80%;继续增加接种量时,细胞生长指数逐渐下降,随着接种量的增加,细胞活力也逐渐下降。
偏酸性条件下更有利于悬浮培养细胞的生长,细胞活力也处于一个较高水平;而过酸环境下,细胞活力较低。当培养基初始pH值为5.0和6.0时,细胞生长指数分别达156.48%和109.83%(图 1),根据相关研究,pH值为5.8时,有利于红豆杉细胞的生长,所以后续试验中的培养基初始pH值调整为5.8。
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由图 2可知:单因素实验中,NAA、2, 4-D、6-KT的最适宜质量浓度分别为0.5、0.3、1.0 mg·L-1,且均表现为随着浓度的增加,细胞生长指数呈先增加后降低的趋势。以3种植物激素的单因素试验结果为基础进行正交试验,从表 1可知:3种植物激素的最佳配比为A1B3C3,即0.3 mg·L-1 NAA,0.4 mg·L-1 2, 4-D,1.2 mg·L-1 6-KT,3种植物激素对细胞生长指数影响的大小为6-KT>NAA>2, 4-D。
植物激素/(mg·L-1)
Phytohormones生长指数/%
Growth index细胞活力
Cell viabilityNAA 2, 4-D 6-KT 1 0.3 0.2 0.8 32.86±3.89 0.512±0.110 2 0.3 0.3 1.0 34.53±3.45 0.684±0.093 3 0.3 0.4 1.2 154.37±11.47 0.713±0.036 4 0.5 0.2 1.0 52.90±2.21 0.735±0.105 5 0.5 0.3 1.2 119.66±11.62 0.751±0.103 6 0.5 0.4 0.8 46.11±1.86 0.691±0.077 7 0.7 0.2 1.2 55.37±5.63 0.660±0.088 8 0.7 0.3 0.8 30.72±0.35 0.803±0.071 9 0.7 0.4 1.0 29.49±5.46 0.579±0.062 K1 73.92 69.56 36.64 K2 45.94 61.64 72.55 K3 33.23 38.19 108.69 R 37.28 26.61 75.46 Table 1. Results and analysis of orthogonal experiment
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以B5+NAA 0.3 mg·L-1+2, 4-D 0.4 mg· L-1+6-KT 1.2 mg·L-1+蔗糖30 g·L-1为培养基,愈伤组织接种量为0.09 g·mL-1,初始pH5.8的悬浮培养体系培养南方红豆杉细胞,细胞生长曲线基本符合“S”型曲线,在培养前9天为延滞期,细胞干质量变化不明显;第9天至第18天为指数生长期,细胞迅速生长;18至21天为稳定期,第21天时细胞干质量达到峰值,为0.620 8 g·(30 mL)-1;其后细胞干质量逐渐下降,细胞进入衰亡期。细胞在培养的前几天活力逐渐增加,到第9天时达到最大值,细胞活力为1.383,而后一直呈现下降趋势(图 3)。
由图 4可知:在培养的第06天,细胞紫杉醇含量逐渐增加;第918天,紫杉醇含量略有下降;第1824天,紫杉醇含量迅速增加,第24天时到达峰值,紫杉醇含量为84.46 μg·g-1;2427天含量出现下降。紫杉醇的产量整体呈先上升后下降的趋势。第018天,紫杉醇产量增加缓慢;第1824天,产量迅速增加,第24天时到达峰值,紫杉醇产量为51.18 μg·(30 mL)-1;第2427天,紫杉醇产量开始下降。
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由图 5可知:糖作为培养基中的碳源,在整个培养周期中随时间进程下降。总糖浓度在第09天变化缓慢,在第921天消耗迅速,第18天时,糖浓度仅为3.63 g·L-1,消耗率达90.04%;第2124天,总糖基本消耗完全。还原糖作为直接碳源,其变化趋势与总糖变化趋势大致一致,其含量在培养的第03天迅速上升,在第3天时含量达到峰值,为29.94 g·L-1,第39天时缓慢下降,随后迅速消耗,在第21 d后基本消耗完全。磷酸盐的浓度在整个培养周期中随时间进程下降,其浓度在09天变化迅速,在912天浓度下降缓慢,第1221天时含量基本为0,到第21天,培养基中磷元素含量又缓慢升高。
在细胞生长过程中,氮源的消耗速度较快,但铵态氮与硝态氮的吸收没有保持完全同步(图 6)。培养的第3天,铵态氮基本消耗完全,在培养的第18天以后,铵态氮含量缓慢上升;而硝态氮在第012天的消耗速率较小,消耗率仅为1.83%,第12天以后硝态氮才被迅速消耗,18天以后硝态氮含量基本保持不变。
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本研究采用Logistic方程和Luedeking-piret方程描述了南方红豆杉细胞悬浮培养过程,建立了细胞生长、紫杉醇合成和基质消耗的动力学模型,运用Origin 8.5.1软件对数据进行非线性曲线拟合。
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经拟合,得X0、Xmax和μmax3个参数分别为0.164 95 g·(30 mL)-1、0.690 98 g·(30 mL)-1、0.143 65 d-1;X0为细胞初始质量浓度,Xmax为可能的最大细胞质量浓度,μmax为最大比生长速率。模型R2=0.974 52, 得公式(1),拟合曲线见图 7。
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经拟合,得m、n和P0 3个参数分别为14.755 34、2.827 75和5.818 58 μg·(30 mL)-1;m为生长偶联系数,n非生长偶联系数,P0为初始紫杉醇产量。模型R2=0.935 51得公式(2),拟合曲线见图 8;m≠0,n≠0,说明悬浮细胞生长与紫杉醇积累属于部分生长偶联型。
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经拟合,得α、β和S0 3个参数分别为145.970 49、-1.885 4和48.541 42 g·L-1;α为碳源用于菌体生长得率常数,β为碳源用于产物积累得率常数,S0为初始碳源浓度。模型R2=0.880 16,得公式(3),拟合曲线见图 9。