植物代謝工程在生物農(nóng)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

余正軍，范曉培

（陜西省漢中市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 漢中 723000）

從誕生之日起，農(nóng)藥就為人類做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。沒有農(nóng)藥，地球上的糧食是無法滿足人們的需求的。但是，農(nóng)藥在為人類做出貢獻(xiàn)的同時也造就了很多弊端，甚至災(zāi)難。早期的化學(xué)農(nóng)藥，如1939年瑞士化學(xué)家保爾·米勒開發(fā)的DDT，毒性高，且很難在環(huán)境中降解，對環(huán)境造成了巨大的污染。

1 生物工程

植物細(xì)胞培養(yǎng)、組織培養(yǎng)等離體培養(yǎng)為代謝工程提供了材料。這些技術(shù)客服了植物生長的區(qū)域限制和氣候限制，使植物源農(nóng)藥的生產(chǎn)能夠得以工業(yè)化。在西方，藥物的生產(chǎn)中有約25%是從植物中提取的。但是這些植物在離開了它們原有的棲息地后很難生存，而且，大規(guī)模地種植一種植物很容易引起病害。植物組織、細(xì)胞等的離體培養(yǎng)提供了一個確定的體系，保證了產(chǎn)物的持續(xù)性、均一性和產(chǎn)量；可以為發(fā)現(xiàn)新奇的化合物提供可能；使下游處理更有效；離體培養(yǎng)體系容許通過生物轉(zhuǎn)化從廉價的前體物質(zhì)得到新奇的產(chǎn)物；通過對細(xì)胞生長的控制和對代謝過程的調(diào)節(jié)可以有效地降低成本。然而，氧氣和養(yǎng)分的傳質(zhì)效率低，培養(yǎng)條件不均勻，細(xì)胞對剪切壓力敏感，這些導(dǎo)致自由的組織、細(xì)胞在擴(kuò)大化培養(yǎng)過程大批量死亡。于是固定化細(xì)胞便成為了用于擴(kuò)大化培養(yǎng)的很好的選擇。固定化細(xì)胞可以容許氧氣和養(yǎng)料的自由擴(kuò)散，充當(dāng)微生物污染的屏障和細(xì)胞生長的支持物，這對于后續(xù)的擴(kuò)大化培養(yǎng)非常有利。另外，固定化細(xì)胞體系可以產(chǎn)生比自由組織、細(xì)胞更多的次生代謝物，可能是因?yàn)榇蟮募?xì)胞聚合體可以增加細(xì)胞與細(xì)胞之間的交流。但是，正如前面提到的，大多數(shù)的次生代謝物，包括雷公藤甲素和生物堿，是不會分泌到培養(yǎng)液中的。為了更加經(jīng)濟(jì)地利用固定化的組織或細(xì)胞，我們便有必要使次生代謝物分泌到組織或細(xì)胞外的培養(yǎng)基中來。一些研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖、tween80可以使細(xì)胞膜透化，從而達(dá)到這一目的。雖然次生代謝物分泌到培養(yǎng)基中，但是，細(xì)胞分泌到培養(yǎng)基中的酶可能會使這些有價值的次生代謝物分解，所以，及時將培養(yǎng)基中的產(chǎn)物移走可以提高整體的產(chǎn)量。另外，通過產(chǎn)物轉(zhuǎn)移阻止反饋抑制調(diào)節(jié)也可能是產(chǎn)物產(chǎn)量增加的原因。

植物有著復(fù)雜的次生代謝途徑，通過添加目標(biāo)產(chǎn)物的前體物質(zhì)（precursor）和誘導(dǎo)子可以增加目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量。茉莉酸甲酯是一種重要的植物壓力信號分子，它通過與多種生物合成基因作用誘導(dǎo)植物的防衛(wèi)性物質(zhì)的生物合成，可以用來提高雷公藤內(nèi)酯醇和生物堿的產(chǎn)量。另外，殼聚糖也可能具有誘導(dǎo)次生代謝物合成的作用。根據(jù)雷公藤內(nèi)酯醇和生物堿的生物合成途徑的假設(shè)，向培養(yǎng)體系中加入倍半萜和生物堿的前體物質(zhì)法尼基焦磷酸、煙酸和異亮氨酸，用以增加次生代謝物的合成。

2 基因工程

隨著對植物次生代謝網(wǎng)絡(luò)的研究和認(rèn)識的深入，以及分子克隆和遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用基因工程對植物次生代謝途徑的遺傳特性進(jìn)行改造，即植物次生代謝基因工程的研究日益增多，已發(fā)展為具有廣闊應(yīng)用前景的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。迄今，已建立的植物次生代謝途徑基因修飾的策略主要有，導(dǎo)入單個、多個靶基因（例如編碼目標(biāo)途徑限速酶的基因）或一個完整的代謝途徑，使宿主植物合成新的目標(biāo)物質(zhì)；通過反義RNA和RNA 干涉等技術(shù)減少靶基因的表達(dá)，從而抑制競爭性代謝途徑，改變代謝流向和增加目標(biāo)物質(zhì)的含量；對控制多個生物合成基因的轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行修飾，更有效地調(diào)控植物次生代謝以提高特定化合物的積累。目前，在基因水平上研究得最清楚的植物次生代謝途徑是合成黃酮類及花青素的次生代謝途徑。在中間產(chǎn)物和酶水平上對其它次生代謝途徑所進(jìn)行的詳細(xì)研究已經(jīng)鑒定出許多具有重要醫(yī)藥價值的次生代謝物，如吲哚和異喹啉類生物堿等。

植物次生代謝物的合成受到多種酶的共同作用。通過基因工程的手段，我們可以使目的產(chǎn)物的酶通路打通，并且阻斷其他產(chǎn)物的合成，從而提高目的產(chǎn)物的量。雷公藤內(nèi)酯醇是一種二萜，它的合成與赤霉素的合成構(gòu)成了競爭，我們可以通過阻斷另外一條途徑達(dá)到提高內(nèi)酯醇含量的目的。

3 小結(jié)

植物次級代謝途徑的進(jìn)化使植物本身具備抵抗病蟲害的本領(lǐng)，我們用植物的這些武器代替化學(xué)農(nóng)藥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，既達(dá)到了農(nóng)藥應(yīng)有的作用，又防止了對環(huán)境的污染，甚至破壞。隨著生物工程和生物技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來，我們有望使更多的植物源農(nóng)藥得以工業(yè)化生產(chǎn)，造福人類。