全 文 ：文章编号 :100028551 (2007) 022152204
转基因培育可合成生物降解塑料的农作物
王爱苹　毛　雪　李润植
(山西农业大学农业生物工程研究中心 ,山西 太谷　030801)
摘 　要 :源于石油化工的塑料废弃物所造成的“白色污染”已严重影响到农业生产和生态环境 ,作为石化
塑料的替代品 ,生物可降解塑料是可再生的环保产品。聚羟基丁酸酯 (PHB) 和蓝藻素等生物质多聚物
是生产生物降解塑料所需的高分子化合物。本文论述了应用基因工程 ,培育可合成 PHB 和蓝藻素等多
聚物农作物的技术策略及研究进展 ,并讨论了培育合成生物降解塑料转基因植物所面临的挑战和发展
前景。
关键词 :生物可降解塑料 ;转基因作物 ;聚羟基丁酸酯 ;蓝藻素
DEVELOPING CROP PLANTS FOR PRODUCTION OF BIODEGRADABLE PLASTICS
BY TRANSGENIC APPROACHES
WANG Ai2ping 　MAO Xue 　LI Run2zhi
( Center for Agricultural Biotechnology , Shanxi Agricultural University , Taigu , Shanxi 　030801)
Abstract :“White pollution”caused by petroleum2derived plastic wastes is harmful to agriculture and ecosystem seriously. As a
sustainable alternative of conventional plastic , biodegradable plastic is environmental safety and renewable. Biomass polymers
such as Poly2β2hydroxybutyrate ( PHB ) and cyanophycin are high2molecular2weight compounds for the production of
biodegradable plastic. The article is focused on the current progress on the development of the transgenic crops accumulating
PHB and cyanophycin by the gene engineering approach. The challenge and prospect of transgenic plant based production of
biodegradable plastic was also discussed.
Key words :biodegradable plastics ; transgenic crops ; poly2β2hydroxybutyrate (PHB) ; cyanophycin
收稿日期 :2006204222
基金项目 :国家教育部科技重点项目和归国人员科研基金
作者简介 :王爱苹 (19722) ,女 ,山西右玉人 ,硕士 ,研究方向为分子遗传学。
通讯简介 :李润植 (19582) ,男 ,山西运城人 ,教授 ,研究方向为分子遗传学 ,Tel :035426288374 ; E2mail :rli2001 @hotmail . com　　环境污染和资源短缺是人类社会可持续发展所面临的重要问题 ,尤其是大量塑料制品的消费及其废弃物所造成的“白色污染”,已严重影响到农业生产和生态环境。现今日常生活和工业上广为应用的塑料均是以石油为原料经化学合成的石化产品 ,而石油资源日趋枯竭。这需要大力开发可再生资源 ,以确保人类社会和经济的可持续发展。应用生物合成转基因植物生产生物降解塑料的研究为此开辟了一条新途径。本文着重论述应用基因工程技术培育可合成生物降解塑料农作物的研究进展。 1 　积累聚羟基丁酸酯的转基因农作物自然界一些微生物可合成高分子化合物 ———聚羟基烷酯 (PHA) ,作为其营养和能量储存物质而参与细胞代谢。现已发现几十种聚羟基烷酯高分子聚合物 ,其中最常见的是聚羟基丁酸酯 (PHB) 和聚羟基戊酸酯(PHV) 。PHA 具有良好的生物相容性 ,在医学领域、工业领域广泛应用 ,如吸收缝线、药物控制释放体系的载体、人体组织移植等医疗用品[1 ] ,并可通过膜塑、挤压、
251　 核 农 学 报　2007 ,21 (2) :152～155Journal of Nuclear Agricultural Sciences
成膜、纺丝等得到各种产品 [2 ] 。1925 年 , 法国的
Lemoigne 首 次 在 Bacillus megatherium 中 发 现 了
PHB[3 ,4 ] 。20 世纪末 ,英国帝国化学工业公司首次通过
