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第九次课
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授课题目（教学章、节或主题）： 第五章 植物体内有机物的代谢 第一节 植物的初生代谢和次生代谢 第二节 萜类 一、萜类的种类 二、萜类的生物合成 第三节 酚类 一、酚类的种类
二、酚类的生物合成 三、简单酚类 四、木质素 五、类黄酮类 六、鞣质 第四节 含氮次生化合物 一、生物碱 二、含氰苷 第五节
植物次生代谢的基因工程 一、 花卉育种 二、 农作物性状改良 三、 药用植物的细胞工程与基因工程 |
教学器材与工具 |
多媒体设施、黑板与笔 |
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授课时间 |
第9周周一第1-3 节 |
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教学目的、要求（例如识记、理解、简单应用、综合应用等层次）： 1、
了解植物的初生代谢和次生代谢途径。 2、
理解萜类、酚类、含氮次生化合物的种类和生物合成途径。 3、
了解植物次生代谢的基因工程的情况。 |
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教学内容（包括基本内容、重点、难点）： |
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基本内容
第五章 植物体内有机物的代谢（Organic matters metabolism in plant）
第一节 植物的初生代谢和次生代谢(Primary metabolites and secondary metabolites of plant）
关于糖类、脂肪、核酸和蛋白质的合成和分解过程，在生物化学课程中已经讨论过，在此不重复。这里重点讨论它们之间的相互联系（图5-1）。
图5-1 植物体内各种主要有机物之间的联系
卡尔文循环、糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径是有机物代谢的主干，它筑起了生命活动的舞台，是各种有机物代谢的基础，这个主干来源于光合作用，形成蔗糖和淀粉；通过呼吸作用，分解糖类，产生各种中间产物，进一步为脂肪、核酸和蛋白质的合成提供底物。
糖和脂肪是相互转变的，因为甘油可逆转为己糖，而脂肪酸分解为乙酰辅酶A后可再转变为糖。氨基酸的碳架——α-酮酸主要来源于糖代谢的中间产物，糖与蛋白质也可以相互转变的。所以糖、脂肪和蛋白质之间可以互相转变，丙酮酸、乙酰辅酶A、α-酮戊二酸和草酰乙酸等中间产物在它们之间的转变过程中起着枢纽作用。
核苷酸的核糖来源于戊糖磷酸代谢，碱基则是由氨基酸及其代谢产物组成的。
糖类、脂肪、核酸和蛋白质等是初生代谢的初生代谢产物（primary metabolites），植物体中还有许多其他有机物，如萜类、酚类和生物碱等，它们是由糖类等有机物次生代谢衍生出来的物质，因此称为次生代谢产物（secondary metabolites）。植物的次生代谢产物可分3类：萜类、酚类和含氮次生化合物，它们的生物合成过程如图5-2所示。
图5-2 次生代谢产物合成主要途径及其与初生产物的联系
第二节 萜 类（terpene）
一、萜类的种类
萜类（terpene）或类萜（terpenoid）是植物界中广泛存在的一类次生代谢产物，一般不溶于水。萜类是由异戊二稀（isoprene）组成的。萜类化合物的结构有链状的，也有环状的（图5-3）。
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CH3 |
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｜ |
