植物干细胞生物合成技术推动植物源农药产业快速发展

植物含有丰富的碳水化合物、蛋白质、脂肪等营养物质，以及大量的次级代谢产物。在医药、香料、染料、颜料、农药、食品添加剂等领域有着悠久的应用历史[1]。长期以来，植物资源已成为人类赖以生存的重要食物和药物资源之一。植物次生代谢产物是植物生长发育所必需的一大类小分子有机化合物，对植物的抗逆、抗病、抗虫具有重要作用。

目前，已报道的植物次生代谢产物主要有生物碱类、黄酮类、醛类、木脂素类等，种类多达数万种。现在，一些次级代谢产物已经发展成为具有广泛社会需求和重要应用价值的商业产品。例如，青蒿素用于治疗痢疾，紫草素用于抗菌，香兰素和玫瑰油用作香料，除虫菊酯、苦参碱和藜芦碱用作杀虫剂，蛇麻子酚、香芹酚和小檗碱广泛用于防治痢疾。农业疾病。

随着新型药用植物的研究和先进技术的投入，越来越多的具有高生物活性的药用植物新次生代谢产物被发现，对植物资源的需求越来越大。除野生采集外，药用植物人工栽培仍是提供原料的主要方式。人工栽培对植物种子、土壤、气候条件等要求较高，栽培过程中易感染病害，部分药用植物栽培时间长，管理成本高。与此同时，药用植物种植与农作物种植的矛盾日益突出[1]，高活性植物次生代谢产物供需紧张[2]。

目前，利用植物干细胞生物反应技术在体外大规模喂养诱导的植物单细胞，获得大量高活性的靶代谢产物，是解决药用植物资源问题的有效途径。

一、植物干细胞的概念与发展

植物组织培养和细胞培养始于19世纪下半叶。德国植物生理学家Habedandt在Schleiden和Schwann建立的细胞学说的基础上，于1902年提出了著名的“植物干细胞全能性”论证[3]，认为植物干细胞具有在体外发育成完整植物的能力.然而，直到 1934 年 White [4] 使用分离的番茄根建立了第一个活跃生长的克隆，体外根培养实验才真正成功。 23年后，Skoog和Miller [5] 发现激动素能有效促进外植体的细胞分裂和芽再生。最重要的是，高激动素/生长素比诱导芽形成，低激动素/生长素比促进根形成。这一发现为植物组织培养中的再生和细胞工程奠定了基础，揭开了激素调节植物器官再生的秘密。缪尔等。 [6] 建立了第一个使用万寿菊愈伤组织的植物干细胞悬浮系统。他们成功地观察到单个细胞可以通过愈伤组织喂养的方式分裂成小的细胞团。 1958 年，Steward 等人。同年，德国科学家 Reinert [8-9] 也获得了类似的研究结果。此后，经过研究人员50多年的不断验证，植物干细胞的全能性得到了充分验证。

2. 植物干细胞生物反应技术

与常规栽培技术相比，植物组织细胞培养在生产药用植物目标次生代谢产物方面具有显着优势。 [10] 与栽培植物不同，植物干细胞生物反应技术采用工业反应器生产系统及配套的回收工艺，在自动控制系统的支持下可实现全年不间断运行。它不受土壤环境、气候条件、生物和非生物胁迫的影响。整个养殖周期控制无菌环境，无需使用农药，防止病虫害和杂草的侵袭。同时，植物干细胞生物反应提供的基础营养素价格低廉，与哺乳动物、昆虫和酵母细胞培养系统相比成本效益更为显着。

作为生物合成的底盘细胞，植物干细胞在合成植物来源的天然代谢物方面具有先天优势。与细菌不同，植物干细胞作为真核系统，具有正确折叠和组装聚合物蛋白的能力。此外，植物干细胞可以对许多原核生物中很少发生的蛋白质进行翻译后修饰，为生物合成途径的调控增加了更多可能性。植物干细胞在目标产物的生物合成过程中不会产生细菌毒素，合成体系更加安全。此外，植物干细胞含有复杂的内膜，可以成功表达初级生物合成过程中需要定位在质体系统中的关键蛋白酶。

