1、生物技术进展生物技术进展 2023 年 第 13 卷 第 1 期 65 71Current Biotechnology ISSN 2095-2341进展评述进展评述Reviews药用植物分子农场研究进展孙卉，张春义，姜凌*中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081摘 要：植物分子农场可以利用植物生产具有药物用途的重组蛋白或者次生代谢化合物，应用广泛。随着对动植物中具有药物用途的代谢途径的深入解析，代谢途径中关键限速酶或调控蛋白的功能不断被明确，如何选择植物分子农场的底盘植物和遗传改造途径等问题，特别是如何协同提高植物制药产量与品质一直是植物分子农场体系建立中面临的关键科学问题。综述了药用
2、的植物分子农场的最新研究进展，着重介绍了底盘植物的选择与药用植物分子农场的构建策略，以期为提高分子农场应用效果提供有力的科技支撑。关键词：药用成分；植物分子农场；蛋白设计；基因编辑DOI：10.19586/j.20952341.2022.0156 中图分类号：Q943.2，S567 文献标志码：AProgress of Plant Molecular Farming in Pharmaceutical UseSUN Hui，ZHANG Chunyi，JIANG Ling*Biotechnology Research Institute，Chinese Academy of Agricultur
3、al Sciences，Beijing 100081，ChinaAbstract：Plant molecular farming producing recombinant proteins or secondary metabolic compounds of pharmaceutical uses has great potential to be widely used in different therapeutical situation.With the continuous progress of metabolic pathways involved in pharmaceut
4、ical uses in animals and plants，more and more key rate-limiting enzymes or regulatory proteins have been identified.However，how to select the baseplate plant and genetic transformation methods，especially，how to efficiently manufacture high quality of pharmaceuticals from plants and improve the yield
5、 has always been one of the key scientific issues.This paper reviewed the key factors for the establishment of plant molecular farming，focued on the application of new technologies such as protein molecular design and gene editing involved in the process，and put forward the latest strategies for the
6、 establishment of plant molecular farms，and provided scientific and technological support for improving the efficiency of molecular farms of pharmaceutical uses.Key words：pharmaceutical uses；plant molecular farming；protein design；gene editing分子农场这个概念最早于1986年提出，指以微生物和动植物为载体，外源表达具有药物功能的蛋白质（例如疫苗、抗体、激素或
7、细胞因子）和各类化合物（酚类、黄酮类、莨菪碱类）1。其中利用转基因植物为载体的植物分子农场产品具有广泛的化学多样性，可以应用于食品、饲料、医药和生物材料等领域。以较低成本表达药物用途的蛋白质和生物功能化合物是当前的热点研究领域和新兴科研前沿，在明确药用成分分子积累机制的基础上，综合考虑目标蛋白的性质、目标基因的表达和其他因素，选择适合的底盘植物和表达系统，能够较快获得转基因植物材料并进行扩繁；然后通过药用成分的提取和纯化，或者直接采收食用，可以获得对人体健康有益的疫苗与抗体、药用蛋白和药用功能的其他化合物；最后通过动物实验和转基因安全评价，将药用的植物分子农场产品应用于市场（图1）2。与基于细
8、菌、真菌、昆虫或哺乳动物细胞培养的传统系统相比，植物分子无法进收稿日期：20220901；接受日期：20221011基金项目：国家自然科学基金项目（31870283）；中国农业科学院创新工程项目（CAAS-ZDRW202010）。联系方式：孙卉 E-mail:；*通信作者 姜凌 E-mail:生物技术进展生物技术进展 Current Biotechnology行哺乳动物病毒的复制，不会让人们感染人畜共患病或者动物病毒，而且还能确保非天然蛋白质的正确组装、折叠和糖基化，具有更灵活的可扩展性3-4。植物分子农场的底盘植物选择和遗传改造方式选择一直是研究者面临的挑战，同时如何提高植物制药产量与品质也
