植物干細(xì)胞生物合成技術(shù)-推動(dòng)植物源生物農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展(植物生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用) 分享
發(fā)布時(shí)間:2023-10-10 15:15:00 來源:轉(zhuǎn)載 訪問量:
植物中富含碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)也含有大量次生代謝產(chǎn)物。其在藥品、香料、染料、色素、殺蟲劑、食品添加劑等領(lǐng)域具有悠久的應(yīng)用歷史[1]。長(zhǎng)期以來,植物資源己經(jīng)成為人類賴以生存的食物與藥品的重要資源之一。植物次生代謝產(chǎn)物是植物體中存在的一大類非生長(zhǎng)發(fā)育所必需的小分子有機(jī)化合物,但在植物抗逆及抵御病蟲害等方面發(fā)揮著重要作用。
目前已報(bào)道的植物次生代謝產(chǎn)物主要包括生物堿、黃酮類、醛類、木脂素等,其種類達(dá)到數(shù)萬種以上。目前,部分次級(jí)代謝產(chǎn)物已被開發(fā)成商業(yè)化產(chǎn)品,具有廣闊的社會(huì)需求與重要的應(yīng)用價(jià)值。例如,青蒿素被用于痢疾的治療,紫草素用于抗菌,香蘭醛、玫瑰油用作香料,除蟲菊素、苦參堿、藜蘆堿用作殺蟲劑,蛇床子素、香芹酚、小檗堿等已被廣泛用于農(nóng)業(yè)病害的防治。
隨著對(duì)新品類藥用植物的研究以及先進(jìn)技術(shù)的投入,越來越多的具有高生物活性的新型藥用植物次生代謝產(chǎn)物相繼被發(fā)現(xiàn),對(duì)植物資源的需求正不斷增加。除野生采集外,藥用植物的人工栽培仍是目前提供原材料的主要途徑。人工栽培對(duì)植物種子、土壤、氣候條件等要求較高,栽培過程中易感染病害、部分藥用植物栽培時(shí)間長(zhǎng)、管理成本高。同時(shí),藥用植物栽培與農(nóng)作物栽培的爭(zhēng)地矛盾日益突出[1],高活性植物次生代謝產(chǎn)物供需關(guān)系緊張[2]。
而利用植物干細(xì)胞生物反應(yīng)技術(shù)對(duì)經(jīng)誘導(dǎo)生成的植物單細(xì)胞進(jìn)行大規(guī)模集中離體飼喂,以大量獲得高活性目標(biāo)代謝產(chǎn)物是目前解決藥用植物資源問題的有效途徑。
一、植物干細(xì)胞概念及發(fā)展
植物組織培養(yǎng)與細(xì)胞培養(yǎng)開始于19世紀(jì)后半葉,在Schleiden和Schwann創(chuàng)立的細(xì)胞學(xué)說基礎(chǔ)上,1902年德國(guó)植物生理學(xué)家Habedandt提出了著名的″植物干細(xì)胞全能性″論點(diǎn)[3],認(rèn)為植物干細(xì)胞具有在體外發(fā)育成完整植株的能力。但直到1934年,White[4]使用離體的番茄根部建立了第一個(gè)活躍生長(zhǎng)的無性系,才使根的離體培養(yǎng)試驗(yàn)首次獲得了真正的成功。二十三年后,Skoog和Miller[5]發(fā)現(xiàn),激動(dòng)素可以有效地促進(jìn)外植體的細(xì)胞分裂和芽再生。其中最重要的是,高激動(dòng)素/生長(zhǎng)素比例誘導(dǎo)芽的發(fā)生而低激動(dòng)素/生長(zhǎng)素比例促進(jìn)根的發(fā)生。這一發(fā)現(xiàn)奠定了植物組織培養(yǎng)中再生和細(xì)胞工程的基礎(chǔ),揭開了激素調(diào)控植物器官再生的秘密面紗。Muir等人[6]利用萬壽菊愈傷組織建立了首個(gè)植物干細(xì)胞懸浮系。他們通過愈傷組織哺育方法成功地觀察到單個(gè)細(xì)胞可以分裂形成小的細(xì)胞團(tuán)。1958年,Steward等人[7]將胡蘿卜根韌皮部的細(xì)胞進(jìn)行離體培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞失去已分化細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征并發(fā)生反復(fù)的細(xì)胞分裂,最終形成胚胎并發(fā)育成具有根、莖、葉等器官的完整植株。同年,德國(guó)科學(xué)家Reinert[8-9]也獲得了類似的研究結(jié)果。此后,經(jīng)過研究人員50余年的不斷驗(yàn)證,植物干細(xì)胞的全能性已經(jīng)得到充分驗(yàn)證。
圖1. 不同品種的植物干細(xì)胞
二、植物干細(xì)胞生物反應(yīng)技術(shù)
與常規(guī)的栽培技術(shù)相比,植物組織和細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行藥用植物目標(biāo)次生代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)具有顯著的優(yōu)越性。[10]與栽培植物不同,植物干細(xì)胞生物反應(yīng)技術(shù)使用工業(yè)化反應(yīng)器生產(chǎn)系統(tǒng)及配套回收工藝,在自動(dòng)控制系統(tǒng)的加持下,可實(shí)現(xiàn)全年不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)。不受土壤環(huán)境、氣候條件、生物及非生物脅迫的影響。全培養(yǎng)周期無菌環(huán)境控制,無需使用農(nóng)藥防治病蟲草害的侵?jǐn)_。同時(shí),植物干細(xì)胞生物反應(yīng)所供給的基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)成分價(jià)格低廉,與哺乳動(dòng)物、昆蟲、酵母細(xì)胞培養(yǎng)體系相比,成本效益更加顯著。
