来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
植物天然产物是创新药物、农药和香料的核心来源，但传统获取方式受限于资源匮乏与工艺复杂。合成生物学的兴起为天然产物高效供给提供了新思路，而本氏烟草（*Nicotiana benthamiana*）凭借瞬时表达体系的高度可操作性，正快速成为植物合成生物学领域最炙手可热的底盘。近期发表于《Current Opinion in Plant Biology》的综述系统阐释了如何通过多重工程策略，将这种模式植物打造成天然产物生物合成的通用平台，其展现出的非凡潜能为绿色制造开辟了全新路径。
研究背景
植物在长期进化过程中演化出极其复杂的次生代谢网络，能够合成种类超过20万种的天然产物，涵盖萜类、生物碱、苯丙素等，其中许多分子具有不可替代的药理活性。然而，这些高价值化合物的天然产量通常极低，化学全合成步骤繁琐，而微生物底盘在表达植物来源的细胞色素P450酶等膜蛋白时常常面临功能折叠和辅因子供给的困境。因此，植物底盘本身因具备完整的内膜系统、充足的底物前体和合适的氧化还原环境，正被重新审视并赋予重要使命。
本氏烟草在众多植物中脱颖而出，不仅是经典的模式植物，更已成为代谢工程的明星底盘。其突出优势体现在三个方面：首先，通过农杆菌介导的瞬时转化，目的基因可在数天内高效表达，使“设计—构建—测试—学习”的循环周期从数月压缩至1–2周；其次，叶片生物量大，易于规模放大，温室或植物工厂条件下可实现稳定生产；第三，基因组编辑工具在本氏烟草中已高度成熟，为精确代谢流重编程奠定了技术基础。尽管天然产物合成途径的异源重建仍面临代谢交叉干扰、酶活性不足和产物毒性等共同难题，该综述指出，系统性地将代谢途径模块化、区室化并结合宿主代谢网络的重新布线，是突破瓶颈的核心思路。
研究方法
该综述全景式归纳了构建本氏烟草天然产物合成平台的技术框架，覆盖从基因递送到代谢流优化的全链条策略。
在基因导入层面，农杆菌渗透法（agroinfiltration）是最常用的瞬时表达技术。通过将携带目标基因双元载体的农杆菌直接注射或真空渗入烟草叶片，T-DNA能够瞬时转染大量体细胞，实现多基因的协同表达。研究者通常利用相容性不同的多组载体共浸润，或采用基于2A自剪切肽、内部核糖体进入位点的多顺反子结构，将复杂途径拆分为独立模块，再在同一叶片中快速组合测试。这种“即插即用”的特性使得途径构建效率远超稳定转基因。
为克服瞬时表达周期短、蛋白丰度波动大的局限，稳定转基因与细胞系培养是走向产业化的必经之路。综述详细介绍了利用CRISPR/Cas9技术对本氏烟草内源途径进行敲除或敲低的方法，例如通过靶向烟草内源苯丙烷或甾醇途径的支路基因，减少碳流竞争，为导向目标产物的前体供应清除障碍。同时，利用基于attP/attB位点特异性重组系统的基因叠加技术，可实现大片段代谢途径在预验证基因组“着陆垫”上的稳定整合，确保多基因的一致性表达，避免位置效应。
亚细胞区室化是策略中的重要一环。不同的合成酶在叶绿体、内质网或细胞质中可能表现出截然不同的活性。综述强调，叶绿体因富含乙酰辅酶A、ATP和还原力，是萜类化合物合成的理想场所；而内质网则为细胞色素P450酶提供膜锚定和氧化还原伴侣。研究者通过信号肽引导关键酶定位于特定区室，甚至将整条途径拆分到不同亚细胞结构中，利用代谢物跨膜运输实现顺序转化，显著提高了番茄红素、紫穗槐二烯等萜类及莨菪碱、尼古丁等生物碱的产量。此外，采用化学诱导的瞬时沉默或合成生物学开关，可在达到一定生物量后再启动产物合成，规避中间体毒性。
研究结果