表 1. 不同生物合成底盘的比较

物种	优点	缺点
病菌	遗传物质简单，易于基因组测序、转化和大规模培养，生长迅速，培养体系成熟	难以实现翻译后修饰，缺乏内质网导致CYP450芳香化酶损伤，底物和产物抑制，可能有细菌内毒素
酵母	遗传物质简单，易于转化和规模化养殖，生长迅速，养殖体系成熟	基因工程操作复杂，缺乏翻译后修饰
藻类	遗传物质简单，易于规模化栽培，光合自养，具有翻译后修饰，培养体系成熟	缺乏有效的基因工程工具，生长周期长
植物干细胞	易于规模化培养，基因工程工具成熟，生长速度适中，翻译后修饰，存在内膜系统，基因工程细胞调控问题少	非模式植物干细胞的获取不确定，代谢调控网络不那么复杂
原生植物	无需构建生物合成途径，基因工程工作强度低，毒性耐受性大，生产潜力大	下游产品加工难度大，生长周期长，消耗大量土地等自然资源
化学合成	易于规模化生产，合成简单快速	难以合成具有多手性的植物次生代谢产物，涉及危险化学品，对环境不友好，被标记为人工合成

 

植物细胞遗传转化方法成熟稳定。随着新的基因编辑工具的发展，调控外来基因的表达不再是难事。通过对代谢途径的研究，可以对目标产物生物合成路线的关键基因和限速酶进行基因操作，提高目标产物的生物合成。还可以利用基因工程技术探索或人工创造新的生物合成途径，以获得背景细胞品种不能合成的其他目标代谢产物。将底盘细胞的优势与目标代谢物的合成能力相结合，显着提高产量。同时，通过生物反应转化，将价值低的前体物质转化为价值高的目标产物。植物干细胞生物反应技术作为解决资源问题的有效途径，已成为现代生物技术的重要发展领域之一。

作为生物合成的底盘，植物干细胞显示出其独特的优势。转基因或基因编辑工程细胞不是完整的植物品种，面临的监管问题较少。然而，从非模式植物中获取天然干细胞存在不确定性，高度复杂的代谢网络调控机制也给生物合成工作带来了前所未有的挑战。

表2.植物干细胞生物催化合成案例[13]

植物品种	基质	结果	反应类型
普通烟草	芳樟醇	二氢芳樟醇	羟基化、糖基化、氧化还原
普通烟草	α-松油醇	羟基萜品醇
普通烟草	t-白藜芦醇	t-紫杉醇
长春花	华法林	华铁灵醇
长春花	香叶醇、橙花醇、香芹酮	羟基新二氢香芹酚
长叶海棠	香芹酮	二氢香芹酮、异二氢香芹酚
甘草	罂粟碱	罂粟醇
积雪草	硫秋水仙碱	单葡糖基衍生物
罂粟	水飞蓟宾	水飞蓟宾-7-O-β-D-吡喃葡萄糖苷
罂粟	可酮	可待因
胡萝卜	可酮	可待因

 

三、植物毛状根生物反应技术

植物材料生物反应工厂中最常用的生产系统是干细胞悬浮培养。但在特殊情况下，某些特定的次级代谢产物可能在未分化的组织中不产生，或者某些植物次级代谢产物的合成高度依赖于特定的组织器官。毛根生物反应技术提供了另一种解决方案。毛根生物反应技术是利用发根农杆菌感染植物产生毛根。

该技术不需要外加生长调节剂和额外光源，生长迅速，分支多，特定次级代谢产物含量远高于细胞悬浮培养。毛状根的生物反应还受到营养成分、诱导剂、前体和基因操纵等因素的影响，被认为是获得植物次生代谢产物的最佳原料之一。

