全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 1期
植物生物反应器研究进展
庞俊峰 1, 3 黄东光2 吴燕民1
( 1中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081; 2深圳市铁汉生态环境股份有限公司,深圳 518040;
3内蒙古农业大学农学院,呼和浩特 010019)
摘 要: 植物生物反应器是近年来生物技术领域新的研究方向, 利用农作物进行疫苗、药用蛋白的生产,具有广阔的市
场前景和商业价值。研究证明, 用各种农作物为载体的植物生物反应器产品可通过种子、果实或块茎表达,便于贮藏、运输和
利用。它拓宽了传统农业概念, 成为现代生物农业重要的研究方向之一,推动了生物经济快速健康的前进,促进农业可持续
发展。综述植物生物反应器的研究与应用现状,并对转基因作物作为植物生物反应器的发展前景作分析和展望。
关键词: 作物 植物生物反应器 生物农业 生物经济
Research Progress in Crops as P lant B ioreactor
Pang Junfeng
1, 3 HuangDongguang2 W uYanm in1
(
1
Biotechno logy Research Institu te, Chinese A cademy of Agricultural Sciences, B eijing 100081; 2Shenzhen T echand Echology& Environm ent
Co, LTD, Shenzhen 518040; 3Agricultural College, InnerM ongolia Agricultural University,H ohort 010019)
Abstrac:t P lant b io reactor is a new research d irections o f biotechnology in recent years, wh ich has a broad m arket prospects and
comm ercia l va lue to produce vacc ine or m ed ic ina l pro teins. The results show that, p lant b io reacto r products can expression in seeds,
fru its o r tubers, and it is convenient to storage, transport and use. This paper summ arized the research and application status o f plant b io
reacto r, and ana lyzed and prospected on the developm ent o f transgen ic crops as b io reacto r p lants.
Key words: Crops P lant b io reacto r B ioagr iculture B ioeconom y
收稿日期: 20100518
基金项目:国家重点基础研究发展计划 ( 973计划 ) ( 2007CB1089022)
作者简介:庞俊峰,硕士,研究方向:植物生物技术; Ema i:l pang junfeng@ live. cn
通讯作者:吴燕民,男,博士,研究员,研究方向:植物生物反应器及植物基因工程; Em ai:l wym 55@ 163. com
随着人类经济社会的发展, 对传统农业产品的
要求也越来越高。现代生物技术, 尤其是农业生物
技术的迅速发展,对全球现有的农作物种植和生产
结构能够产生重要影响, 增强农产品对人类的服务
功效及市场竞争力,增加农民的收入,促进农业的可
持续发展。
植物生物反应器是现代农业生物技术发展中备
