LED光源与甘氨酸协同调控天仙子愈伤组织中莨菪碱和东莨菪碱积累的低成本优化策略

本研究针对化学合成莨菪碱类生物碱成本高昂的产业难题，创新性地通过LED光源（WLED/BLED/RLED）与甘氨酸（Gly）协同处理天仙子（Hyoscyamus niger L.）愈伤组织，成功实现东莨菪碱（35.12 mg g-1）和莨菪碱（4.12 mg g-1）产量的显著提升。该成果为药用植物次生代谢物工业化生产提供了经济高效的技术方案，具有重要制药应用价值。

　　

在医药领域，莨菪碱（atropine）和东莨菪碱（scopolamine）作为重要的抗胆碱能药物，广泛应用于消化系统解痉、麻醉辅助和帕金森病治疗。然而这些具有复杂化学结构的托烷类生物碱（tropane alkaloids）人工合成成本极高，目前主要依赖茄科植物提取。传统种植方式受季节限制且含量不稳定，而化学合成路线又面临反应步骤繁琐、收率低等问题。如何通过生物技术手段实现高效、稳定的规模化生产，成为困扰制药行业的共性难题。

针对这一产业瓶颈，Rasoul Heydaranajad Giglou团队在《BMC Plant Biology》发表的研究中，创新性地将LED光源调控与氨基酸诱导技术相结合，建立了天仙子（Hyoscyamus niger L.）愈伤组织高效生产体系。研究人员采用B5培养基（含2 mg L^-1 2,4-D和1 mg L^-1 BA）诱导叶片愈伤组织，系统比较了黑暗（D）、白光（WLED）、蓝光（BLED）和红光（RLED）四种光照条件与不同浓度甘氨酸（0-8 mg L^-1）的协同效应，通过HPLC（高效液相色谱）、分光光度法等技术定量分析代谢物积累。

关键技术方法包括：1）建立天仙子无菌苗及愈伤组织培养体系；2）LED光源处理系统（波长：蓝光460-470nm，红光620-630nm）；3）甘氨酸浓度梯度诱导；4）次生代谢物含量测定（HPLC分析莨菪碱/东莨菪碱，分光光度法检测总酚/黄酮等）；5）生理指标评估（鲜重/干重、抗氧化活性等）。

【Effect of LED light quality and Gly on fresh(FW) and dry weight(DW) of callus】

蓝光（BLED）与4 mg L^-1甘氨酸组合使愈伤组织生物量达到峰值，鲜重（3.77 g/愈伤组织）和干重（0.77 g/愈伤组织）显著高于黑暗对照组，表明该条件最利于细胞增殖。

【Effect on total phenolic content(TPC),total flavonoid content(TFC)】

BLED处理下，8 mg L^-1甘氨酸使总酚含量（TPC）提升至76.84 mg g^-1，4 mg L^-1组总黄酮（TFC）达67.16 mg g^-1，证实蓝光能协同甘氨酸激活苯丙烷代谢途径。

【Total carbohydrates(TCc) and total amino acids(TAMc)】

4 mg L^-1甘氨酸使BLED组的碳水化合物（1.75 mg g^-1）和氨基酸（6.69 mg g^-1）含量最高，说明该条件优化了碳氮代谢平衡。

【Total alkaloid content(TAKc)】

蓝光处理使总生物碱（TAKc）达5.99 OD g^-1 DW，2 mg L^-1甘氨酸对生物碱合成促进作用最显著。

【Tropane alkaloid content】

BLED与8 mg L^-1甘氨酸组合使莨菪碱产量达4.12 mg g^-1，而4 mg L^-1组东莨菪碱高达35.12 mg g^-1，较黑暗对照提升约300%。

研究结论揭示，蓝光通过激活光受体（如隐花色素）调控鸟氨酸代谢流向托烷生物碱合成，而甘氨酸作为氮源前体可能通过促进谷氨酸合成间接强化该通路。这种物理（LED）与化学（甘氨酸）诱导的协同策略，使东莨菪碱产量达到文献报道的悬浮培养体系的3倍以上。该技术方案具有设备简单、操作成本低的优势，为工业化生产高价值药用生物碱提供了新思路，同时为其他药用植物的代谢调控研究提供了范式参考。未来研究可进一步解析蓝光-甘氨酸协同作用的分子机制，并通过代谢工程手段优化代谢流分配。