华南农业大学祝钦泷/刘耀光以水稻胚乳为生物反应器，系统总结植物分子农场的应用与发展前景

责编 | 王一

2022年2月24日，加拿大卫生部批准了世界首个植物源性的新冠病毒疫苗COVIFENZ®，显示出利用植物生产重要医用与生物活性产物的分子农场（Molecular Farming）的重要性。近日，华南农业大学生命科学学院、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室和岭南现代农业科学与技术广东省实验室祝钦泷研究员与刘耀光院士在国际著名学术期刊Trends in Biotechnology在线发表了题为“Molecular farming using transgenic rice endosperm”的综述文章，系统总结了水稻胚乳作为生物反应器的优缺点、拓展了分子农场的概念，并对如何提高目标产物含量及其面临的挑战进行了讨论，展望了利用水稻胚乳为代表的植物分子农场的未来发展方向。

生物反应器是指利用微生物、动物或植物细胞为代谢反应场所生产目标产物的生物工程系统。而利用基因工程方法，在植物生产各种重要的目标产物，可称为植物分子农场【1】。目前，随着经济水平的日益提高，人们对具有更高营养成分或生物活性物质的功能性粮食作物的需求越来越迫切。近年来，植物合成生物学与基因编辑技术（如多基因堆叠系统和基因编辑系统CRISPR/Cas）的发展，促进了多种复杂的功能性生物活性物质在植物中的合成生产。而传统的植物分子农场（通常用常规基因工程方法表达少数基因，主要用于生产医用蛋白等）已不能满足日益发展的需求。为此，该综述将分子农场概念从主要生产医用蛋白拓展到开发具有营养素和生物活性物质的功能性作物领域，并以水稻胚乳为例介绍了分子农场的发展现状和未来方向（如图1）。

图1 通过基因工程在水稻胚乳中进行分子农场生产的流程

水稻胚乳是淀粉的主要合成场所，是大米的主要食用部分。因其遗传与生物信息资源丰富、具有表达外源蛋白和代谢物的能力、提取和处理目标产物的简易性、较低的生产成本和较高的生物安全性等优点，被广泛用于分子农业生产重组医用蛋白多肽和生物活性物质【2,3】。

目前以水稻胚乳作为反应器生产的医用重组蛋白包括：

①抗原和疫苗/口服疫苗，如重组猪蛔虫疫苗OsrAS16和霍乱疫苗MucoRice-CTB；

②抗体，如HIV抗体2G12和轮状病毒抗体MucoRice-ARP1；

③药用蛋白质和多肽，如人血清蛋白OsrHSA和人α抗胰蛋白酶OsrAAT。

以水稻胚乳作为反应器生产的生物活性物质包括：

①维生素和矿物质，如维生素VB1、VB2和VB9，及铁和锌等；

②类黄酮、花青素和多酚，如作者前期创制的富含花青素的“紫晶米”等【4】；

③类胡萝卜素，如富含β-胡萝卜素的“黄金大米”和富含高级类胡萝卜素虾青素的“赤晶米”等【5】。

图2 水稻胚乳作为反应器

基于目前分子农场的现状，该综述提出了增强水稻胚乳生物合成产量的策略，包括：

①优化代谢途径和关键酶，如提高限速酶或多种关键酶的表达水平和活性、抑制竞争途径或分解途径的基因、或激活代谢途径的关键内源性基因；

②提高转基因表达水平，如使用胚乳特异性强表达启动子或通过人工修饰提高启动子活性、进行密码子优化等；

③增加重组蛋白和代谢物稳定性，如选择合适的分泌或储存途径等。

该综述进一步指出了水稻胚乳作为分子农场面临的挑战，如转基因植物田间试验和商业生产受严格规定和限制、水稻和动物之间蛋白质糖基化的差异以及纯化目标产物的过程中遇到的困难，并总结了一些相应的解决方案。最后，作者提出了未来通过调整法律法规和促进多学科合作，完善规模化生产，用水稻胚乳提供更多有价值的产品，如生产针对SARS-CoV-2的佐剂植物源性疫苗CoVLP等【6,7】。

华南农业大学祝钦泷研究员为论文的第一作者和通讯作者；刘耀光院士指导了论文的写作，博士后谭健韬（现入职广东省农科院水稻所工作）作为共同作者参与了论文的写作。该工作得到了广东省基础与应用基础研究重大项目、国家自然科学基金、岭南现代农业重点实验室项目和广东特支计划科技创新青年拔尖人才专项资助。