受关注的研究领域,它是以常见的农作物作为制造工
厂,通过植物基因工程途径,生产医用蛋白、工农业用
酶、人体或者动物疫苗、特殊碳水化合物、脂类及其他
一些次生代谢产物等生物制剂的高新技术。与煤炭、
石油不可再生资源相比,植物具有种类多样化、低成
本、可再生等优势。通过自身光合作用积累的各类生
物大分子 (碳水化合物、蛋白质和脂肪等 ),不仅为人
类和动物提供了赖以生存所需要的各种食物,同时还
提供了大量非食用性的化工产品。国外采用植物生
物反应器的方法,已经成功地生产出多种高新生物产
品,包括特殊的饱和或不饱和脂肪酸、改性淀粉、环糊
精、糖醇及药用蛋白多肽, 一些研究机构和公司已经
开始从这些产品生产中获得巨大的经济效益。生物
技术的快速发展使人类进一步拓宽了植物应用的范
围,尤其是农作物作为生物反应器的应用潜力巨大,
利用转基因作物作为生物反应器来生产相关产品是
一个备受关注的研究领域。随着新功能基因的分离、
克隆以及各种农作物高效转化和表达技术平台的逐
步建立,人类未来将会有相当数量的通过植物生物反
应器生产的农业生物技术产品问世,同时创造意想不
到的产业体系和商业价值。
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 1期
1 植物生物反应器是现代农业生物技术的
新方法
1. 1 植物生物反应器研究与应用的独特优势
植物生物反应器广义上指以植物悬浮细胞培养
或整株植物为加工场所大量生产具有重要功能或药
用价值的蛋白 (人或动物的疫苗、抗体、重要的氨基
酸等 ), 植物细胞、组织或整株植物既可以是天然的
也可以是经过基因工程改造的,以它们作为植物工
厂大量生产各种高价值的生物制品。其中以转基因
植物作为生物反应器生产贵重药物和疫苗已经成为
植物基因工程中最有研究前景和商业价值的领域。
它使得农业这一概念大大拓宽,突破了传统农业范
畴,延伸到工业和医药领域。植物生物反应器种类
不断增多,从最初的烟草、拟南芥到后来的马铃薯、
番茄、香蕉、木瓜、豇豆、菠菜、苜蓿、油菜和芜青等,
表达产物包括疫苗、抗体及其片段、细胞因子、酶及
其它药用蛋白和生物活性肽等。
与动物生物反应器和微生物生物反应器相比,
植物生物反应器具有独特的优势。首先, 植物系统
易于转化和大规模生产, 可自动表达动物、人类、细
菌、病毒等的外源蛋白,而且价格低廉, 因此利用转
基因植物开发畜禽疫苗是一种最经济和有效的途
径。细菌在发酵过程中常产生包涵体, 不易对真核
生物的蛋白进行有效的翻译后加工, 如将其重新溶
解并折叠成天然蛋白质则需要很高的成本, 而且本
身可能是人类病原物。动物细胞培养所需的生长培
养基相当昂贵,在细胞培养过程中可能感染动物病
毒而对人类健康造成潜在危害。就粮食作物而言,
作物的田间种植比其他任何系统更加低廉有效,作
物能进行自身光合作用和物质代谢循环, 可生产出
人类所需的转基因产品。而且随着现代作物栽培技
术的不断发展,人类食用的常规粮食作物可以科学
种植, 相关植物生物反应器产品可通过种子、果实或
块茎表达, 便于贮藏、运输和利用。其次, 转基因植
物生物反应器产物的生理生化特性和生物活性与天
然产物几乎完全相同, 省去了对下游产物进行完全
的分离或纯化步骤,降低了生产成本。
1. 2 植物生物反应器研究与开发进展
在植物生物反应器研究中, 最受人们关注的是
生产各种疫苗用的抗原蛋白。病毒和细菌性传染病
是威胁人类健康的全球性问题, 人们不断寻找各种
方法应对这些传染性疾病。 1778年英国人 Jenner
首次发现人接种牛痘可预防天花病毒传染, 在此后
的时间里,疫苗已被证明是对付传染性疾病特别是
病毒性传染病最为经济和有效的方法。现在人们通
过接种疫苗已完全根除了天花, 并在全球范围内基
本控制了狂犬病、破伤风、乙型脑炎和脊髓灰质炎等
多种病毒及细菌性传染病的发生和传播。疫苗的形
式也由菌体疫苗发展到亚单位疫苗和 DNA疫苗。
目前,人们使用的疫苗还主要是通过微生物发酵或