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（头） CH2=C-CH=CH2 （尾） |
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异戊二烯结构 |
萜类种类是根据异戊二烯数目而定，有单萜（monoterpene）、倍半萜（sesquiterpene）、双萜（diterpene）、三萜（triterpene）、四萜（tetraterpene）和多萜（polyterpene）之分（表5-1）。在植物细胞中，低分子量的萜是挥发油，分子量增高就成为树脂、胡萝卜素等较复杂的化合物，更大分子量的萜则形成橡胶等高分子化合物。
萜类对植物的作用是多方面的。
图5-5
萜类生物合成图解
第三节 酚 类（phenol）
一、酚类的种类
酚类（phenol）是芳香族环上的氢原子被羟基或功能衍生物取代后生成的化合物，种类繁多，是重要的次级产物之一，有些只溶于有机溶剂；有些是水溶性羧酸和糖苷，有些是不溶的大分子多聚体。根据芳香环上带有的碳原子数目的不同可分为几种（表5-2）
表5-2 酚类化合物的种类
酚类化合物广泛分布于植物体，以糖苷或糖脂状态积存于液泡中。在酚类化合物中，有决定花、果颜色的花色素和橙皮素，有构成次生壁重要组成的木质素，也有作为药物的芸香苷（路丁）、肉桂酸和肉桂醇等。
二、酚类的生物合成
植物的酚类化合物是通过多条途径合成的（图5-6），其中以莽草酸途径（shikimic acid pathway）和丙二酸途径（malonic acid pathway）为主。在高等植物，大多数通过前一种途径合成酚类；真菌和细菌通过后一种途径合成酚类。
图5-6 植物酚类物质的生物合成途径
（一）莽草酸途径
糖酵解产生的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和戊糖磷酸途径产生的D-赤藓糖-4-磷酸作用形成中间产物3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸（3-deoxy-D-arabinoheptulosonic
acid-7-phosphate），进一步环化成重要中间产物莽草酸。莽草酸再与PEP作用，形成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸（3-enolpyruvyl
shikimic acid-5-phosphate），脱去Pi，形成分支酸（chorismic acid）。分支酸是莽草酸途径的重要枢纽物质，它以后的去向分为两个分支：一个分支走向色氨酸，另一个分支是先形成预苯酸（prephenic acid），经过arogenic acid，然后再分支：一是形成苯丙氨酸（phenylalanine），另一是形成酪氨酸（tyrosine）（图5-7）。广谱除草剂草甘磷（glyphosate）之所以能除草，就是因为它能抑制催化莽草酸与PEP合成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸的酶。本途径存在于高等植物、真菌和细菌中，而动物则无，所以动物不能合成苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸这3种芳香族氨基酸，必须从食物中补充。
大多数植物次生产物是苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）作用下，脱氨形成桂皮酸（cinnamic acid）。PAL是初生代谢与次生代谢的分支点，是形成酚类化合物中的一个重要调节酶，它受内外条件影响，例如植物激素、营养水平、光照长短、病菌、机械损害等，可影响PAL的合成及其活性。
图5-7 莽草酸代谢途径
（二）丙二酸途径
本途径首先是1分子酰基CoA与3分子丙二酰CoA结合，脱羧，合成1分子多酮酸（polyketo
