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植物合成生物学：植物细胞大规模培养的新机遇
合成生物学
2025, 6 (5):
1107-1125.
DOI:10.12211/2096-8280.2024-095
植物细胞培养（plant cell culture， PCC）作为一种极具发展潜力的生物合成平台，具有生长周期短、成本效益高、无病原危害、次生代谢产物丰富等优势，在医药、食品和保健等领域备受关注。然而，生产效率不足是限制PCC应用于商业化生产的最大阻碍，其中，遗传转化效率低、调控网络复杂、细胞结团及遗传稳定性差是主要困难。合成生物学遵循自下而上的工程化建造理念，对天然植物细胞进行精准设计与改造，为开发高效、经济可行的植物细胞工厂提供了新的解决方案。本文回顾了PCC作为合成平台在生产重组蛋白和次生代谢产物中的研究现状。重点探讨了植物合成生物学对PCC在工业化发展中的推动作用，包括优质植物细胞系的构建、遗传转化体系的优化、表达系统的优化、生产效率与产能的提升以及赋予植物细胞合成异源产物的能力。未来，PCC的发展更需强调合成生物学理念和技术在突破当前技术瓶颈中的关键作用，以促进植物细胞大规模培养的进一步发展。
表1
植物细胞大规模生产的商业化案例
正文中引用本图/表的段落
20世纪初，德国植物学家Gottlieb Haberlandt提出植物细胞具有全能性的理论，为植物细胞离体规模化培养奠定了理论基础（图1）。在这一理论指导下，研究人员成功建立起了烟草、水稻、小麦、胡萝卜、红豆杉、人参、银杏等多种植物的离体细胞系［2-6］。这些离体植物细胞可以在合适的培养条件下进行大规模培养，用于生产紫草素、紫杉醇等天然产物和葡萄糖脑苷脂酶等重组蛋白，在生物制造领域展现出了巨大的潜力［7-10］。其中，德国Phyton生物科技公司利用PCC平台生产的抗癌药物成分紫杉醇，能够满足全球1/3的市场需求，被视为植物细胞大规模培养技术产业化应用的标志性事件［11］（表1）。在化妆品领域，来源于PCC的活性成分也备受关注。通过不同溶剂提取的多酚、酚酸、三萜、黄酮类化合物、芪类化合物等化学物质，已经被作为天然护肤成分用于商业化产品中［7］。在食品工业中，可可豆细胞在生物反应器中只需要7天即可收获，被用于大量制造巧克力的原料可可脂（
值得注意的是，目前基于PCC的商业化产品（表1）绝大部分仍使用未经遗传改造的天然植物细胞进行生产。这表明尽管植物细胞底盘在技术成熟度上落后于经典微生物底盘，但其强大的合成能力仍足以支撑某些复杂化合物或特定功能蛋白的工业化生产，并在经济效益上保持竞争力。相较于传统植株种植，植物细胞培养具有生长周期短，不受地理环境和季节气候影响等优势，同时避免了杀虫剂、除草剂或其他化学物质对环境的污染，能够高效生产在植株中积累量十分有限的天然产物［14-17］。与微生物细胞相比，植物细胞具备强大的翻译后修饰能力和精细的细胞区隔结构［18］，支持细胞色素P450等复杂膜蛋白的空间定位与催化活性，从而高效生产出其他方式产量有限的复杂天然产物或具有生物学活性的功能蛋白。相较于哺乳动物细胞培养，PCC不需要血清，成本更低，且不存在潜在的人类病原体污染问题和动物细胞可能涉及的伦理问题［19-20］。不仅如此，在种质资源保护方面，植物细胞的应用减少了对野生植株的依赖和破坏，且不存在转基因生物释放等转基因污染问题，在维护生态多样性和稳定性的同时能够有效地解决供需矛盾。
近年来，研究人员对植物细胞脱分化的分子作用机制有了更加深入的理解。因此，结合植物合成生物技术，可以通过人为干预促进外植体脱分化形成愈伤组织细胞。WOX4、WOX5、PAT1、SIWIND1、AtWRKY23和bHLH041等，都被报道在愈伤组织细胞或干细胞的形成过程中发挥着重要作用［55-60］。通过在拟南芥（A. thaliana）中过表达PAT1，成功促进了愈伤组织细胞的增加［55］。通过对这些脱分化相关的关键基因靶点进行调控，可以提高愈伤细胞形成的效率和质量，甚至有望突破不同物种和外植体部位在诱导体系上的差异限制，开发出广谱的植物细胞诱发方法。
2.0 mg/L NAA； ... Isolation of the main biologically active substances and phytochemical analysis of Ginkgo biloba callus culture extracts 1 2023 ... 20世纪初，德国植物学家Gottlieb Haberlandt提出植物细胞具有全能性的理论，为植物细胞离体规模化培养奠定了理论基础（ Plant cell culture technology in the cosmetics and food industries: current state and future trends 3 2018 ... 20世纪初，德国植物学家Gottlieb Haberlandt提出植物细胞具有全能性的理论，为植物细胞离体规模化培养奠定了理论基础（
近年来，研究人员对植物细胞脱分化的分子作用机制有了更加深入的理解.因此，结合植物合成生物技术，可以通过人为干预促进外植体脱分化形成愈伤组织细胞.WOX4、WOX5、PAT1、SIWIND1、AtWRKY23和bHLH041等，都被报道在愈伤组织细胞或干细胞的形成过程中发挥着重要作用［ Artemisinin production by plant hairy root cultures in gas- and liquid-phase bioreactors 1 2016 ... 此外，未分化的PCC（包括DDC和CMC）在长期培养中容易通过体细胞突变的积累而发生遗传变异，而分化组织培养物（毛状根细胞和茎尖细胞）由于遗传和代谢上的稳定性更适合特定产物的生产.毛状根是发根农杆菌侵染植物后产生的不定根，不需要额外添加激素就可以实现快速、稳定的生长，在生物反应器中培养的青蒿毛状根可以产生1.12 mg/g细胞干重的青蒿素［ Hairy root cultures of Panax vietnamensis, a promising approach for the production of ocotillol-type ginsenosides 1 2016 ... 此外，未分化的PCC（包括DDC和CMC）在长期培养中容易通过体细胞突变的积累而发生遗传变异，而分化组织培养物（毛状根细胞和茎尖细胞）由于遗传和代谢上的稳定性更适合特定产物的生产.毛状根是发根农杆菌侵染植物后产生的不定根，不需要额外添加激素就可以实现快速、稳定的生长，在生物反应器中培养的青蒿毛状根可以产生1.12 mg/g细胞干重的青蒿素［ Enhancement of anthraquinone production and release by combination of culture medium selection and methyl jasmonate elicitation in hairy root cultures of Rubia tinctorum 1 2017 ... 此外，未分化的PCC（包括DDC和CMC）在长期培养中容易通过体细胞突变的积累而发生遗传变异，而分化组织培养物（毛状根细胞和茎尖细胞）由于遗传和代谢上的稳定性更适合特定产物的生产.毛状根是发根农杆菌侵染植物后产生的不定根，不需要额外添加激素就可以实现快速、稳定的生长，在生物反应器中培养的青蒿毛状根可以产生1.12 mg/g细胞干重的青蒿素［ High-yield BMP2 expression in rice cells via CRISPR and endogenous αAmy3 promoter 2 2024 ... Heterologous synthesis of recombinant proteins in plant cells
本文的其它图/表
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