十一年前写的有关植物化学组的文章，是我对植物化学作为一门学科的认识。摘录如下：

1.2  植物化学组学的定义

植物的次生代谢产物是天然存在的重要生物小分子，是生物多样性在分子水平上的体现。植物化学组(phytochemomes)是植物次生代谢产物的总和，在生物多样性的不同层次（生态多样性、物种多样性、生物小分子多样性、生物大分子多样性、基因多样性等）中占有重要的地位，在植物生命过程中起着重要的作用。次生代谢物质是植物生命过程中已经发生的生物学事件，植物化学组学是关于定量描述植物体内源性次生代谢物质的整体性及其对内因和外因变化应答规律的科学。植物化学组从生命科学的角度研究植物的化学成分，在分离鉴定植物化学成分的基础上，对其整体性及动态变化规律进行检测、量化和编录，研究植物次生代谢产物在植物生命过程的功能和意义。植物化学组从小分子角度认识植物生物系统，是系统生物学的重要组成。

植物化学组是植物次生代谢产物的天然组合。作为天然存在的生物分子，传统的植物化学往往从天然有机化学的角度研究植物的化学成分,以提取、分离和结构测定为主要目的，往往孤立的、静态的看待单一的化合物，即使与生物学相结合，也只关注于筛选个别的活性分子。植物化学组学从生命科学的角度研究植物的化学成分，着眼于从少量的植物材料（包括植物培养系）中高速、大量地分离鉴定植物的化学成分（从一种植物中可分离到100个以上不同类型的化合物），揭示植物化学组的分子多样性，建立植物化学组的指纹图谱库、化学库和信息系统。从动态性与整体性出发，揭示植物次生代谢产物在植物生命过程中的作用及其机制。当前，迅速发展的GC-MS, LC-MS 以及LC-NMR等化学分析与结构测定的联用设备，以及不断完善的信息处理系统，为植物化学组的实施构建了必要的技术平台。

越来越多的研究结果表明，生物小分子通过与大分子的相互识别、相互作用和信息传递来调控功能蛋白质的生理作用，是调节和启动蛋白质功能的钥匙。美国NCI所长Klausner亦指出：“发现、优化和发明小分子化合物来探测、干扰生理活性靶点的方法将会是后基因时代的一个具有中心地位的研究工具”。植物化学组通过整体的分子效应，对植物的生长发育、器官形成、遗传变异等生命过程进行调控，在植物与外界环境的相互作用中具有重要的信号识别、信息传递、响应与防御等功能，是植物对环境影响的主动应答并产生环境饰变的分子基础。（图1-1）

图1-1 植物化学组学与蛋白质组学和基因组学的关系

植物化学组学在收集分子信息的基础上，从植物生物体系的整体性和动态性出发，研究这些次生代谢产物在植物繁殖、生长发育、变异、进化和与外界环境互作中的功能与作用，以及动态变化规律。并通过生物技术手段，研究这些次生代谢产物的生物合成途径及其机制，阐明代谢途径和生物合成的关键酶及其相关联的基因以及调控机制。通过生物信息学的信息集成，整合大量的生物学与化学信息，通过植物化学组学与蛋白质组学和基因组学信息的综合分析，阐明植物生命现象的本质。因此，植物化学组学也是植物化学生物学的重要研究领域。

1.3  植物化学组的特点

植物化学组是植物中天然存在的生物分子，由于植物生命体系的复杂性，植物化学组是一个多维的、多层次的、动态的、开放式的复杂体系，并具有以下的特点。

1.3.1  植物化学组的多样性 

植物的次生代谢产物是天然存在的重要生物小分子。从分布于世界各地不同类群的高等和低等植物中已分离到成千上万的植物化学成分。据统计，所有植物的代谢产物总和可达90,000-200,000种（邱，2004）。植物化学组不仅分子结构类型多样，数量繁多，生源途经多元，而且具有多种多样的生物学功能和生理活性，是生物多样性在分子水平上的表现，在生物多样性的不同层次（生态多样性、物种多样性、生物小分子多样性、生物大分子多样性、基因多样性等）中占有重要地位，在植物生命过程中起着重要的作用。