acid）。多酮酸通过各种方式发生环化作用，形成间苯三酚衍生物，由于它们的R基性质不同，于是形成许多不同的黄酮衍生物。
三、简单酚类
简单酚类（simple phenolic compound）广泛分布于维管植物。其结构有3类：1）简单苯丙酸（phenyl propanoid）类化合物，具苯环-C3的基本骨架，例如，反-桂皮酸（trans-cinnamic acid），对-香豆酸（para-coumaric acid）、咖啡酸（caffeic acid），阿魏酸（ferulic acid）；2）苯丙酸内酯（phenyl propanoic lactone）（环酯）类化合物，亦称香豆素A（coumarin）类，也具苯环-C3的基本骨架，但C3与苯环通过氧环化，例如伞形酮（umbelliforone），补骨脂内酯（psoralen lactone）、香豆素等；3）苯甲酸（benzoid acid）衍生物类，具苯环-C1的基本骨架，例如水杨酸（salicylic acid）、香兰素（vanillin）等（图5-8）。
2） 1） 3）
图5-8 不同类型的简单酚类化合物的结构
大多数植物酚类的生物合成是从苯丙氨酸开始的，经过PAL的作用，就形成各种简单苯丙酸类化合物、香豆素、苯甲酸衍生物、木质素、花色素苷、异黄酮、缩合鞣质及其他类黄酮（图5-9）。
许多简单酚类化合物在植物防御食草昆虫和真菌侵袭中起重要功能。
图5-9 从苯丙氨酸生物合成的酚类
四、木质素（lignin）
植物体中的木质素（lignin）数量很大，仅次于纤维素，居有机物的第二位。木质素是植物体重要组成物质，广泛分布于植物界。木质素是简单酚类的醇衍生物（如香豆醇、松柏醇、芥子醇，5-羟基阿魏醇）的聚合物，其成分因植物种类而异，例如松柏木质素含有许多的松柏醇，还有一些香豆醇和芥子醇；山毛榉木质素的松柏醇和芥子醇数量相近，而香豆醇则很少；单子叶植物（尤其是禾谷类）的木质素则含有极多的香豆醇。
木质素的生物合成是以苯丙氨酸和酪氨酸为起点的。首先，苯丙氨酸转变为桂皮酸，桂皮酸和酪氨酸又分别转变为4-香豆酸，然后，4-香豆酸形成了咖啡酸、阿魏酸、5-羟基阿魏酸和芥子酸，它们分别与乙酰辅酶A结合，相应地被催化为高能CoA硫脂衍生物，进一步被还原为相应的醛，再被脱氢酶还原为相应的醇，即4-香豆醇、松柏醇，5-羟基阿魏醇和芥子醇（5-10）。
图5-10 木质素的生物合成
P
上述四种醇类是组成木质素的基本单体，它们是在细胞质中形成的，经过糖基化作用，进一步形成葡萄香豆醇、松柏苷、5-羟基阿魏苷和丁香苷，再通过质膜运输到细胞壁，在β-糖苷酶作用下释放出相应的单体（醇），最后这些单体经过氧化和聚合作用形成木质素。
五、类黄酮类（flavonoid）
（一）种类
植物酚类化合物另一大类物质是类黄酮（flavonoid）。它是两个芳香环被三碳桥连起来的15碳化合物，其结构来自两个不同的生物合成途径。一个芳香环（B）和桥是从苯丙氨酸转变来的，而另一个芳香环（A），则来自丙二酸途径（图5-11）。类黄酮是由苯丙酸、ρ-香豆酰CoA和3个丙二酰CoA分子在查耳酮合酶催化下缩合而成的。
图5-11 类黄酮的基本骨架
根据
（二）功能
不同类黄酮具有不同功能：
1．呈现颜色 植物的色素主要有两类：类胡萝卜素和类黄酮。类胡萝卜素是光合作用的辅助色素，呈黄、橙和红色。类黄酮包含各种有色的物质，其中最普遍的有色类黄酮是花色素苷。花、果大部分呈红、淡红、紫和蓝等色，都与花色素苷有关。鲜艳花色可吸引昆虫而帮助传粉，鲜艳果实可吸引动物食用而传播种子。
花色素苷在C环部位3有糖，是葡糖苷；如果没有糖，则称为花色素（anthocyanidin）（图5-12）。花色素苷是黄酮类化合物，溶解于细胞液中，在植物界中分布极广，花、果实和叶片的颜色往往与它有关。花色素苷的颜色受许多因子影响，例如B环上的羟基和甲氧基数目，芳香酸对主要骨架的酯化和液泡中的pH值等。表5-3说明B环上取代基不同花色有差异。羟基数越多，吸收光向长波迁移，颜色偏蓝；羟基被甲氧基替代，吸收光向短波迁移，颜色偏红。同一花色素的颜色也会有变化，主要是受细胞液的pH决定，偏酸性时呈红色，偏碱性时为蓝色。低温、缺氮和缺磷等不良环境也会促进花色素的形成和积累。