表3. 植物毛状根生物催化合成案例

植物品种	基质	结果	反应类型
参	洋地黄	洋地黄毒苷	硬脂酸酯化、羟基化、糖基化、氧化还原、甲氧基化
普通烟草	t-白藜芦醇	t-Pieceatannol, t-Peterostilbene, Piceid
半边莲	没食子酸	β-氨基葡萄糖
卡拉达那	伞形酮
何首乌	1,4-苯二醇	熊果苷
冬樱桃	对苯二酚	熊果苷
烟草	t-白藜芦醇	青青
何首乌	七叶树内酯	七叶甙
曼陀罗	羟基苄醇	天麻素
Cyanotis 蛛形纲	青蒿素	脱氧青蒿素
当归	香叶醇	芳樟醇
当归	香叶醇	香茅醇
莳萝	香叶醇	α-松油醇
颠茄	三甲氧基苯乙酮	三甲氧基苯乙醇
普通烟草	t-白藜芦醇	叔芪

 

目前，利用毛状根生物反应技术作为生物合成和转化的合适材料正在获得优于植物干细胞培养生物反应的优势。它们具有许多优点，包括生化和遗传稳定性、对培养条件变化的低敏感性、与亲本植物非常相似的酶潜力和低成本。

 

四、植物干细胞培养的发展现状及研究进展

• 全球产业化状况

多年来，通过植物干细胞生物反应技术生产药用成分取得了很大进展。目前，已研究的植物有400多种，能产生600多种初级和次级代谢成分，其中相当一部分具有药用价值，部分已成功实现工业化生产。早在1956年，美国的Routier和Nickell就提出了植物干细胞培养合成天然产物的专利[10]。 1983年，日本三井石油化学公司宣布紫草素作为染料和药物工业化生产。此外，实现了地黄细胞培养生物转化地高辛、黄连细胞培养生产黄连碱、人参根培养生产人参皂苷等工业化生产。其他细胞培养，如长春花、紫苏等也达到了中试水平[12]。通过红豆杉干细胞培养技术，紫杉醇生物合成达到1045mg/L，比亲本植物高出298倍以上。积雪草总苷合成量达到1670mg/g DW，已完全满足产业化需要。比利时Green2chem和法国Naturex等公司积极利用植物毛根生物反应技术，成功实现了尼古丁、西利马素、紫杉醇、奎宁、毛喉素等20多种高价值药用成分的生物合成。在中国，新大陆生物对植物细胞微泡作为药物传递介质进行了研究。截止2018年，公司已完成天使轮融资，建成了上万吨的植物干细胞生物反应设备。 2022年初，美国辉通斥资30亿元在徐州启动PCF植物干细胞生物反应“超级工厂”建设。建成后预计实现销售收入70亿元。

 

• 生物合成助推植物源农药产业快速发展

几步可通千里。 成都新盛作物科技有限公司. （以下简称“新盛生物”）成立20多年来，专注于绿色农业的发展，是行业领先的植物源生物农药科技企业。植物源农药的有效成分多为天然、高活性的次级代谢产物，具有降解快、环境相容性好、残留低等特点，符合当前环保发展趋势和市场需求继续增长。但随着工业化进程的推进，药用植物资源问题将很快成为高活性天然产物应用的技术瓶颈。

 

Newsun通过愈伤组织诱导、植物干细胞悬浮培养、毛根诱导等植物干细胞培养技术，在植物干细胞生物反应技术研究方面取得重要进展。

 

Newsun通过植物组织干细胞诱导技术，获得了10余种具有生物合成开发潜力的植物底盘细胞材料。经过生物反应条件优化，干细胞产量达到550g/L。通过基因工程技术，成功实现了目标代谢产物chassis的异源表达，完成了多工程细胞代谢通路关键基因的重构。并成功实现目标代谢物生物合成中试技术研究。为推进目标天然产物品种产业化的技术目标奠定了坚实的基础。

 