在作為生物合成底盤細(xì)胞方面,植物干細(xì)胞合成植物源天然代謝產(chǎn)物具有先天的優(yōu)勢(shì)。與細(xì)菌不同,植物干細(xì)胞作為真核系統(tǒng),它們具有正確折疊和組裝多聚體蛋白質(zhì)的能力。此外,植物干細(xì)胞能夠進(jìn)行在許多原核生物中很少發(fā)生的蛋白質(zhì)翻譯后修飾,為生物合成通路調(diào)節(jié)增添了更多可能性。植物干細(xì)胞在對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行生物合成時(shí),不會(huì)產(chǎn)生細(xì)菌毒素,合成系統(tǒng)安全性更高。另外,植物干細(xì)胞包含復(fù)雜的內(nèi)膜,能夠順利表達(dá)需定位于質(zhì)體系統(tǒng)的原生生物合成過程關(guān)鍵蛋白酶。
表1. 不同生物合成底盤情況對(duì)比
植物細(xì)胞遺傳轉(zhuǎn)化方法成熟穩(wěn)定,隨著新基因編輯工具的發(fā)展,異源基因的表達(dá)調(diào)控不再困難。通過對(duì)代謝途徑的研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物生物合成路線關(guān)鍵基因、限速酶進(jìn)行遺傳操作,提高目標(biāo)產(chǎn)物生物合成量。亦可利用基因工程技術(shù)探索或人工創(chuàng)造全新生物合成路線,獲得本底細(xì)胞地盤品種不具備合成能力的其他目標(biāo)代謝產(chǎn)物。將底盤細(xì)胞的優(yōu)勢(shì)及目標(biāo)代謝產(chǎn)物合成能力相結(jié)合,大幅提升產(chǎn)量。同時(shí),通過生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化作用,能夠?qū)r(jià)值較低的前體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值目標(biāo)產(chǎn)物。植物干細(xì)胞生物反應(yīng)技術(shù)作為解決資源問題的有效途徑而成為了當(dāng)代生物技術(shù)的重要發(fā)展領(lǐng)域之一。
圖2. 植物干細(xì)胞生物反應(yīng)
作為生物合成底盤,植物干細(xì)胞展現(xiàn)出了其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。轉(zhuǎn)基因或基因編輯工程細(xì)胞并非完整的植株品種,面臨更少的法規(guī)監(jiān)管上問題。但是,非模式植物原生干細(xì)胞獲取具有不確定性,高度復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制也給生物合成工作帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。
表2. 植物干細(xì)胞生物催化合成案例[13]
三、植物毛狀根生物反應(yīng)技術(shù)
植物材料生物反應(yīng)工廠中最常用的生產(chǎn)系統(tǒng)是干細(xì)胞懸浮培養(yǎng)。然而,在特殊情況下,未分化的組織中可能無法產(chǎn)生某些特定次生代謝產(chǎn)物,或某些植物次生代謝產(chǎn)物的合成高度依賴于特定的組織器官時(shí),毛狀根生物反應(yīng)技術(shù)提供了另一種解決方案。毛狀根生物反應(yīng)技術(shù)是利用發(fā)根農(nóng)桿菌浸染植物,使植物產(chǎn)生毛狀根。
圖3. 植物毛狀根生物反應(yīng)
該技術(shù)不需外源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和額外光源,生長(zhǎng)迅速、分支多、特定次生代謝物質(zhì)含量遠(yuǎn)高于細(xì)胞懸浮培養(yǎng)含量。毛狀根生物反應(yīng)同樣也受營(yíng)養(yǎng)成分、誘導(dǎo)子、前體和基因操作等因素的影響,是目前被認(rèn)為最好的獲得植物次生代謝產(chǎn)物的原材料之一。
表3. 植物毛狀根生物催化合成案例[13]
目前,使用毛狀根生物反應(yīng)技術(shù)作為生物合成轉(zhuǎn)化的適合材料,正在獲得超越植物干細(xì)胞培生物反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。它們具有許多優(yōu)點(diǎn),包括生化和遺傳穩(wěn)定性、對(duì)培養(yǎng)條件變化的敏感性較低、酶潛力與親本植物非常相似和低成本。
四、植物干細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展
1. 全球產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