图5-12 花色素和花色素苷的结构
表5-3 不同花色素的取代基和颜色
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花色素 |
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颜色 |
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花葵素(pelargonidin) 花青素（cyanidin） 花翠素（delphinidin） 芍药素（peonidin） 甲花翠素（petunidin） 二甲花翠素（malvidin） |
－H －OH －OH －OCH3 －OCH3 －OCH3 |
－OH －OH －OH －OH －OH －OH |
－H －H －OH －H －OH －OCH3 |
橙红 紫红 蓝紫 玫瑰红 紫 紫红 |
2．防御伤害 黄酮类和黄酮醇类不只存在于花器官，也存于绿叶中，由于这两类物质积累在叶和茎的表皮层，吸收紫外线B（UV-B，280～320nm），因此避免了细胞受到强烈UV-B的伤害，这两类物质允许可见光通过，不影响光合作用进行。最近实验证明，类黄酮类是植物的紫外光保护剂。缺乏查耳酮合酶活性的拟南芥突变体，不产生类黄酮，对UV-B较野生型敏感，在正常条件下生长极差。如果将UV-B过滤掉，植物就正常生长。
异黄酮类属于类黄酮，具有不同的功能，例如鱼藤根中的鱼藤酮（rotenone）有很强的杀虫作用；植株受细菌或真菌侵染后形成的植物防御素（phytoalexin）能限制病原微生物进一步扩散。
六、鞣质
在植物酚类多聚体中具有防御功能的，除了木质素外，就是鞣质（tannin，俗名丹宁），其相对分子质量大多数为600-3 000。鞣质可分两类：缩合鞣质（condensed tannin）和可水解鞣柔（hydrolyzable tannin）。缩合鞣质是由类黄酮单位聚合而成，相对分子质量较大，是木本植物的组成成分，可被强酸水解为花色素。可水解鞣质是不均匀的多聚体，含有酚酸（主要是没食子酸gallic acid）和单糖，相对分子质量较小，易被稀酸水解。
鞣质有毒，草食动物吃后明显抑制生长。鞣质在口腔中与蛋白质结合，有涩味。一些牲畜不愿吃鞣质含量高的植物，因为鞣质与肠中的蛋白质结合会形成不易消化的蛋白质——鞣质复合物。树干心材的鞣质丰富，能防止真菌和细菌引起的心材腐败。
第四节 含氮次生化合物
植物次生代谢产物中有许多是含氮的，大多数含氮次生产物是从普通的氨基酸合成的。这里，着重介绍植物含氮次生代谢产物中的生物碱和含氰苷等，它们都具有防御功能。
一、生物碱
生物碱（alkaloid）是一类含氮杂环化合物，通常有一个含N杂环，其碱性即来自含N的环。目前已发现含有生物碱的植物将近一百多个科，其中豆科、夹竹桃科、罂粟科、毛莨科、防己科、马钱科、茄科、芸香料、茜草科、石蒜科等多含生物碱。一科植物中常含多种结构相似的生物碱，如麻黄中已发现7种有机胺类生物碱。生物碱在植物体内的分布并不一致，如古柯碱（可卡因）集中在叶内，奎尼碱集中在树皮，香木鳖碱集中在种子，石蒜碱集中在鳞茎。
植物器官中的生物碱含量很低，一般在万分之几到百分之一二（象金鸡纳树皮那样含奎尼碱12%是极少的）。植物在不同生长时期所含生物碱的成分及含量常有不同。有些多年生的植物，随年龄增长，某部分的含量逐渐增加，如金鸡纳树皮的奎尼碱随树龄的增长而增加，小檗根中的小檗碱（黄连素）含量也随植物年龄增长而增加。植物生物碱含量亦受外界条件的影响而改变，如氮肥多时，烟碱含量就高。
生物碱的种类很多，其生物合成的前身也不同（表5-4）。
表5-4 主要的几类生物碱