五、植物干细胞生物反应技术的展望

长期盲目采集珍稀药用植物，导致生态环境遭到破坏。许多野生植物濒临灭绝。在一些特殊的生态环境中很难引进植物。可引种栽培的植物需占用大量农田。在耕地面积日益减少和我国18亿亩（1公顷=15亩）耕地红线保障的制约下，药用植物的规模化种植受到严重制约。此外，人工栽培受环境因素制约。天然植物中目标次级代谢产物含量过低，成分复杂，给工业化利用造成了较高的开发成本壁垒。由于天然高活性药物产品结构复杂，手性中心数量众多，传统的化学合成技术已不能满足生产技术的需要。面对上述诸多问题，科学工作者通过探索大量高等植物干细胞和器官的培养技术，生产出有用的次级代谢产物，具有重大的社会意义[14-16]。

根据 中国植物源农药行业竞争现状分析及企业投资策略研究报告s，我国是世界农药生产大国和使用大国，而生物农药（含农用抗生素）占农药总量的比例不足12.5%，远低于国际平均水平。生物农药受国家政策支持，符合当前环保消费趋势，市场增长快。植物源农药作为生物农药的重点品种，具有广阔的发展前景。

成都新闻，作为一家从事原创生物技术研发的生物农药科技企业，致力于通过植物干细胞生物反应技术的创新突破，解决植物源农药产业化瓶颈，为保护植物源做出贡献。生态环境与促进农业绿色发展。未来，Newsun将继续以农作物为科研方向，不断提高植物源农药的防治效果和降低使用成本，推动植物源农药产业的快速发展。

 

新阳作物科学网站： http://www.cdxzy.com

电子邮件： [email protected]

参考：

[1] 王文兰, 黄显荣, 张丽萍 药用植物干细胞发酵培养研究进展[J] 实用医学杂志，20070724（07）

[2] 胡善群, 梁汝岱, 李彤, 等 药用植物悬浮细胞培养技术研究进展[J] 种子技术, 2021, 18(0007)

[3] Haberlandt G. Culturversuche mit isolierten Pflanzenzellen。 Akad Wiss Wien Math-naturw Classe, 1902, 61: 1–23.

[4] White P R. 离体番茄根尖在液体培养基中的潜在无限生长[J].植物生理学。 1934, 9: 585-600。

[5] Skoog F, Miller C O. 体外培养的植物组织生长和器官形成的化学调控。 Symp Soc Exp Biol, 1957, 11:118–130。

[6] Muir WH、Hildebrandt AC、Riker A J. 由单个分离细胞产生的植物组织培养物。科学，1954，119：877-878。

[7] Steward FC、Mapes MO、Mears K. 培养细胞的生长和组织发育。二。从自由悬浮细胞生长的培养物中的组织。 Am J Bot, 1958, 45: 705–708.

[8] Reinert J. Morphogenese und ihre kontrolle an gewebekulturen aus carotten。 Naturwissenschaften, 1958, 45: 344–345.

[9] Reinert J. Über die kontrolle der morphogenese und die induktion von adventivembryonen an gewebekulturen aus karotten。植物群，1959，53：318-333。

[10]李盛,李伟 植物组织培养原理与技术[M]北京:化学工业出版社,2007,10

[11] 罗凯, 胡廷章, 罗建平, 植物干细胞培养生产次生代谢产物的研究进展[J] 石珍国医国药, 2007, 18(10)

[12] 余芳 喜树细胞培养体系的建立及喜树碱A、B的生物合成及工艺调控 [D] 大连理工大学, 2005

[13]Abdulhafiz Ferid、Mohammed Arifullah、Reduan Mohd Farhan Hanif 等。植物细胞培养技术：产生高价值次级代谢产物的有前途的替代方法[J].阿拉伯化学杂志，2022 年，104161。

[14]Baebler S、CamIoh M、Kovac M 等人。茉莉酸刺激红豆杉细胞悬浮培养中紫杉烷的产生。P1anta Med, 2002, 68: 475。

[15] 戴俊贵：寻找世界中药的生物技术研究进展。首都医药, 2001, 8(5): 4.11

[16] Godian THE ROLE OF BIOTECHNOLOGY IN THE MODERNZATION OF TRADITIONAL CHINESE MEDICINE Foreign Medicines and Botanicals, 1998, 13 (6): 257