9、是植物分子农场体系构建过程中面临的关键科学问题之一。本文综述了药物植物分子农场的构建过程进展，着重介绍分子设计和基因编辑等新兴技术在植物分子农场的应用，提出了建立植物分子农场的最新策略，以期为提高人为设计药用植物分子农场产出效率提供新的研究思路。1分子农场中的底盘植物植物是食品和药品的天然制造农场。植物分子农场可以大规模快速且条件可控地生产药物，因此成为应对突发疫情危机的良好技术措施。选择合适的底盘类型，仅需68周就可以应用于治疗药物或疫苗的生产，而常规动物疫苗制备需要6个月（表1）1。用于植物分子农场的材料可以是整株植物，如烟草、大米和大豆，也可以是其他基于植物的系统，例如悬浮植物细胞或者特
10、定的组织培养、水生植物、苔藓、藻类，甚至是来自植物细胞的体外转录和翻译系统5。1.1整株植物使用整个植物作为植物分子农场底盘材料时，通常是以叶片或者种子作为存储组织。烟草、莴苣、苜蓿和大豆叶片由于其生物量大和高含量的可溶性蛋白质，目前已被广泛应用于生产高水平的重组蛋白质（表1），例如埃博拉病毒抗体、艾滋病抗体和胰岛素原等6-9。种子也是产生药用蛋白质的重要来源，特别是在发展中国家，可以增加穷人获得关键药物的机会，减少对发酵罐和冷链储存和分销的限制，进一步降低了植物分子农场的总体成本。目前玉米、大麦、水稻和小麦等谷物是积累高水平蛋白质的重要粮食作物，其中玉米可用于生产艾滋病病毒抗体，大麦可用于生
11、产细胞生长因子，大豆可用于生产疫苗和凝血因子，水稻可用于生产溶菌酶和乳铁蛋白等10-15。1.2毛状根与悬浮细胞系毛状根是一种不定根的肿瘤性增殖，由植物细胞与革兰氏阴性土壤细菌发根农杆菌自然转化而成。发根来自农杆菌根诱导质粒的 T-DNA片段稳定插入宿主植物的核基因组。T-DNA 序列两个边界之间的起始位点可以被具有药用价值的异源基因所替代。成熟的毛状根培养物具有在液体培养基和无菌条件下无限期繁殖的优势，并且不会在周围环境中传播外源基因16。目前药用植物的毛状根具有较高的生物合成能力，与传统体外培养相比，在植物次级代谢产物上具有更高的遗传和生化稳定性17。例如在胡萝卜中提高酚类、黄酮类和槲皮素
12、含量18，金盏花中提高酚酸和黄酮类含量19，茄科赛莨菪中提高莨菪碱、山莨菪碱和东莨菪碱等化合物的含量20，板蓝根中提高黄酮类含量21等。毛状根还可以通过外源激发图1药用植物分子农场基本框架Fig.1Basic framework for pharmaceutical plant molecular farm66孙卉，等：药用的植物分子农场的研究进展剂22、人工多倍体23和 CRISPR/Cas9基因编辑24等方法大规模生产次级代谢产物。悬浮细胞系比毛状根更容易控制生产条件。目前在烟草悬浮细胞系BY2中可以便捷地添加稳定剂来提高蛋白质稳定性，实现高产，例如在烟草BY-2细胞中生产的人血清白蛋白产
13、量高达11.88 mg mL-1 25，生产青蒿素的产量高于120 mg kg-1鲜重26。还可以通过基因编辑突变BY-2细胞用于生成“聚糖友好”的底盘植物，重组蛋白不含植物复合型聚糖27。烟草NT-1细胞（CONCERT系统）可以生产经美国农业部批准作为兽医疫苗的分子农业产品血凝素神经氨酸酶糖蛋白28。烟草悬浮细胞 ZMapp可以生产治疗埃博拉出血热的3种单克隆抗体组成的混合物29。另外，胡萝卜悬浮细胞ElelysoTM已用于生产美国食品和药物管理局批准的第一种用于人类的分子农业产品葡萄糖脑苷脂酶，这种蛋白可用于治疗一种家族性糖脂代谢疾病戈谢病30。1.3浮萍、苔藓和微藻浮萍是水生高等植物，
14、具有生长繁殖快、易于采收、蛋白质含量高和可有效表达复杂蛋白质的优势，目前已经用于生产聚糖工程单克隆抗体、生物仿制药和兽药4。苔藓，特别是小立碗藓能够在大型光生物反应器环境中表达复杂的人类重组蛋白31。莱茵衣藻是研究最多的微藻物种之一，目前已有专用于克隆和表达重组DNA的分子工具包32，能够表达抗癌症的免疫毒素蛋白、针对单纯疱疹病毒糖蛋白D的大型单链抗体和糖尿病相关的谷氨酸脱羧酶。以上几类植物分子农场还需要优化适合最大化生长规模、均匀气体交换和光扩散的光生物反应器5。2药用植物分子农场的构建策略药用的植物分子农场主要是利用植物分子农场生产药物用途的化合物，例如疫苗与抗体、药用蛋白和生物功能化合物
15、。与微生物和动物体系相比，植物只需要土壤、光和水等条件就可以生成药用化合物，价格相对便宜，并且随着密码子优化、细胞特异性启动子和N-聚糖的人源化以及遗传改造方式的技术进步，大大提高了植物的生产速率，例如瞬时转染技术使得转染植株短短数日内就可以收获，效率较高。因此，药用植物分子农场的快捷性使其特别适合个性化医疗1。值得注意的是，每类植物分子农场根据其产物的不同，其构建策略也各有侧重。表1不同类型分子农场的优缺点Table 1Advantages and disadvantages cons of different types of molecular farms类型细菌酵母动物细胞培养植物细胞
16、培养拟南芥紫花苜蓿和三叶草烟草油菜和红花番茄土豆和胡萝卜豌豆、大豆和花生小麦和大麦水稻和玉米优点快速繁殖、无场所限制快速增殖、无场所限制、蛋白质产量高周期长、类人蛋白修饰、蛋白质产量高、无场所限制周期短、维护和生产成本低、蛋白质产量高生物信息完整、基因组小、表达系统简单且成熟产量高、用于动物疫苗、容易繁殖产量高、表达系统成熟、可以快速扩大规模油体纯化技术适合脂溶性产物可食用、温室栽培可食用、特定的储藏器官蛋白质含量高、生产成本低储藏期间的产物稳定、生产成本低储藏期间的产物稳定、产量高、提取方便、生物信息完整、表达系统成熟易于转化、生产成本低缺点需要诱导才能产生产物、有治疗风险、无法产生复杂产品需要诱导才能产生产物维护和生产成本高、需要诱导才能产生产物、产生的蛋白大小有限制、有治疗风险需要诱导才能产生产物、产生的蛋白大小有限制、聚糖修饰可能导致过敏反应不适用于商业大规模应用生产存在过多草酸、叶片中蛋白质稳定性较低存在有害生物碱、叶片中蛋白质稳定性较低生物量低、聚糖修饰与油体积累不匹配培育成本高、需冷藏、受季节影响食用前必须煮熟、淀粉含量较高表达水平低需考虑粮食作物安全问题、产量低、转化难