多年來,通過植物干細(xì)胞生物反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)藥用成分取得了很大的進(jìn)展。目前已經(jīng)研究過的植物有400多種,能夠生產(chǎn)超過600多種的初級(jí)、次級(jí)代謝成分,其中有相當(dāng)大部分具有藥用價(jià)值,部分已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。早在1956年,美國(guó)Routier和Nickell就提出了從植物干細(xì)胞培養(yǎng)合成天然產(chǎn)物的專利[10]。日本三井石油化工公司于1983年宣布將紫草寧作為染料和藥物進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn),此外,從毛地黃細(xì)胞培養(yǎng)物通過生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)地高辛,黃連細(xì)胞培養(yǎng)物生產(chǎn)黃連堿,人參根培養(yǎng)生產(chǎn)人參皂苷等均實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。其他如長(zhǎng)春花和彩葉紫蘇等細(xì)胞培養(yǎng),也達(dá)到中試水平[12]。通過紅豆杉干細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),紫杉醇生物合成量達(dá)到了1045mg/L,較親本植株提升超過298倍。積雪草總苷類合成量達(dá)到1670mg/g DW,已完全滿足產(chǎn)業(yè)化需求。比利時(shí)Green2chem公司以及法國(guó)Naturex等公司積極利用植物毛狀根生物反應(yīng)技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了諸如煙堿、西利馬林、紫杉醇、奎寧、佛司可林等20余種高價(jià)值藥用成分的生物合成。在中國(guó),紐蘭生物將植物細(xì)胞微囊泡作為藥物遞送介質(zhì)開展研究,截至2018年,該公司完成了天使輪融資,已建成噸級(jí)以上植物干細(xì)胞生物反應(yīng)設(shè)備。2022年初,美國(guó)Phyton公司投資30億元在徐州開工建設(shè)PCF植物干細(xì)胞生物反應(yīng)″超級(jí)工廠″,建成后預(yù)計(jì)銷售收入達(dá)70億元。
2. 生物合成助推植物源農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展
不積跬步,無以至千里。成都新朝陽作物科學(xué)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱″新朝陽″)成立二十余年來,始終專注于農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展,是行業(yè)領(lǐng)先的植物源生物農(nóng)藥科技企業(yè)。植物源農(nóng)藥有效成分多為天然高活性次級(jí)代謝產(chǎn)物,其具有降解速度快、環(huán)境相容性好、低殘留等特點(diǎn),符合當(dāng)下環(huán)保發(fā)展潮流,市場(chǎng)需求量持續(xù)增長(zhǎng)。但隨著產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn),藥用植物資源問題即將成為高活性天然產(chǎn)物運(yùn)用的技術(shù)瓶頸。
圖4. 植物干細(xì)胞生物反應(yīng)技術(shù)基礎(chǔ)路線
新朝陽公司通過愈傷組織誘導(dǎo),植物干細(xì)胞懸浮培養(yǎng),毛狀根誘導(dǎo)等植物干細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),開展植物干細(xì)胞生物反應(yīng)技術(shù)研究,目前已獲得重要進(jìn)展。
圖5. 基因工程植物干細(xì)胞生物反應(yīng)階段性成果
新朝陽通過植物組織干細(xì)胞誘導(dǎo)技術(shù),目前已獲得超過10余種具有生物合成開發(fā)潛力的植物底盤細(xì)胞材料。經(jīng)過生物反應(yīng)條件優(yōu)化,目前干細(xì)胞產(chǎn)量已達(dá)到550g/L。通過基因工程技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)代謝產(chǎn)物的底盤異源表達(dá),完成了多個(gè)工程細(xì)胞的代謝通路關(guān)鍵基因重組構(gòu)建。并成功實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)代謝產(chǎn)物的生物合成小試技術(shù)研究。為目標(biāo)天然產(chǎn)物品種產(chǎn)業(yè)化技術(shù)目標(biāo)推進(jìn)頂定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
五、植物干細(xì)胞生物反應(yīng)技術(shù)展望
長(zhǎng)期對(duì)珍稀藥用植物的盲目采集致使生態(tài)環(huán)境遭到破壞,許多野生植物瀕臨滅絕,一些特殊生態(tài)環(huán)境下的植物引種困難,能夠引種栽培的植物則需要占用大量的農(nóng)田,在耕地面積日益減少及保證18億畝耕地紅線的制約情況下,藥用植物的大規(guī)模種植受到嚴(yán)重制約。此外,人工栽培受環(huán)境因素的制約,天然植株中目的次生代謝產(chǎn)物含量過低,成分復(fù)雜又給產(chǎn)業(yè)化利用構(gòu)建了極高的開發(fā)成本壁壘。天然高活性藥用產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜,手性中心數(shù)量多,傳統(tǒng)化學(xué)合成技術(shù)已無法滿足生產(chǎn)技術(shù)需求。面對(duì)上述諸多難題,科學(xué)工作者通過探索高等植物干細(xì)胞、器官等的大量培養(yǎng)技術(shù),生產(chǎn)有用的次生代謝產(chǎn)物[14-16],具有極大的社會(huì)意義。