Methplophilus methylotrophus 发酵生产出 PHB[4 ] 。
图 1 　PHB 的生物合成途径
Fig. 1 　The PHB biosynthetic pathway
PHB 生物合成的三步反应 :乙酰 COA 转化为一线乙酰乙酰 COA ,β2酮硫解酶 (由 phbA 编码)催化 ;乙酰乙酰 COA 进一步转化为 D2
(2)2β2羟基丁酸 COA ,这步反应的关键酶是依赖 NADPH 的乙酰乙酰 COA 还原酶 (由 phbB 编码) ;D2(2)2β2羟基丁酸 COA 转化为
PHB ,所涉及的酶是 PHB 合成酶 (由 phbC编码)
Production of PHB requires the condensation of two acetyl2CoA molecules using a b2ketothiolase (phbA or bktB) , a D2specific reduction by
acetoace2tyl2CoA reductase (phbB) , and PHB polymerization by the synthase (phbC)
　　迄今 ,人们已克隆了 30 多个参与 PHA 合成途径
的基因。将这些基因导入高等农作物 ,利用转基因农
作物作为反应器生产 PHB 等生物降解塑料已取得一
些成功实例[5 ] 。PHB 是第一种在转基因农作物体内合
成的类塑料化合物。其生物合成途径中需要 3 种关键
酶 ,并从真养产碱杆菌 ( Alcaligenes eutrophus) 等微生物
中分离到编码这 3 种关键酶的基因 phbA , phbB 和
phbC (图 1) 。将这 3 个基因导入农作物体内并使正确
表达 ,合成积累了 PHB[6 ] 。1992 年 ,Poirier 等报道在转
基因拟南芥叶子中合成了 PHB[6 ] 。Nawrath 等[7 ] 分别
构建了 CaMV35S 启动子以驱动 phbA , phbB 和 phbC 的
3 个表达载体 ,在拟南芥 Rubisco 小亚基信号肽指引
下 ,定位于质体中表达。采用农杆菌介导法将这 3 个
表达载体分别转化拟南芥获得转单个基因植株 ,再通
过杂交使 3 个目的基因在同一株拟南芥中表达。转基
因拟南芥植株中 PHB 含量提高到植株干重的 14 % ,且
未对植株生长发育产生不良影响。Bohmert 等[8 ,9 ] 报
道 ,这 3 个关键酶基因共转化的拟南芥植株叶片中
PHB 积累量达 40 %干重 ,然而 ,高产 PHB 转基因植株
生长受到严重影响。
除模式农作物拟南芥外 , 转基因培育合成 PHB 的
工程农作株也在其他作物上获得成功。油菜 ( Brassica
napus) 种子发育期间 ,富含 PHB 合成所需的乙酰辅酶
A ,Houmei 等[10 ] 将从碱杆菌分离的 3 个控制 PHB 合成
的关键酶基因 ( phbA , phbB 和 phbC) 由种子特异表达
启动子驱动 ,在油菜种子中成功表达。转基因油菜成
熟种子积累 PHB 达 717 %鲜重。通过进一步改变脂肪
酸和氨基酸生物合成的中间产物流向 ,获得了能够合
成积累 PHBΠV 共聚物的转基因油菜 ,且种子中油脂的
合成并不受影响。多年生苜蓿 ( Medicago sativa) 亦是
转基因合成 PHB 的优良宿主植物。Saruul 等[11 ]将 PHB
的合成途径定位在质体中超表达 ,工程株系叶组织积
累 PHB 达 118gΠkg 干重 ,植株生长正常。甜菜 ( Beta
vulgaris) 具有庞大根储藏组织 ,适于作为转基因生物
反应器。Menzel 等[12 ] 培育成功超表达 PHB 合成途径
的转基因甜菜 ,根储藏组织中 PHB 积累量为 55mgΠg 干
重。亚麻 ( Linum usitatissimum ) 是一种油料和纤维作
物 ,其茎纤维是制造可降解复合材料的重要成分。
Wrobel 等[13 ]将上述 3 个关键基因导入亚麻 ,与野生型
相比 ,转化体 PHB 含量提高了 70 倍。进一步应用茎
特异启动子使这 3 个基因仅在茎组织细胞中表达 ,避
免了组成性表达所引起的生长缓慢和不育。同时 ,亚
麻纤维的机械性能明显增强。
2 　积累蓝藻素的转基因农作物
可生物降解塑料也能通过聚合氨基酸合成。例
如 ,聚γ谷氨酸、聚天冬氨酸 ,聚γ赖氨酸都可用来生
产水凝胶和用作加厚剂或分散剂[14 ,15 ] 。蓝藻素是另一
种高分子聚合物 (25～125KDa) ,经温和水解可生成聚
天冬氨酸的同型共聚体[16～19 ] (图 2) 。在自然界 ,许多
蓝细菌细胞能合成和大量积累蓝藻素。催化蓝藻素合
成的关键酶是蓝藻素合成酶。该酶催化连接天冬氨酸
残基的肽键形成 ,也催化精氨酸与天冬氨酸羟基之间
形成异肽键[20 ,21 ] 。合成生物可降解塑料的重要原料