该综述整合了大量前沿案例，有力地证明了本氏烟草平台在多种结构类型天然产物合成中的普适性和可塑性。
在萜类化合物合成方面，本氏烟草叶片已成功生产出倍半萜（如青蒿素前体紫穗槐二烯）、二萜（如紫杉醇前体紫杉二烯）以及四萜（虾青素）。通过叶绿体定位策略，紫穗槐二烯的产量达到可观的毫克级每克鲜重；而通过同时增补甲羟戊酸途径限速酶并与内源牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸池耦合，番茄红素在叶片中的积累甚至使其呈现肉眼可见的红色，部分报道产量已突破干重的0.5%。这些结果表明，本氏烟草的类异戊二烯前体库具有巨大的挖掘潜力。
生物碱途径的构建则充分体现了本氏烟草的近缘物种优势。作为烟草属的一员，其本身拥有吡啶生物碱途径，为托烷生物碱和苄基异喹啉生物碱等支路重建提供了熟悉的细胞环境。研究者通过导入莨菪碱途径的成对P450酶和酰基转移酶，在本氏烟草中实现了微量但结构确证的东莨菪碱合成。更具突破性的是，在瞬时表达基础上反馈抑制内源竞争途径，将尼古丁中间体重新定向，结合源于其他植物的下游修饰酶，获得了系列非天然“新天然产物”，展示了超越自然进化的代谢扩展能力。
苯丙素和黄酮类合成同样获益于区室化策略。某些结构复杂的苯丙素需在细胞质和内质网中协同完成核心骨架与修饰，研究者通过精细调控查尔酮合成酶与细胞色素P450的时空表达，使大豆异黄酮和白藜芦醇等产物的糖基化修饰效率大幅提升。此外，利用低温处理模拟胁迫信号，诱导内源转录因子表达，可进一步激活整条苯丙烷途径，为外源途径提供超额前体。
综述还特别梳理了平台化技术的最新突破，如“hypertrans”系列的拟南芥转录因子共表达，能够在叶片衰老前持续驱动高转录水平；“NbeX”无标记基因组编辑系使多重突变体构建周期显著缩短。整体而言，本氏烟草已从单一的瞬时表达测试载体，进化为能够完成复杂途径精准构建、高效表达和产物存储的综合性生物合成平台。
讨论与展望
尽管成就斐然，本氏烟草平台仍面临从实验室走向工业化的多重挑战。当前瞬时表达的规模受限于真空渗入设备和温室空间，频繁的农杆菌操作也使成本居高不下。未来的研究需着力于开发可诱导、可循环的高密度种植系统，以及低成本的瞬时转染替代技术。同时，稳定高产系的构建离不开基因组级代谢模型的指导，以理性设计代谢流分配，最小化旁路损耗。
该综述洞察到，本氏烟草平台的一个独特发展方向是“植物代谢组嫁接”。通过逐步迭代重建来自不同植物区系的全长途径，并利用烟草本身可放大的生物量与健全的真核内膜系统，有望将数十种无法在微生物中正确折叠的膜结合酶级联通路逐一实现。此外，结合计算酶设计、无细胞传感元件和快速质谱成像技术，可能在本氏烟草叶片内直接实现“高内涵途径筛选”，极大加速先导化合物的功能鉴定与结构衍生。
本氏烟草不仅为稀缺植物天然产物提供了替代供应方案，更作为一个强大的活体化学工厂，赋能合成生物学家探索和重塑植物代谢的无穷潜力。未来，随着合成生物学“设计原则”在植物底盘中的深度贯彻，本氏烟草势必将从研究工具跃迁为绿色生物制造的中流砥柱。
参考来源
- D. Golubova, C. Tansley, H. Su, N. Patron. Engineering *Nicotiana benthamiana* as a platform for natural product biosynthesis. *Current Opinion in Plant Biology*, 2024. DOI: 10.1016/j.pbi.2024.102611.
DOI: 10.1016/j.pbi.2024.102611