植物化学组的分子多样性表现在一种植物不仅含有相同结构类型的多个分子，而且还存在多种不同结构类型的化合物。同时，每一物种的植物化学组还随着植物的地理分布、生长环境、生态习性、生命节律等而发生相应的变化。显然，植物化学组的分子多样性是植物生命活动过程中对外界环境不断适应和相互交流的结果。

1.3.2  植物化学组的整体性

植物化学组是在植物生命过程中，以光合作用诱导的基础代谢产生的前体化合物为起始物，通过酶催化进一步衍生形成的次生代谢产物的总和。植物化学组的生物合成具有生源上的相关性。植物化学组通过整体的分子效应，对植物的生长发育、器官形成、遗传等生命过程进行调控，在植物与外界环境的相互作用中发挥重要的信号识别、信息传递、以及反应与防御功能，不仅是植物生长发育的分子基础，也是对环境影响的主动应答并产生环境饰变的分子基础。

1.3.3  植物化学组的稳定性

植物化学组分子的生物合成受特异的功能基因调控。因此，植物化学组是每个物种特有的化学信息，其形成和积累是可以遗传的。基因组决定每个物种独特的植物化学组的基本类型。在基因的调控下，植物化学组的分子进化与植物的种群变异、形态进化与系统发育均具有相关性。植物化学组不仅具有物种的特异性，而且还具有系统的亲缘性。植物化学组成不仅在同一物种中相对稳定，而且在近缘植物中存在明显的相似性，体现了植物个体发育与系统发育的统一性。

1.3.4  植物化学组的动态性

植物化学组的形成和积累，以及在植物体内的分布不仅随植物的生命节律而变化，而且还随外界环境的影响发生变化。植物化学组的动态性不仅表现在量的变异上，也表现在质的变异上。在植物生长发育的不同阶段，在植物体的不同部位均体现出植物化学组的动态性。同时，由于环境因子的多维性，居群(population)对环境产生相应的生态适应性，植物与生态环境的互作的结果，造成植物化学组的变异，形成不同的化学型(chemotype)。植物化学组动态性的代谢调控及其机制是植物生命过程的分子基础，也是植物生物学本质的重要表现。

1.4  植物化学组学的研究内容

1.4.1  植物化学组的分子多样性及其形成机理

应用现代天然有机化学与传统植物化学的研究方法，分离植物的天然分子，鉴定化学结构，阐明植物化学组分子多样性，是植物化学组学的首要任务。为此，少量样品中微量成分的快速分离，以及微量化合物的结构测定是关键的技术环节。天然产物化学学科发展的历史证明，新技术、新方法的应用具有重要的意义。为了阐明植物化学组分子多样性及其形成规律，必需建立并不断完善整体性及动态性的微量检测技术，采集分子信息，进行集成与综合分析，构建多维的、开放式的综合技术体系。 

次生代谢产物在植物体内的形成过程是在功能酶（蛋白质组学）的调控下进行的。五彩缤纷、结构多样的植物小分子的来源是植物化学生物学的“黑箱”。生源学说(biogenesis)提供了多种生物合成途径，例如：异戊二烯法则、莽草酸途径、醋酸学说等。随着同位素示踪技术和分析化学手段的发展，以及植物化学组学的研究，将不断证明生源的假说，阐明终端产物的生物合成前体(precursors）以及各种中间产物的形成和积累规律，为人类控制植物天然产物的生产提供知识基础。在植物化学组分子多样性的形成中，功能酶（生物大分子）与生物小分子之间的相互作用过程是一个复杂的体系，其作用的形式不仅是化学键的断裂、组合或重排，还有许多弱的相互作用和影响，例如：氢键、偶极作用、范德华力，以及能量传递和信号传递的复杂变化和结构重组等。建立相应的研究方法与技术体系是植物化学组学的重要研究内容。

