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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3
常见体外植物细胞系诱导条件
正文中引用本图/表的段落
DDC是植物受伤后在伤口表面新生的组织细胞，由原有细胞脱分化形成。愈伤组织细胞需要培养在特定的激素培养基中，以保持其未分化状态。目前大部分文献中报道的体外培养植物细胞主要指DDC［3，21］。根据DDC的形态、生理特性或功能可将其划分为不同亚群，如易碎型或致密型、胚性或非胚性等。将植物细胞分散后转移到液体培养基中获得悬浮细胞，可以在大规模生物反应器中进行培养，符合GMP（Good Manufacturing Practice）程序，其中，易碎型DDC质地疏松，更适合体外悬浮培养。DDC是植物细胞悬浮培养用于生产高附加值产物最为常见的细胞材料，被用于生产白藜芦醇、阿魏酸、利血平、花青素等［13］。拟南芥（Arabidopsis thaliana L.）和烟草作为研究最深入的模式植物，相应开发出的悬浮细胞系被广泛用于植物细胞生长调控机制、蛋白互作和重组蛋白表达等相关研究，如拟南芥来源的T87和PSB-D细胞系、烟草来源的BY-2（Nicotiana tabacum L. cv bright yellow 2）和NT-1细胞系［22-25］。其中，BY-2被称为“植物中的HeLa细胞”，具有生长速度快、细胞周期同步和易于遗传转化的特点。仅需一周时间，细胞数量即可增加80～100倍［26］。值得注意的是，BY-2细胞已丧失光合作用能力而成为专性异养细胞，而T87、PSB-D等其他的细胞系能够在光照条件下重新生成可进行光合作用的叶绿体［27］。
植物细胞系的构建受外植体部位、培养基成分和激素配比等多因素的综合影响，其中最关键的因素是细胞分裂素（6BA、KT、TDZ、ZT等）与细胞生长素（2，4-D、NAA、IAA等）的浓度和配比关系［51-53］。虽然已经有许多植物细胞成功进行体外培养，但由于不同物种之间的遗传特性差异以及不同外植体部位对激素的响应速度不同，诱导条件往往存在很大的差异。不同物种来源的植物在诱导过程中需要重新对外植体部位、培养基和不同激素配比进行筛选，这些由物种和外植体部位特异性带来的差异，不仅增加了细胞系构建的难度，也限制了植物细胞工业化开发的效率（表3）。
植物细胞拥有多种功能性亚细胞区室（如叶绿体、线粒体、内质网和液泡等），为其作为生物制造底盘提供了独特的优势。合适的信号肽能够更好地将表达的蛋白靶向到特定的亚细胞空间，从而进一步达到提高产物合成效率、减少代谢干扰、促进复杂蛋白功能性表达以及增强细胞耐受性的目的。例如，在水稻悬浮培养细胞中对αAmy3sp、CIN1sp和33KDsp三种分泌信号肽的分泌效果进行比较，其中33KDsp对应的蛋白积累量最高，具有最佳的分泌能力［87］。此外，定位蛋白质到达对应亚细胞区域的序列特征在蛋白质家族和植物中都是保守的［88］，可以极大地简化异源植物宿主中人工合成途径的设计、构建和测试。
1.0 mg/L 2,4-D； ... Arabidopsis photosynthetic and heterotrophic cell suspension cultures 1 2021 ... DDC是植物受伤后在伤口表面新生的组织细胞，由原有细胞脱分化形成.愈伤组织细胞需要培养在特定的激素培养基中，以保持其未分化状态.目前大部分文献中报道的体外培养植物细胞主要指DDC［ Plasma membrane proteome analyses of Arabidopsis thaliana suspension-cultured cells during cold or ABA treatment: relationship with freezing tolerance and growth phase 0 2020 Advancement of the cultivation and upscaling of photoautotrophic suspension cultures using Chenopodiumrubrum as a case study 0 2018 History of plant tissue culture 1 2007 ... DDC是植物受伤后在伤口表面新生的组织细胞，由原有细胞脱分化形成.愈伤组织细胞需要培养在特定的激素培养基中，以保持其未分化状态.目前大部分文献中报道的体外培养植物细胞主要指DDC［ Practical guidelines for the characterization of tobacco BY-2 cell lines 1 2016 ... DDC是植物受伤后在伤口表面新生的组织细胞，由原有细胞脱分化形成.愈伤组织细胞需要培养在特定的激素培养基中，以保持其未分化状态.目前大部分文献中报道的体外培养植物细胞主要指DDC［ Choline chloride and N-allylglycine promote plant growth by increasing the efficiency of photosynthesis 1 2024 ... DDC是植物受伤后在伤口表面新生的组织细胞，由原有细胞脱分化形成.愈伤组织细胞需要培养在特定的激素培养基中，以保持其未分化状态.目前大部分文献中报道的体外培养植物细胞主要指DDC［ Cultured cambial meristematic cells as a source of plant natural products 4 2010 ... CMC源于植株中负责产生木质部和韧皮部产生的形成层分生组织细胞，相较于DDC，CMC无需经历脱分化过程，全能性更高.近年来CMC被广泛用于天然产物的合成，如利用红豆杉CMC生产紫杉醇［
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