动物细胞组织培养而获得,工序繁琐,生产设备成本
高, 不易保存和运输。此外, 这些疫苗还存在着药品
安全性问题,因劣质疫苗和违规生产而造成的重大
预防和医疗事故在全球时有发生。 1992年 M ason
和 A rntzen率先提出了用转基因植物生产疫苗的新
思路,此后, 国内外多个科研单位和高校相继在烟
草、马铃薯、番茄、苜蓿和莴苣中表达了乙肝表面抗
原、大肠杆菌热敏毒素 B亚基、霍乱毒素 B亚基、诺
瓦克病毒壳蛋白和狂犬病毒 G蛋白等抗原,并利用
在植物中表达的抗原进行了动物和人体的免疫试
验, 获得了大量研究数据,为今后利用转基因植物生
产疫苗奠定了基础。
根据基因工程原理,利用植物生物反应器生产
生物产品的典型例子就是烟草, 一株烟草植株就能
产生上百万的烟草种子, 方便进行转基因蛋白的批
量生物生产,所以用它作为植物生物反应器大规模
生产外源基因产物可降低生产成本。乙型肝炎是传
播范围广且危害人类健康的几大传染病之一, 过去
控制乙型肝炎有效的办法就是接种乙肝疫苗。 1992
年, 康奈尔大学 BoyceThompson植物研究所的 M ason
博士将乙肝表面抗原 ( HB sAg)基因转入烟草, 获得
了相应的转基因植株,并在转基因植株中表达获得
了具有 L1蛋白形成的病毒样颗粒 ( VLPs)结构的
HBsA g重组蛋白,这些重组蛋白不但具有注射免疫
原性,还能诱导产生黏膜免疫反应。表达的 HBsAg
与从乙型肝炎患者血液中分离出的 HBsAg病毒样
颗粒大小一致,并且表达的 HBsAg浮力密度和免疫
原性与人和酵母来源的 HBsAg相似,并保持了 B细
胞和 T细胞的抗原决定簇 [ 1, 2]。刘玉乐等 [ 3 ]也作了
人乙肝病毒表面抗原基因在转基因烟草中表达的研
22
2011年第 1期 庞俊峰等:植物生物反应器研究进展
究,研究表明,转基因植物可以表达相关表面抗原基
因。良好的植物表达系统作为植物生物反应器能够
生产许多生物产品。有研究报道, 如生产谷氨酸脱
羧酶 ( GAD )、盖氏 13单克隆抗体 ( Guys13 mAb)、
流感病毒血凝素 ( In fluenza v irus HA )以及犬细小病
毒抗原 ( CPVCPVP2)、麻风杆菌等疫苗来预防龋齿、
糖尿病, 生产动物疫苗等 [ 4, 5]。 2003年 Khandesw al
等 [ 6 ]以烟草作为表达牛瘟病毒 ( RPV )血凝素蛋白的
植物, 用转基因烟草叶蛋白提取物腹腔接种小鼠, 9
周内小鼠血清中抗体滴度达 1160- 1640, 且血凝
素蛋白特异性的高效价抗体能完全中和 RPV。此
外,研究还发现, 用烟草作为载体生产动物疫苗安全
性比传统的微生物和动物细胞反应器高, 成本也大
大降低,可以促进烟草业未来的综合发展。因此,转
基因植物生物反应器的一个商业热点就是用来开发
各种食用和饲用疫苗。美国斯坦福大学的科学家联
手开发转基因植物生产恶性肿瘤疫苗获得了突破性
进展, 我国科研工作者这方面的研究也获得了可喜
成绩。结合目前全球高致病性禽流感病毒对禽类生
存和家禽养殖业产生的重大影响,吴燕民等 [ 7 ]开展
针对 H 5N1亚型禽流感可饲用疫苗的研究工作,将
H5N1亚型禽流感病毒血凝素 ( A IVHA )基因转入牧
草植物百脉根中,利用其作为植物生物反应器来生
产禽流感抗原蛋白,免除疫苗工厂生产成本高,运输
保存不方便,针剂注射工作量大等情况,这一研究为
研制禽流感转基因植物可饲用疫苗奠定了良好的
基础。
2 农作物作为植物生物反应器研究现状
21 国外研究现状
用作物作为生物反应器生产生物产品的研究与
应用受到越来越多科研机构和商业公司的关注,美
国种业巨头孟山都公司已经培育出一种达到药用蛋
白标准的人类抗体的转基因玉米, 每公顷该转基因
玉米可产生 3. 7 kg抗体蛋白。相关医疗单位将向
每个癌症患者志愿者注射该玉米种子来源的抗体蛋
白药物做相应临床研究。孟山都公司还在种植一种
转基因大豆,这种大豆可以生产针对单纯疱疹病毒