1.4.2 植物化学组在植物系统发育中的意义

系统发育(phylogeny)是生物形成和进化的历史。在细胞生命出现之前，进化主要表现在分子层次上，生物分子的起源和进化是生物进化的初始阶段。细胞生命出现后，进化在生物分子、细胞、组织、器官、生物个体、种群等各个层次上发生。经典的系统发育研究（系统分类学）主要以生物的表型(phenotype)特征为依据，通过表型的比较研究物种之间的进化关系。分子进化是生物进化中的基本进化。生物大分子的进化主要表现在DNA分子的变异。DNA不同位点的缺失、插入、重组、倒位、交换等变异片段编码多肽，使多肽链的氨基酸序列发生变化，形成与其祖先存在差异的分子。因此，在核酸和蛋白质分子组成的序列中，蕴藏着生物进化的遗传信息。检测蛋白质氨基酸序列，是研究分子进化的一个基本方法，分析核酸和蛋白质组成的差异，可以估测物种间的亲缘关系。与地质学和古生物学等学科知识相结合得到生物进化的分子钟(molecular clock)，可推测生命史上进化事件发生的时间，以及物种在进化历程中发生歧变的时间。从而根据分子水平上的进化关系，构建生物的分子进化系统树(phylogenetic tree)，从基因水平上为植物物种的起源与分化，物种间以及各类群间的系统发育提供分子证据。

由于生物大分子的同源性，分子的进化速率相对稳定，且具有一定的保守性。重要的功能大分子进化频率明显偏低。因此，生物大分子的进化不同于表型的进化。木村资生(M. Kimura)(1968)提出的分子进化中性学说(Neutral Theory of Molecular Evolution)，认为生物的进化主要是中性突变在自然群体中随机“遗传漂变”的结果，与自然选择无关。在生物分子层次上的进化改变不是自然选择作用于有利突变而引起的，而是在连续的突变压之下由中性突变的随机固定造成的。因此，遗传漂变是分子进化的基本动力。这一理论在现代生物科学的水平上，发展了达尔文的进化学说。

植物化学组的分子进化通常以碳链的增加、骨架的形成、以及氧化程度等为表现形式。植物化学组的分子多样性是在基因的调控下，与生物大分子相互作用的结果。具有亲缘关系的植物种类往往存在类似的植物化学组。植物化学组作为植物生命的物质代谢过程中形成的终端分子，其基本的类型与样式是植物物种特有的分子标记(molecular markers)，是植物种质资源的分子基础。系统比较植物化学组分子多样性在各类群中的分布规律，探讨分子进化的规律，有助于阐明植物的种系发生与进化，为植物的种群进化和系统发育提供分子证据(Gorinstein, 1995; Stashenko, 2000)。以往的植物化学分类学以特征成分的有无为依据，讨论分类单位之间的相似关系。植物化学组则以次生代谢产物生物合成途径为基础，从分子多样性的角度，以整体性和动态性的观点，探索分子进化在植物系统演化中的作用与意义。

1.4.3 植物化学组对植物个体发育的调节功能

被子植物的个体发育是植物从受精开始，通过细胞增殖、胚胎发生，器官形成、开花、授粉受精、结实等复杂而有序的生命过程。本质上，植物个体发育过程由遗传基因所调控，由于植物的生长发育与外界环境有密切的相关性，也受到环境因子的影响。对植物个体发育过程的基因表达及其调控机理的研究，尤其是从分子、细胞、器官到整体不同层次上探讨植物生长发育过程，及其与环境互作的机制与规律，不仅在发育生物学有重要的理论意义，而且也将在农业实践中发挥重要的作用。

在植物的生命过程中，以次生代谢为特征的植物化学组在植物的生长发育及其与外界环境因子的相互作用中具有十分重要的调控作用。通常称为内源植物激素的植物小分子，如：赤霉素类、吲哚乙酸类、细胞分裂素类（腺嘌呤类）、脱落酸类、油菜甾醇类、茉莉酸类、以及近年发现的水杨酸类等在高等植物的个体形成、器官分化发育与衰老、物质运输、开花、果实成熟等生命过程中，在对外界环境的感应与适应方面发挥重要的生理调控作用。例如，茉莉酸类衍生物不但能促进植物衰老和抑制生长，还可诱导抗逆境相关物质的形成、诱导抗病虫害及抗逆基因的表达。同时，茉莉酸还作为信号分子诱导胁迫反应，使未受伤部位和邻近植株进入警戒状态。植物内源激素的研究已成为植物生物学的热点。应用植物化学组学的理论与方法，从次生代谢的整体性和动态性的角度，揭示植物生命过程的分子调控及其规律将开拓性新的研究领域，对于揭示植物生命过程的分子机理有着重要的意义。

