植物代謝工程在生物農藥生產中的應用

余正軍，范曉培

（陜西省漢中市農業技術推廣中心，陜西 漢中 723000）

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

1 生物工程

植物細胞培養、組織培養等離體培養為代謝工程提供了材料。這些技術客服了植物生長的區域限制和氣候限制，使植物源農藥的生產能夠得以工業化。在西方，藥物的生產中有約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，大規模地種植一種植物很容易引起病害。植物組織、細胞等的離體培養提供了一個確定的體系，保證了產物的持續性、均一性和產量；可以為發現新奇的化合物提供可能；使下游處理更有效；離體培養體系容許通過生物轉化從廉價的前體物質得到新奇的產物；通過對細胞生長的控制和對代謝過程的調節可以有效地降低成本。然而，氧氣和養分的傳質效率低，培養條件不均勻，細胞對剪切壓力敏感，這些導致自由的組織、細胞在擴大化培養過程大批量死亡。于是固定化細胞便成為了用于擴大化培養的很好的選擇。固定化細胞可以容許氧氣和養料的自由擴散，充當微生物污染的屏障和細胞生長的支持物，這對于后續的擴大化培養非常有利。另外，固定化細胞體系可以產生比自由組織、細胞更多的次生代謝物，可能是因為大的細胞聚合體可以增加細胞與細胞之間的交流。但是，正如前面提到的，大多數的次生代謝物，包括雷公藤甲素和生物堿，是不會分泌到培養液中的。為了更加經濟地利用固定化的組織或細胞，我們便有必要使次生代謝物分泌到組織或細胞外的培養基中來。一些研究發現，殼聚糖、tween80可以使細胞膜透化，從而達到這一目的。雖然次生代謝物分泌到培養基中，但是，細胞分泌到培養基中的酶可能會使這些有價值的次生代謝物分解，所以，及時將培養基中的產物移走可以提高整體的產量。另外，通過產物轉移阻止反饋抑制調節也可能是產物產量增加的原因。

植物有著復雜的次生代謝途徑，通過添加目標產物的前體物質（precursor）和誘導子可以增加目標產物的產量。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植物的防衛性物質的生物合成，可以用來提高雷公藤內酯醇和生物堿的產量。另外，殼聚糖也可能具有誘導次生代謝物合成的作用。根據雷公藤內酯醇和生物堿的生物合成途徑的假設，向培養體系中加入倍半萜和生物堿的前體物質法尼基焦磷酸、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絡的研究和認識的深入，以及分子克隆和遺傳轉化技術的飛速發展，應用基因工程對植物次生代謝途徑的遺傳特性進行改造，即植物次生代謝基因工程的研究日益增多，已發展為具有廣闊應用前景的熱點研究領域。迄今，已建立的植物次生代謝途徑基因修飾的策略主要有，導入單個、多個靶基因（例如編碼目標途徑限速酶的基因）或一個完整的代謝途徑，使宿主植物合成新的目標物質；通過反義RNA和RNA 干涉等技術減少靶基因的表達，從而抑制競爭性代謝途徑，改變代謝流向和增加目標物質的含量；對控制多個生物合成基因的轉錄因子進行修飾，更有效地調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。在中間產物和酶水平上對其它次生代謝途徑所進行的詳細研究已經鑒定出許多具有重要醫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，我們可以使目的產物的酶通路打通，并且阻斷其他產物的合成，從而提高目的產物的量。雷公藤內酯醇是一種二萜，它的合成與赤霉素的合成構成了競爭，我們可以通過阻斷另外一條途徑達到提高內酯醇含量的目的。

3 小結

植物次級代謝途徑的進化使植物本身具備抵抗病蟲害的本領，我們用植物的這些武器代替化學農藥應用于農業生產中，既達到了農藥應有的作用，又防止了對環境的污染，甚至破壞。隨著生物工程和生物技術的發展，在不久的將來，我們有望使更多的植物源農藥得以工業化生產，造福人類。