2(HSV2)的人源化抗体,这种抗体的动物试验表明
它可以阻止 HSV2在小鼠生殖系统内的传播。同
样在玉米研究方面, 1998年 W itcher等 [ 8]利用转基
因玉米生产重组的 葡萄糖苷酸酶 ( GUS) ,表达水
平高达种子中可溶蛋白的 0. 7%, 其理化特性、生物
学活性均与天然的 葡萄糖苷酸酶相同。另外一
些研究成果也具有重要进步意义, 2002年 Lamphear
等 [ 9]在玉米种子中表达出传染性胃肠炎病毒刺突
蛋白 ( TGEVS)和 E. coli不耐热肠毒素 B亚单位
( L tB) ,将其用作预防肠毒性大肠杆菌 ( ETEC )及
TGEV的疫苗。研究发现,抗原蛋白在谷物加工过
程中能保持自身活性且能诱导血清和黏膜免疫应
答, 4 下种子的贮藏期可达 10个月以上。在商
业应用上, EPIcy te制药公司和 ProdiGene公司已投
资研制用转基因玉米生产预防单纯疱疹病毒 2型
( HSV2)疫苗 [ 10 ]。
除了以上作物作为植物生物反应器研究以外,
马铃薯、油菜、大豆和花生等作物, 还有部分牧草也
在行列之内。Arakaw a等 [ 11] 将胰岛素基因与 CTB
基因的 C末端融合,得到的转基因马铃薯中融合蛋
白占总可溶蛋白的 0. 15% , 产生的融合蛋白具有
GM1亲和特性以及 CTB和胰岛素的内源抗原性, 通
过小鼠试验证明,可大大减轻小鼠的胰岛炎,并能延
缓临床糖尿病的发展。另外有研究报导,口蹄疫病
毒 VP1基因 ( FMDV VP1)转化到马铃薯中并能有效
表达,饲喂试验表明, 动物能够产生抗 FMDV特异
抗体。因此,转基因马铃薯作为生物反应器具有显
著的应用优势,外源基因经过组织特异性表达后,其
产物可以贮藏在块茎中,便于贮藏、运输和后期综合
利用。但缺点是煮熟的马铃薯蛋白会发生变性, 因
此不便于人类生食,而作为动物饲料将有望获得更
大研究进展 [ 12]。此外,转基因花生可以表达牛瘟病
毒 ( RPV )血凝素蛋白基因, 用该转基因花生叶片饲
喂牛可诱导产生 H特异性抗体,且能诱导其外周血
单核细胞 ( PBMC )体外增殖反应。转基因油菜可表
达人的神经肽 亮氨酸脑啡肽基因, 获得的脑啡
肽可作为镇静剂在临床上应用。转基因苜蓿可表达
口蹄疫病毒 ( FMDV )基因, 用该苜蓿叶片蛋白提取
物或直接饲喂试验动物均可产生特异抗体。研究显
示, ScFv基因转入马铃薯, 表达的 ScFv在马铃薯块
茎中达到可溶蛋白的 2%, 转基因块茎在 4 贮存一
年半后 ScFv活性仍能达到收获时的一半 [ 13]。目
前, 利用植物生物反应器生产药用蛋白和疫苗已经
23
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 1期
成为制药业重点开发的领域,在农场中利用整株植
物生产基因产品是一种前所未有的全新生产模式,
许多国家已经将植物生物反应器研究与利用列为了
生物技术发展战略重点。
22 国内研究现状
我国植物生物反应器的研究从 20世纪 90年代
开始, 在建立高效遗传转化体系和转基因植物生产
试验上有了突出成绩, 并且不断拓宽和强化研究的
广度和深度。在 863、 973、国家自然科学基
金 以及 农业部转基因生物新品种培育重大专项
等一系列科技支持项目中均重点扶持了植物生物反
应器的科学研究。其中, 利用植物生物反应器生产
乙型肝炎、动物口蹄疫、禽流感等兽用疫苗是研究的
热点。利用转基因植物生产疫苗不但可以改变传统
的疫苗生产方式和接种手段,而且会大大降低疫苗
的生产成本。
我国现已将乙型肝炎病毒包膜的蛋白基因导入
马铃薯和番茄中,获得了高效表达该外源基因的工
程植株,小鼠口服试验表明,该重组抗原蛋白可诱导
特异性的保护性抗体产生, 并进入临床应用的前期
阶段。结核病是危害人类健康最为严重的慢性传染
病之一,利用转基因植物口服疫苗可降低生产成本,
更好地服务于疾病预防。王凌健等 [ 1 4 ]将结核杆菌
分泌蛋白 MPT64基因转化胡萝卜,通过分子检测证