1.4.4 植物化学组与植物物种生物学

种群(population) 是一个物种生长在同一地区的个体的集合，是物种存在的基本形式，也是生物群落和生态系统结构与功能的基本单位。在多种外界因子的作用下，通过自然选择，种群的遗传结构和空间结构相互作用，种群的个体数量随时间的推移而产生变化。种群的动态变化是由个体间可遗传的变异和适合度(fitness)的差异产生的，是表型(phenotype)的迁移导致基因频率变化产生的基因流(gene flow)。种群个体中存在大量的表型和遗传变异，是植物发生适应性进化的动力。因此，种群是进化和选择的基本单位，揭示种群的动态规律，是阐明物种进化机制的钥匙。种群中普遍存在植物化学组的多态性(polymorphism)现象，这是植物与外界环境互作的结果。生态因子诱导植物化学组产生化学饰变，形成化学型(chemotype)。化学型是种群的动态与变异的分子表型。研究种群中植物化学组不同的化学型形成的规律与机理，不仅可以从分子水平上揭示种群的生物学特性，阐明物种变异和分布的规律，以及进化的趋势，对发展分子植物亲缘地理学(phylogeography)，以及促进生态系统的可持续发展，保护种质资源等均有重要的意义(Raamsdonk, 2001; Oessner, 2001)。 

1.4.5 植物化学组在植物与外界环境相互关系中的作用与功能

1.4.5.1 植物化学组与植物的逆境反应(Bednarek, 2001; von Röpenack, 1998)

植物生长在外界环境之中，不仅从生理上水平上和细胞水平上对环境胁迫产生对抗，而且从分子水平上也产生适应反应，诱导或抑制一些分子的形成，从而产生适应的系统。与低温、干旱、盐碱、高温等非生物胁迫因子相比较，伤害是植物面临的最严重的逆境之一。植物化学组不仅是植物与环境因子互作的信号分子，还是植物对抗外界胁迫因子的防御分子。胁迫环境因子对植物化学组有显著的影响，植物体存在着对病原和伤害反应的两个特异的信号转导途径。伤害信号途径和病原信号途径存在着交叉。许多植物的内源激素，如：脱落酸(ABA)、乙烯(ETH)、生长素(IAA)、细胞分裂素(CTKs)、系统素(systemin)、水杨酸(SA)、茉莉酸类(Jasmonic acid, JA)、Zeatin(玉米素)、油菜内酯等都参与伤害反应的信号转导。

1.4.5.2 植物化学组与化感作用

植物化学组是化感作用(allelopathy)的信号分子(Rice, 1984)。化感作用主要指植物与植物之间的信号交流与响应。化感物质(allelochemicals)在植物体内产生，通过挥发、淋溶、分泌、凋落物分解等方式进入到环境中，对其它植物的生长发育产生信号作用，抑制或促进这些植物的生长(Whittaker, 1970; Ragan, 2002)。同时，植物也可通过自身的解毒机制对化感作用产生响应，对环境中其他植物的毒性物质产生解毒作用(detoxification)。从植物化学组分子多样性的整体性出发，研究化感作用及其机理，对于控制与防除外来物种的入侵，保护濒危物种，以及种群生态系统的可持续发展等均具有重要的意义。

1.4.5.3 植物化学组与微生物侵袭

在植物与外界环境相互关系中，植物防卫素(phytoalexin)是抵御外界侵袭的防御物质。植物防卫素是多种结构类型小分子组成的植物化学组，不仅对微生物、昆虫、动物的侵袭和逆境（如低温、干燥等）有直接的保护作用，同时能通过信息传导诱导防御相关蛋白的合成，构筑植物的化学防御屏障(Dangl, 2001; VanEtten, 1994; Grayer, 1994)。植物防卫素的形成是动态的，其防卫功能是多分子协调作用的结果。同时，在植物与微生物互作过程（内生真菌、外生菌根、病原菌浸染等）中植物化学组是二者相互识别与应答的分子基础，也是协同进化的分子基础。