據(jù)《中國(guó)植物源農(nóng)藥行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀分析及企業(yè)投資策略研究報(bào)告》顯示,中國(guó)是全球農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國(guó),而生物農(nóng)藥(含農(nóng)用抗生素)占農(nóng)藥總量的比例不足12.5%,遠(yuǎn)低于國(guó)際平均水平。生物農(nóng)藥受國(guó)家政策支持,符合當(dāng)下環(huán)保消費(fèi)潮流,市場(chǎng)增速快。植物源農(nóng)藥作為生物農(nóng)藥的關(guān)鍵種類,具備廣闊的發(fā)展前景。
新朝陽作為一家從事原創(chuàng)生物技術(shù)研發(fā)的生物農(nóng)藥科技企業(yè),通過植物干細(xì)胞生物反應(yīng)技術(shù)的創(chuàng)新突破,致力于解決植物源農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)化的瓶頸,為保護(hù)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展做出貢獻(xiàn)。未來,新朝陽持續(xù)以作物為科研導(dǎo)向,持續(xù)提升植物源農(nóng)藥的防治效果和降低應(yīng)用成本,推動(dòng)植物源農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]王文蘭, 黃賢榮, 張麗萍. 藥用植物干細(xì)胞發(fā)酵培養(yǎng)的研究進(jìn)展[J]. 實(shí)用醫(yī)藥雜志, 20070724(07).
[2]胡珊群, 梁汝黛, 李彤, 等. 藥用植物懸浮細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 種子科技, 2021, 18(0007)
[3]Haberlandt G. Culturversuche mit isolierten Pflanzenzellen. Akad Wiss Wien Math-naturw Classe, 1902, 61: 1–23.
[4]White P R. Potentially unlimited growth of excised tomato root tipS in a liquid medium[J]. Plant physiology. 1934, 9: 585-600.
[5]Skoog F, Miller C O. Chemical regulation of growth and organ formation in plant tissues cultured in vitro. Symp Soc Exp Biol, 1957, 11:118–130.
[6]Muir W H, Hildebrandt A C, Riker A J. Plant tissue cultures produced from single isolated cells. Science, 1954, 119: 877–878.
[7]Steward F C, Mapes M O, Mears K. Growth and organized development of cultured cells. II. Organization in cultures grown from freely suspended cell. 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. Planta, 1959, 53: 318–333.
[10]李勝, 李唯. 植物組織培養(yǎng)原理與技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007, 10.
[11]羅凱, 胡廷章, 羅建平, 植物干細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物的研究進(jìn)展[J]. 時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥, 2007, 18(10).
[12]于放. 喜樹細(xì)胞培養(yǎng)體系的建立與喜樹異堿A和B的生物合成及過程調(diào)控[D]. 大連理工大學(xué), 2005.
[13]Abdulhafiz Ferid, Mohammed Arifullah, Reduan Mohd Farhan Hanif, et al. Plant cell culture technologies: A promising alternatives to produce high-value secondary metabolites[J]. Arabian Journal of Chemistry, 2022, 104161.
[14]Baebler S, CamIoh M, Kovac M, et al. Jasmonic acid stimulates lates taxane production in cell suspension culture of yew.P1anta Med, 2002, 68: 475.
[15]戴君貴. 尋找曾經(jīng)擁有的世界-傳統(tǒng)中藥的生物技術(shù)研究進(jìn)展.首都醫(yī)藥, 2001, 8(5): 4.11.
[16]果德安. 生物技術(shù)在中藥現(xiàn)代化研究中的作用. 國(guó)外醫(yī)藥植物藥分冊(cè), 1998, 13(6): 257.
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