明已整合到胡萝卜的基因组中。W estern blotting检
测结果表明, 在转基因胡萝卜的蛋白质中含有
MPT64分泌蛋白,为进一步研究利用转基因植物研
制防治肺结核的新型疫苗提供了新材料。张更林
等 [ 1 5 ]将改造后的结核杆菌分泌蛋白 ( ESAT26)基
因转化热带水果番木瓜, 获得了转基因阳性植株。
中国工程院院士范云六等 [ 1 6 ]利用转基因玉米进行
植酸酶生产,该成果的技术达到国际领先水平,这种
含高植酸酶的玉米在加工成动物饲料添加剂后,可
有效降低家畜排泄物中的磷含量,从而降低水污染,
保护生态环境。它是利用植物生物反应器的技术进
行的一种节能生产的过程,不要工厂设备、没有能源
消耗, 只通过玉米在大田里面生产,就可以得到有较
高植酸酶含量的玉米种子。这一研究成果一方面使
得广大农民得到更加多的农产品附加值, 另一方面
它开创了在饲料工业和养殖业里的一种具有自己独
立知识产权的新型的技术领域, 充分体现了植物生
物反应器巨大的应用价值。我国利用农作物进行植
物生物反应器研究, 相继在药用蛋白、工农业用酶、
人和动物疫苗制剂的研究上取得了较多进展。
3 展望
31 植物生物反应器创造生物经济新时代
作物作为植物生物反应器大量生产外源目的蛋
白具有广阔的研究价值和应用前景。全球生物技术
飞速发展、生物产业不断壮大,尤其是朝气蓬勃的农
业生物技术已经成为许多国家发展战略的重点, 吸
引着众多投资,生物经济已经成为国际经济竞争的
焦点,逐步形成为与工业经济、信息经济相对应的新
经济形态。据测算,到 2020年全球生物技术市场将
达到 3万亿美元。这对于进一步提高我国生物产业
水平,促进国民经济更快、更好地发展具有重要的意
义。生物经济已经成为新的经济增长点,其市场空
间可能是信息产业的 10倍,全球生物技术及产业的
发展迅速。美国时代周刊预言, 2020年世界将进
入生物经济时代, 革命性的市场投放阶段预计在
2025年后到来,随着对生物技术和生物产业的不断
深化认识,大量的民营资产和民营企业意识到了的
投资的巨大潜力。据中国保健协会2006- 2007年
度中国生物产业投资分析报告 预测, 到 2015年我
国生物制品销售收入将会达到 1 100亿元, 植物生
物反应器低成本高产出的巨大前景吸引着越来越多
的商业聚焦,一批以植物生物反应器为技术支撑的
新型制药或生物技术公司纷纷建立起来,同时植物
生物反应器产品涉及百姓生活方方面面,囊括了医
药、食品、保健等。推动以作物为载体的植物生物反
应器技术的生物经济快速健康发展, 将会更好地加
快我国未来生物经济发展。
32 农作物作为植物生物反应器潜力巨大
植物生物反应器在全面提升农业综合生产力上
发挥着重要的作用,植物生物反应器的深入开发,将
现有植物功能体现出更大的利用价值,应用现代农
业生物技术,能够有效地改造传统产业,提高经济效
益, 减少环境污染, 培育一批新的生物产业。迄今为
止, 利用作物作为生物反应器生产具有临床应用价
值的药用蛋白已取得显著成绩。从 1989年我国第
一个生物工程药物 干扰素上市到现在, 已有乙肝
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2011年第 1期 庞俊峰等:植物生物反应器研究进展
疫苗、狂犬病疫苗及禽流感疫苗等多种基因工程药
品投入市场。随着人类对医药蛋白、人类疾病免疫
疫苗和家畜禽类疫苗需求的不断增加, 研究人员必
需开发出新的转基因表达生产系统才能满足这种需
求。与人类息息相关的作物除了具有其他真核生物
表达系统共有的特点外, 还有其他表达系统所不具
备的优势,结合现代生物农业技术措施就可以生产
可观的生物产品,因此作物将会成为未来植物生物
反应器研究和应用的最佳之选。人类粮食与食品概
念将被赋予更多的新含义, 更多的优秀现代科技成
果将造福于人类生产和生活。
参 考 文 献
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