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Plant synthetic biology: New opportunities for large-scale culture of Plant Cells
Zhaotao YAN, Pengfei ZHOU, Yangzhong WANG, Xin ZHANG, Wenyan XIE, Chenfei TIAN, Yong WANG
Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2024-095

产品物种应用制造商参考
紫杉醇Taxus chinensis L.药物，抗癌Phyton Biotechhttps://phytonbiotech.com/about-pcf/
迷迭香酸Melissa axillaris L.药物，抗氧化Aethera Biotechhttps://www.aetherabiotech.it/en/
可可粉Theobroma cacao L.食品成分California Culturedhttps://www.cacultured.com/
黄烷醇Theobroma cacao L医药、保健品成分AyanaBiowww.ayanabio.com
海茴香细胞提取物Crithmum maritimum L.化妆品成分，抗氧化Ancelbiohttp://ancelbio.cn/
火绒草细胞提取物Leontopodium alpinum L.化妆品成分，抗皱Ancelbiohttp://ancelbio.cn/
GBL-Skin1Glycyrrhiza uralensis L.化妆品原料，乳化剂Green Bioactiveshttps://greenbioactives.com/
白藜芦醇Graptoveria amethorum L.化妆品、保健品成分Bioharvest Sciencehttps://bioharvest.com/
ElelysoDaucus carota L.戈谢病治疗性蛋白Protalix BioTherahttp://protalix.comhttps://clinicaltrials.gov
OPRX-100Daucus carota L.溃疡性结肠炎治疗性蛋白Protalix BioTherahttp://protalix.comhttps://clinicaltrials.gov
PRX-102Nicotiana tabacum L.法布里病治疗性蛋白Protalix BioTherahttp://protalix.comhttps://clinicaltrials.gov
新城疫病毒 疫苗Nicotiana tabacum L.新城疫病毒疫苗Dow AgroScienceshttps://www.dow.com/
MOSS-FHPhyscomitrium patens L.溶血性尿毒症综合征治疗性蛋白Greenovation Biotech GmbHhttp://www.greenovation.com/ developmental-pipeline.html
Table 1 Commercial cases of mass production of plant cells
Extracts from the Article
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（https：//swissfoodnutritionvalley.com/）。
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地理解。因此，结合植物合成生物学技术，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（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（https：//swissfoodnutritionvalley.com/）. ...
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（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（https：//swissfoodnutritionvalley.com/）. ...

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地理解.因此，结合植物合成生物学技术，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. ...
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［30］.相比DDC和CMC，毛状根系统不存在细胞分化导致的稳定性问题，被认为是生产植物根部产物的最佳替代方法，常作为模式体系被用于研究尼古丁、莨菪生物碱、人参皂苷、积雪草苷等活性成分的生物合成［31-32］. ...
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［30］.相比DDC和CMC，毛状根系统不存在细胞分化导致的稳定性问题，被认为是生产植物根部产物的最佳替代方法，常作为模式体系被用于研究尼古丁、莨菪生物碱、人参皂苷、积雪草苷等活性成分的生物合成［31-32］. ...
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［30］.相比DDC和CMC，毛状根系统不存在细胞分化导致的稳定性问题，被认为是生产植物根部产物的最佳替代方法，常作为模式体系被用于研究尼古丁、莨菪生物碱、人参皂苷、积雪草苷等活性成分的生物合成［31-32］. ...
Comparison of microbial and transient expression (tobacco plants and plant‐cell packs) for the production and purification of the anticancer mistletoe lectin viscumin
1
2019
... 植物细胞独特的结构赋予其优越的生物制造特性.坚韧的细胞壁提供支持和保护，巨大的液泡不仅能储存潜在的毒性物质，还能调节渗透压以维持稳态，使植物细胞具备卓越的机械强度和抗逆性.此外，用于疾病治疗的功能蛋白在哺乳动物细胞中往往具有生理活性，从而影响细胞生长甚至产生细胞毒性，而植物细胞通常不受这些限制，在复杂蛋白的安全、稳定、高效生产上具有显著优势.PCC生产重组蛋白技术已经被广泛用于药用蛋白（如抗原、疫苗、抗菌蛋白）、胶原蛋白和工业酶的商业化生产［13］（表2）.例如，肿瘤辅助治疗药物槲寄生凝集素在大肠杆菌表达中易形成包涵体，在哺乳动物细胞中又因毒性问题难以高效生产.Benjamin等人在烟草BY-2细胞中合成槲寄生凝集素，省去了包涵体重新折叠的步骤，合成成本相较于大肠肝菌底盘节省了80%以上［33］.此外，来源于粮食作物的水稻（Oryza sativa）愈伤组织细胞，在法规方面比BY-2等细胞系更加符合要求，也已经被用于合成人类生长激素（hGH），人骨形态发生蛋白2（BMP2），牛胰蛋白酶原（Bovine trypsinogen）等［34-36］.Protalix Biotherapeutics公司和辉瑞公司利用转基因胡萝卜悬浮细胞生产重组葡萄糖脑苷脂酶（PrGCD）作为治疗戈谢病的生物治疗性蛋白质药物，在欧盟和美国上市［37］.烟草细胞培养中生产的针对新城疫病毒（Newcastle disease virus，NDV）的重组疫苗也于2006年获美国农业部批准上市［38］.这些进展标志着PCC作为功能蛋白的大规模生物制造平台，具有广阔的发展前景. ...
Expression of human growth hormone in transgenic rice cell suspension culture
2
2008
... 植物细胞独特的结构赋予其优越的生物制造特性.坚韧的细胞壁提供支持和保护，巨大的液泡不仅能储存潜在的毒性物质，还能调节渗透压以维持稳态，使植物细胞具备卓越的机械强度和抗逆性.此外，用于疾病治疗的功能蛋白在哺乳动物细胞中往往具有生理活性，从而影响细胞生长甚至产生细胞毒性，而植物细胞通常不受这些限制，在复杂蛋白的安全、稳定、高效生产上具有显著优势.PCC生产重组蛋白技术已经被广泛用于药用蛋白（如抗原、疫苗、抗菌蛋白）、胶原蛋白和工业酶的商业化生产［13］（表2）.例如，肿瘤辅助治疗药物槲寄生凝集素在大肠杆菌表达中易形成包涵体，在哺乳动物细胞中又因毒性问题难以高效生产.Benjamin等人在烟草BY-2细胞中合成槲寄生凝集素，省去了包涵体重新折叠的步骤，合成成本相较于大肠肝菌底盘节省了80%以上［33］.此外，来源于粮食作物的水稻（Oryza sativa）愈伤组织细胞，在法规方面比BY-2等细胞系更加符合要求，也已经被用于合成人类生长激素（hGH），人骨形态发生蛋白2（BMP2），牛胰蛋白酶原（Bovine trypsinogen）等［34-36］.Protalix Biotherapeutics公司和辉瑞公司利用转基因胡萝卜悬浮细胞生产重组葡萄糖脑苷脂酶（PrGCD）作为治疗戈谢病的生物治疗性蛋白质药物，在欧盟和美国上市［37］.烟草细胞培养中生产的针对新城疫病毒（Newcastle disease virus，NDV）的重组疫苗也于2006年获美国农业部批准上市［38］.这些进展标志着PCC作为功能蛋白的大规模生物制造平台，具有广阔的发展前景. ...

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