现代植物生物学的"宠儿"——本生烟的前世今生

编译: Yy-ONE

本文编译自 Bally, et al. , 2018.Annu Rev Phytopathol

The Rise and Rise of Nicotiana benthamiana: A Plant for All Reasons

本生烟 (Nicotiana benthamiana) 原产于澳洲，与辣椒，番茄，马铃薯及栽培烟草等一样，归属于茄科 (https://solgenomics.net/) ，是含有19条染色体的异源四倍体植物 。近十几年来，因其在植物-微生物互作，鉴定蛋白质相互作用及亚细胞定位，代谢调控，疫苗生产及合成生物学方面的广泛应用，本生烟被认为是除拟南芥之外的重要模式植物。也许你经常和它打交道，但你真的了解它吗？今天我们就一起来看看本生烟的前世今生。

源 自 澳 洲

现在世界范围内主要应用的本生烟源于澳洲，而关于其具体来源，目前还有所争议。世界上关于本生烟的最早记录在1839年11月，澳洲西北部地区，最早期相关样本被保存在英国皇家植物园Kew (样本编号: K0001961)。Goodin等人收集了5个研究所 (分别来自西班牙，英国和美国) 的11个本生烟株系进行 RFLP 分子鉴定后发现，除一个株系外其余均来自于同一遗传背景，但与 Kew 保存的本生烟不同。近期，澳洲阿德莱德大学与美国加州大学伯克利分校的J. Cleland与T.H. Goodspeed教授之间的书信往来显示（图1），1936年收集于澳洲中部的本生烟种子于1939年被转移到美国，而其基因组信息99%与目前美国及欧洲大部分实验室使用的本生烟品系基因组相似，这些证据表明，澳洲Granites区域 (南纬20.57，东经130.35 ) 极有可能是世界上各实验室使用的本生烟发源地。

图1. 澳洲阿德莱德大学与美国加州大学伯克利分校的J. Cleland与T.H. Goodspeed教授之间的书信档案。

在澳洲，本生烟主要有6大地理分布(图2)，有330个左右经过正式鉴定并保存的株系样本，Bally等人通过不同地理位置分布，将澳洲本生烟进行了不同命名，如实验室使用株系 (LAB) ，Northern Territory (NT) ，North Western Australia (NWA) ，Western Australia (WA) ，Queensland (QLD) ，及South Australia (SA) 等。这些株系之间在植物株型，叶子形状，授粉状况，花形及种子大小等生长与发育上有一定差异(图 3)。从形态上，SA 株系与实验室使用株系 LAB 较相似。通过核酸信息进化树分析，也发现 LAB 株系与 SA 株系相近。因此，目前实验室主要使用的 LAB 株系可能来自于澳洲的 Granites 地区，并在世界范围内大量使用，遗传背景较为一致，而这也为利用本生烟作为工具进行科学研究提供了较高的可比与参考性。

图2. 澳洲本生烟主要品系地理分布。LAB, 实验室株系; NT, Northern Territory; NWA, North Western Australia; QLD, Queensland; SA, South Australia; WA, Western Australia.

图3. 澳洲不同地理分布的本生烟生长发育对比。

起 于 四 海

本生烟在世界范围内被广泛应用，主要因为它具有以下优良性状：① 实验室培养条件下容易大量种植并利于收集大量植物材料；② 与拟南芥，水稻等模式植物相似，具有植物体内基因表达调控及蛋白翻译后修饰，比在大肠杆菌或酵母表达体系中进行功能验证更直接；③ 对已知大部分已经鉴定的植物病毒敏感，可以直接进行植物-病原微生物互作功能研究；④ 农杆菌介导的基因瞬时表达体系成熟，可以直接进行基因调控，蛋白质互作及定位等分子生物学与生物化学功能研究。

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基于植物病毒的表达体系

本生烟自身对多种植物病毒非常敏感(图4)，基于此开发了病毒介导的基因表达工具，利用病毒载体在本生烟中表达不同蛋白进行功能研究。随着农杆菌 T-DNA 介导基因表达技术发展，在本生烟中瞬时，快速，大量表达外源蛋白进行功能研究变得更加便利，而基于病毒改造的植物表达载体也被广泛应用。通过病毒介导的基因沉默 (virus-induced gene silencing, VIGS) 技术可下调植物内源基因表达，在烟草，拟南芥，苜蓿，番茄，辣椒，大豆，棉花，草莓等双子叶植物及玉米，大麦，小麦等单子叶植物中均有广泛应用。而本生烟中 VIGS 也是应用最为广泛，基因沉默效果最好，最为便捷的遗传工具。