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生物碱组别 |
结构 |
生物合成前身 |
例子 |
医用 |
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（Pyrrolidine）
（Tropane）
（Piperidine）
（Pyrrolizidine）
（Quinolizidine）
（Isoquinoline）
（Indole） |
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鸟氨酸 鸟氨酸 赖氨酸（或乙酸） 鸟氨酸 赖氨酸 酪氨酸 色氨酸 |
烟碱 阿托品可卡因 毒芹碱 倒千里光碱 羽扇豆碱 可待因吗啡 利血平 马钱子碱 |
兴奋剂、镇静剂 阻止肠痉孪，其他毒物解毒剂 中枢神经系统兴奋剂，局部麻醉剂 毒物（麻痹运动神经） 无 恢复心律 止痛药、止咳止痛药 治疗高血压、精神病 毒鼠药、治疗眼疾 |
生物碱是植物体氮素代谢的中间产物，是由不同氨基酸衍生来的，尤其赖氨酸、酪氨酸、色氨酸。烟碱（nicotine）是烟草中的主要生物碱。烟碱的生物合成是由天冬氨酸和3--磷酸甘油醛合成烟酸（nicotinic acid），进一步与精氨酸生物合成的中间产物鸟氨酸（ornithine）合成为烟碱（图5-13）。
图5-13 烟碱的生物合成
生物碱是核酸的组成成分，又是维生素B1、叶酸和生物素的组成成分，所以具有重要的生理意义；它对动物往往有毒性，所以也有防御敌害的意义。生物碱是重要药物的有效成分，许多中药的有效成分往往是生物碱，比如有平喘作用的麻黄，其有效成分是麻黄碱；有抗菌效果的黄连，其有效成分是小檗碱；有止痛作用的元胡，其有效成分是延胡索乙素等多种生物碱。现在西药常用的重要药品，最初还是从植物分离出来证实有效后化学合成的，例如从萝芙木分离出来的利血平，从金鸡纳树皮分离出来的奎宁等。在抗癌药物中有从长春花中分离出来的长春新碱，从粗榧分离的三尖杉酯碱，从美登木分离的美登木碱等。
二、含氰苷
含氰苷（cyanogenic glycoside）广泛分布于植物界，其中以豆类、禾谷类和玫瑰一些种类最多。
含氰苷本身无毒，但植物破碎后就会释放出有挥发性的毒物氰化氢（HCN）。在完整植物中，含氰苷存在于叶表皮的液泡中，而分解含氰苷的酶——糖苷酶（glycosidase）则存在叶肉中，互不接触。当叶片被咬碎后，含氰苷就与酶混合，含氰苷中的氰醇（cyanohydrin）和糖分开，前者再在羟基腈裂解酶（hydroxynitrile
lyase）作用下或自发分解为酮和HCN（图5-14）。昆虫和其他草食动物（如蛇、蛞蝓）取食植物后，产生HCN，呼吸就被抑制。木薯（manihot esculenta）块茎含较多含氰苷，一定要经磨碎、浸泡、干燥等过程，除去或分解大部分含氰苷后，才能食用。
图5-14 含氰苷被水解为氰化氢
第五节 植物次生代谢的基因工程
一、花卉育种
植物花的颜色与类黄酮有关，而查耳酮合酶（CHS）是类黄酮生物合成的关键酶，也是花色素合成的关键酶。陈章良等从矮牵中分离出CHS的cDNA，将cNDA与CaMV的35S启动子反向连接，再把此反义基因系统连到双元载体Bin19上，得到矮牵牛转基因植株，其花色从原来的紫红色变为粉红色并夹有杂白色或全白色，这种反义RNA技术为园艺学育种提供了一条新途径。
二、农作物性状改良
利用基因工程改变植物的次生代谢，可使植物合成新的植物抗毒素，以增加抗病能力，或抑制某些性状，以提高产品品质，例如，1,2一二苯乙烯合成酶是合成植保素白藜芦醇的关键酶，正常烟草不含这种酶。将花生的二苯乙烯合成酶转入烟草，烟草便合成此植保素，增强对灰葡萄孢菌（Botrytis cierea）的抗性。又如，用正义和反义序列的0-甲基转移酶基因转化烟草，就可以控制植物中木质素的合成。这对未来的蔬菜基因工程很有意义。
三、药用植物的细胞工程与基因工程