———聚天冬氨酸是可溶和无毒的 ,在任何有机体中都
351　2 期 转基因培育可合成生物降解塑料的农作物
不能合成[22 ] 。因此 ,可利用基因工程技术 ,使蓝藻素
合成酶基因在生物量大的植物中表达 ,在农作物组织
中高水平合成积累蓝藻素 ,再提取和回收 ,以用于聚天
冬氨酸和生物可降解塑料的生产。
图 2 　蓝藻素分子结构图示
Fig. 2 　Molecular structure of cyanophycin
Neumann 等[21～24 ]成功地将细菌蓝藻素合成途径导
入烟草和马铃薯 ,获得了大量合成蓝藻素的转基因株
系。他们从一种蓝细菌 ( Thermosynechococcus elongatus)
BP21 菌株分离到蓝藻素合成酶基因 ( cphA ) 。将该基
因编码区域序列插入植物组成性表达载体 ,然后将该
表达载体导入烟草 ( Nicotiana tabacum ) 和马铃薯
( Solanum tuberosum) 基因组。在 CaMV35S 启动子的驱
动下 ,蓝藻素合成酶基因在转基因烟草和马铃薯组织
细胞中大量表达。检测发现 ,在其细胞质和细胞核中
均有蓝藻素合成酶作用的产物 ,即蓝藻素的积累 (不含
靶向信号) 。在转基因农作物组织细胞中 ,合成积累的
蓝藻素有两种形式 ,即水溶性和非水溶性的。从转基
因农作物组织中分离的水溶性聚合物能被蓝藻素酶和
异天冬氨酰二肽酶所切割 ,进一步说明在转基因农作
物组织细胞中所积累的聚合物就是蓝藻素 ,最大聚合
度大约是 125 (即蓝藻素分子量与主要单聚体β—
Asp —Arg 分子量的比率) 。转基因烟草叶组织所合成
的蓝藻素最大含量是叶干重的 1114 % (其中 0137 %是
可溶性的 ,0177 %是不溶性的) 。在这些转基因烟草株
系的后代叶组织中 ,蓝藻素平均含量大幅上升 ,但可溶
性蓝藻素的数量却降低。转基因马铃薯叶片中蓝藻素
最大量是干重的 0124 % (其中 0105 %是可溶性的 ,
0119 %是不溶性的) 。转基因马铃薯植物块茎中产生
的蓝藻素含量是叶组织含量的 814 倍。在电子显微镜
下观察 ,发现转基因烟草和马铃薯叶片以及马铃薯块
茎中积累的蓝藻素均为疏松聚集[23 ] 。
从表型上看 ,积累蓝藻素的转基因烟草和马铃薯
具有比野生型叶片厚的斑片。转基因植物叶绿体的基
粒片层数量少 ,体积小 ,生长速度缓慢。这些不良表
型 ,可能是由于蓝藻素的大量合成导致细胞组织中氨
基酸源库的亏损 ,或者是由于蓝藻素聚集干扰了细胞
质的正常功能[23 ] 。这样的转基因农作物要商业化推
广 ,还需要作进一步改进。改进的策略包括把蓝藻素
合成酶基因定向导入到其他细胞器如叶绿体中 ,并使
该基因高效表达。也可向这些转基因农作物导入其他
提高氨基酸合成的基因 ,以满足蓝藻素积累对氨基酸
的大量需求。还可考虑从其他蓝细菌 (如 Acinetobacter
或 Desulfitobacterium haf niense) 分离更多的蓝藻素合成
酶基因[25 ,26 ] ,并进行遗传转化研究 ,以培育能更有效地
大量合成和积累蓝藻素的转基因农作物。
3 　培育合成生物降解塑料转基因农作物的发
展前景
　　生物可降解塑料研究的最终目标是工业化应用。
因此 ,在开展生物可降解塑料研发中 ,生产成本和产品
价格是重要的因素之一。目前 ,石油源塑料产品的世
界市场价格低于 112 美元Πkg ,而生物降解塑料产品的
价格则高出 5～10 倍之多。粗略估计 ,利用转基因农
作物进行生物可降解塑料商业化生产 ,农作物组织中
合成积累的聚合物浓度至少要达干重的 15 %。例如 ,
PHB 含量若能达到农作物细胞干重的 20 %～40 % ,则
价格就可降到 015 美元Πkg 左右 ,完全可以与传统石化
来源的塑料价格进行竞争。目前 ,还未成功培育出能
合成积累如此高浓度聚合物 ,而又无其他负面效应的
转基因农作物品系。另外 ,还需要在大田条件下 ,分析
和评价转基因植物组织合成积累 PHB 或蓝藻素的稳
定性。
就积累蓝藻素的转基因马铃薯块茎而言 ,可依据
蓝藻素部分不溶于水和形成共聚体的特性 ,设计出适
合的方法和程序 ,将蓝藻素作为从马铃薯中提炼淀粉
的共同产品 ,在淀粉的提取和纯化过程中 ,将淀粉与蓝
藻素分离和分别收集 ,以降低用蓝藻素合成生物可降
解塑料的成本。可以相信 ,随着鉴定分离更多的调控
生物质塑料化合物合成的基因 ,以及农作物遗传分子
操作技术的发展 ,将会培育出高效积累生物可降解塑
料化合物 ,且环保的转基因工程农作物 ;基于转基因农
作物商业化生产生物可降解塑料的原料 ,将取得更大
进展。这不仅有利于消除“白色污染”,也可促进传统
农业向生物化工材料领域拓展 ,从而提高农业的产值
和经济效益。
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