图4. 不同本生烟株系在病毒侵染后反应。(a) LAB株系接种PVX-GFP病毒20天反应，绿色荧光显示了马铃薯X病毒在本生烟体内扩散情况；(b, c) 16c本生烟PVX-GFP侵染前后情况；(d) WT本生烟中PVX-GFP侵染后不同时间情况；(e) 不同本生烟株系在病毒侵染后反应。

02

16c-转基因烟草经典之作

由英国剑桥大学David Baulcombe教授实验室出品的 GFP 转基因本生烟 16c 满足了植物学研究领域大部分需求。16c 本生烟中 GFP 稳定表达，因其 GFP 荧光信号易于追踪检测等特点，被广泛应用于 RNAi/VIGS，表观遗传，植物-病原微生物互作，分子移动，嫁接，蛋白质结构与功能，蛋白质互作，基因沉默与抑制等多领域与方向，利用16c 作为材料产生的相关论文有超过750篇之多。

03

本生烟与细胞生物学

蛋白在植物体内细胞定位对于研究蛋白功能尤为重要，而利用农杆菌 T-DNA 介导的瞬时表达体系大大缩短了研究蛋白细胞定位的周期，构建荧光蛋白稳定表达拟南芥或其他植物品系可能需要数月至数年之久，而利用农杆菌在烟草中瞬时表达可以缩短到一周之内。随着不断开发的各种荧光蛋白，如常见 GFP，RFP，YFP，CFP 等，及不同荧光染料，如 DAPI 及 FM-64 等，实时可监控地研究蛋白质亚细胞定位时空动态成为现实(图5)，基于不同荧光蛋白的不同亚细胞定位 marker 蛋白也被广泛应用于本生烟表达系统中，通过共定位进一步确定目的蛋白亚细胞定位情况。

图5. 不同荧光蛋白标记的不同蛋白在本生烟叶肉细胞中定位。

04

本生烟与蛋白质互作

本生烟在植物学研究中最为关键的应用就是利用农杆菌介导瞬时表达系统研究蛋白质-蛋白质相互作用，主要技术体现在：

① 基于免疫沉淀的 Co-IP，IP-MS/MS 技术等；

② 基于双分子互补技术的 BiFC，Split-Luciferase Complementation 等；

③ 基于荧光蛋白能量转移 FRET 技术的 FRET-FLIM 等。

此外，通过添加激素，小肽，蛋白质合成与降解抑制化合物等小分子化合物可以进一步检测蛋白质实时互作动态，大大加速对蛋白互作网络，生物化学功能研究。

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本生烟与生物制剂

除了进行生物学研究，本生烟被广泛应用于生物制药行业，例如制造抗体等药物，目前已用于流感病毒，埃博拉病毒，登革热病毒，HIV/AIDS，甲乙丙肝病毒，SARS，西尼罗河病毒等多种病毒抗体制备研究。其中较为人知的是2014年两例美国用于治疗埃博拉病毒患者的 ZMapp 抗体药物，就含有本生烟表达体系产品(图6)。同时，科学家也发现植物中蛋白的翻译后修饰，如糖基化，会使部分人产生过敏反应，这也限制了利用本生烟大量生物制剂的应用与发展。随着生物技术的不断发展，科学家正在尝试调控本生烟中蛋白翻译后修饰来生产符合人体利用的生物制剂，如将抗体定位在 ER 上进行表达以减少糖基化修饰，敲除或者沉默糖基转移酶，及共表达哺乳动物源的糖基化酶等，上文提到的 ZMapp 就是经过糖基化修饰调整后的抗体药物。

图6. ZMapp抗体药物大致流程图 (https://askabiologist.asu.edu/explore/tobaccos-wild-ride)

随着基因组测序技术、CRISPR 基因敲除技术以及其它分子生物技术的不断进步，相信本生烟会被更广泛应用于植物生物学功能研究。

参考文献

Bally, et al. The Rise and Rise of Nicotiana benthamiana: A Plant for All Reasons. Annual Review of Phytopathology 56, 405-426, doi:10.1146/annurev-phyto-080417-050141 (2018).