我国的人参、紫草等植物的细胞大规模培养获得成功。人参细胞培养已进入商业化生产；紫草细胞的发酵罐培养规模已达
发根农杆菌（Agrobacterium thigogemes）可感染植物受伤部位，菌中Ri上的T-DNA片段整合到植物细胞基因组内，诱导毛状根产生。近年来发根培养的研究颇多，已有100多种植物，其中包括利用青蒿的发根培养获得青蒿素。更重要的是，Ri质粒是一个很好的转基因载体，被用作提高药用植物的有效成分，例如把发根农杆菌转入颠茹，发根中的莨菪碱含量增加5倍。
小 结
由糖类等初生产物衍生出来的物质，称为次生产物。次生产物一般不再参加代谢，主要具有防御天敌的作用，亦是人类所需的药物和工业原料，
萜类根据异戊二烯数目可分为单萜、倍半萜、双萜、三萜、四萜和多萜等6种。它的生物合成途径有2条：甲羟戊酸途径和甲基赤藓醇磷酸途径。主要化合物有除虫菊、棉酚、冷杉酸、胡萝卜素、橡胶等。
酚类根据碳骨架不同，可分为简单酚类、木质素、类黄酮类、鞣质类和其他酚类等。酚类生物合成主要走莽草酸途径和丙二酸途径。主要酚类化合物有桂皮酸、咖啡酸、香豆素、水杨酸、没食子酸、木质素、花色素苷、鞣质等，可防御昆虫取食，决定花果颜色，有的还参与植物细胞壁的组成。
植物次生产物中有含氮次生化合物，大多数是从普通氨基酸合成的。生物碱是其中一大类，具有一个含N杂环，许多中药的有效成份是生物碱，现常用西药如利血平、吗啡等，最初也是从植物分离出来的。含氰苷本身无毒，但叶片破碎后会释放出HCN，抑制呼吸。木薯块茎含较多含氰苷，要妥善加工才能食用。
植物次生代谢的研究为细胞工程和基因工程打下理论基础，人们现在可以利用这些成果改良作物品种，花卉颜色和培养药用植物的有效成分。
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重点：本章重点讲授植物的初生代谢和次生代谢的相互联系途径；讲授植物体内萜类、酚类和含氮次生化合物的种类和生物合成途径。基因工程在花卉育种、农作物性状改良和药用植物的细胞工程中的应用。 难点：本章的难点是植物体内萜类、酚类和含氮次生化合物的种类和生物合成途径。 |
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教学过程设计（要求阐明对教学基本内容的展开及教学方法与手段的应用、讨论、作业布置）： 教学方法与手段：利用课件结合板书介绍植物的初生代谢和次生代谢的相互联系途径；植物体内萜类、酚类和含氮次生化合物的种类和生物合成途径；基因工程在花卉育种、农作物性状改良和药用植物的细胞工程中的应用。 作业和讨论： 1、由糖、脂肪酸、氨基酸等进一步衍生出来的次生代谢产物在植物生命活动中有什么作用？ 2、植物光合作用形成的初生代谢产物如何进一步转变为萜类，酚类和生物碱的？ 3、植物产生的次生代谢产物对人类有什么作用？ 4、木质素是怎样形成的？ |
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参考资料（含参考书、文献等）： 1.王忠主编，植物生理学，北京：中国农业出版社，2000 2.李合生主编，植物生理学，北京：高等教育出版社，2002 3.武维华主编，植物生理学，北京：科学出版社，2003 4.Taiz L, Zeiger E, Plant Physiology,
3nd edition, Sinauer Associates, Inc., Publishers, Sunderland,
Massachusetts, 2002 5.陈晓亚。植物次生代谢及其调控。见：余叔文，汤章城主编，植物生理与分子生物学，第二 版，科学出版社，北京，1998，390-400 6.陈晓亚，叶和春。植物次生代谢及其调控。见：李承森主编，植物科学进展（第1卷），高
等 教育出版社，北京，1998，293-304 |
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