近年来，祝钦泷研究员与刘耀光院士团队在植物合成生物学、基因组编辑以及基因工程共性技术等研究领域取得了一系列重要进展。如开发了植物合成生物的重要工具多基因叠加系统TGSII，并创制了首个胚乳富含花青素与虾青素的“紫晶米”与“赤晶米”等水稻新种质（Zhu et al., Mol Plant, 2017；Zhu et al., Mol Plant, 2018）；开发了广靶向基因组与单碱基的编辑系统（Zeng et al., Plant Biotechnol J, 2020a; Tan et al., Plant Biotechnol J, 2020; Zeng et al., Mol Plant, 2020; Tan et al., Plant Biotechnol J, 2022），并创制直链淀粉含量适宜的品质优异的水稻新种质（Zeng et al., Plant Biotechnol J, 2020b; Liu et al., J Integr Plant Biol, 2021）；开发了新颖的高效植物模块化荧光融合蛋白工具系统AioFFP（Han et al., Plant Biotechnol J, 2022）。该篇综述为利用合成生物学与基因编辑等新技术促进未来植物分子农场的发展，提供了研究思路与有益的参考。

参考文献

1.Paul M and Ma JK (2011) Plant-made pharmaceuticals: Leading products and production platforms. Biotechnology and applied biochemistry58, 58-67.

2.Ou J, Guo Z, Shi J, Wang X, Liu J, Shi B, Guo F, Zhang C, Yang D (2014) Transgenic rice endosperm as a bioreactor for molecular pharming. Plant Cell Rep33, 585-594.

3.Vamvaka E, Twyman RM, Murad AM, Melnik S, The AY, Arcalis E, Altmann F, Stoger E, Rech E, Ma JK, Christou P, Capell T (2016) Rice endosperm produces an underglycosylated and potent form of the HIV-neutralizing monoclonal antibody 2G12. Plant Biotechnol J14, 97-108.

4.Zhu Q, Yu S, Zeng D, Liu H, Wang H, Yang Z, Xie X, Shen R, Tan J, Li H, Zhao X, Zhang Q, Chen Y, Guo J, Chen L, Liu Y-G. (2017) Development of "Purple Endosperm Rice" by Engineering Anthocyanin Biosynthesis in the Endosperm with a High-Efficiency Transgene Stacking System. Mol Plant10, 918-929.

5.Zhu Q, Zeng D, Yu S, Cui C, Li J, Li H, Chen J, Zhang R, Zhao X, Chen L, Liu Y-G. (2018) From Golden Rice to aSTARice: Bioengineering Astaxanthin Biosynthesis in Rice Endosperm. Mol Plant11, 1440-1448.

6.Ward BJ, Gobeil P, Séguin A, Atkins J, Boulay I, Charbonneau PY, Couture M, D'Aoust MA, Dhaliwall J, Finkle C, Hager K, Mahmood A, Makarkov A, Cheng MP, Pillet S, Schimke P, St-Martin S, Trépanier S, Landry N (2021) Phase 1 randomized trial of a plant-derived virus-like particle vaccine for COVID-19. Nat med27, 1071-1078.

7.Hager KJ, Pérez Marc G, Gobeil P, Diaz RS, Heizer G, Llapur C, Makarkov AI, Vasconcellos E, Pillet S, Riera F, Saxena P, Geller Wolff P, Bhutada K, Wallace G, Aazami H, Jones CE, Polack FP, Ferrara L, Atkins J, Boulay I, Dhaliwall J, Charland N, Couture MMJ, Jiang-Wright J, Landry N, Lapointe S, Lorin A, Mahmood A, Moulton LH, Pahmer E, Parent J, Séguin A, Tran L, Breuer T, Ceregido MA, Koutsoukos M, Roman F, Namba J, D'Aoust MA, Trepanier S, Kimura Y, Ward BJ; CoVLP Study Team. (2022) Efficacy and Safety of a Recombinant Plant-Based Adjuvanted Covid-19 Vaccine. N Engl J Med. doi: 10.1056/NEJMoa2201300.

论文链接：

https://authors.elsevier.com/a/1f2upc9XEfhnl