1.5  植物化学组的技术基础

    20世纪中期以来，随着分析测试技术的不断开发及其在化学与生物学中的应用，推动了化学的进步与分子生物学的产生。每一项技术的进步都有可能带来一次生物学研究的突破。如果没有DNA序列分析仪，质谱，超级计算机，基因组研究和蛋白质组研究只能是纸上谈兵。这些技术可以分为两大类。一类是以生物学原理为主设计的，例如多聚酶链式反应(PCR)技术、基因芯片和蛋白质芯片等。另一类则是基于物理和化学原理的，如电子显微镜、X射线衍射、质谱、核磁共振等。当前生物学的发展越来越依赖于高新技术。可以说，在“后基因组时代”，谁拥有先进技术，谁就是生物学研究的“领头羊”。

当前，从一种植物中分离100个以上不同类型的化合物已成为可能，迅速发展的色谱(GC, HPLC)，电泳(CE)，质谱(MS)、光谱(UV, IR)、波谱(NMR)等以及联用（GC-MS, LC-MS, LC-NMR）技术，加之计算机信息系统的不断完善，使分离与结构测定过程日益程序化，为植物化学组的实施构建了必要的技术平台。

植物化学组的研究还可在不同水平和层次上进行。例如，在分子水平、超分子水平、亚分子水平上，应用分子聚集体、分子组装体、亚细胞、细胞、细胞组或细胞群等，通过分子信息学、化学信息学、生物信息学及医药信息学的研究，揭示植物化学组在分子、基团、片段、原子、电子等不同层次上的结构表达、化学特性估计、生物功能预测、目标分子构建、以及定量构效关系等(Hall, 2002; Summer, 1996; Huhman, 2002; Bailey, 2000; Oliver, 1998; Bligny, 2001)。

生物技术的进步在植物化学组学的研究中起着关键的作用。以生物细胞、组织、以及酶系统为生物反应器，在可控的环境因子中，研究植物化学组的生物合成以及次生代谢的机理已成为植物化学组生物学研究的重要手段。　　

1.6  植物化学组与新药研制

植物化学组学的研究不仅对现代生物学的发展有深远的意义，在以植物药为基础的天然生理活性成分的发现以及新药的研制方面也有着广阔的应用前景。

1.6.1 发现生理活性先导化合物的天然分子库

发现新的靶点和新的先导化合物已成为创新药物研究的重要方向。植物化学组的分子多样性及其对多靶点的特异生理活性，为基因芯片大规模、高通量筛选天然药物和先导化合物提供了前景。通过“基因组－药靶－筛选－先导物－药物”的逆向药理学(reverse pharmacology)方法，以植物化学组的天然小分子为探针研究基因组的功能，从植物化学组多样性的化学库中发现天然药物和先导化合物，研究其作用机理和构效关系，揭示植物小分子在生命科学中的意义，是植物化学组研究的重要内容。

1.6.2 植物化学组的生物催化组合合成

生物催化组合合成(biocatalytic combinatorial syntheses)是植物化学组学的研究成果在组合化学合成中的应用，是天然产物化学和生物技术交叉的新的研究领域，其基本的思路是以植物培养系、微生物培养系、酶系统为生物反应器，对具有生物活性的天然产物进行化学结构的组合转化。通过氧化、氢化、配糖化、酯化等反应，以及母核结构与构型的转化，获得若干类似物或同系物，建立组合化学库。从而增加植物化学组的分子多样性，建立小分子的组合化学库。这将有利于发现生物活性高、毒性低的新的先导化合物和目标物质。同时，可通过转化条件的调控，大量生产该目标化合物(Geysen, 1984; Dordick, 1998; Leon, 1998)。生物催化组合合成是生物活性天然先导化合物结构优化与发现新药的重要途径。