来源：Front Plant Sci | 编译：DNA Lab Space
烟草，这一长久以来与香烟紧密相连的作物，正在合成生物学的重塑下迎来全新身份——一座“行走”的低碳生物炼厂。最新研究系统展示了以烟草为底盘植物，通过代谢工程与工艺创新，将光合作用固定的二氧化碳直接转化为高价值生物基产品，并为实现碳负排放生物炼制提供了可行方案。该研究不仅拓展了烟草的应用边界，也为非粮生物质资源的高值化利用开辟了新范式。
研究背景
全球碳中和目标的提出，正在倒逼以化石资源为基础的制造业加速转型。生物炼制被认为是对化石炼厂最具潜力的替代方案，但第一代生物炼制依赖粮食作物，存在“与人争粮”的伦理与资源困境；而利用木质纤维素类非粮生物质则面临着预处理成本高、糖化效率低等瓶颈。因此，寻找一种既能高效固定二氧化碳、又便于基因操作且可非粮化的植物底盘，成为合成生物学领域亟待解决的关键问题。
烟草，作为研究植物代谢的经典模式植物，恰好满足了上述多重需求。其光合效率高，生物量巨大，可在边际土地上规模化种植，且不属于食用作物。更为重要的是，烟草拥有成熟的遗传转化体系和丰富的次生代谢物合成调控知识，其叶片能够作为天然的“细胞工厂”合成油脂、橡胶、类胡萝卜素等高附加值产物。然而，此前的研究多聚焦于烟草中单一产物的积累，缺少从全流程角度审视其作为生物炼厂底盘的总体潜力。这项研究正是从系统集成视角出发，探索烟草在低碳生物炼制中的全产业链可行性，力图回答“如何让一棵烟草作物同时承担碳捕获、原料生产和产品提取的多重功能”。
研究方法
该研究遵循“分子设计与模块组装—烟草遗传转化与表型筛选—生物质预处理与产物提取—碳足迹与经济性评估”的总体技术路线，系统构建了基于烟草的低碳生物炼制框架。
在分子设计层面，研究团队首先对烟草叶片中的多条代谢通路进行了系统分析，确定了三个核心改造模块：碳固定增强模块、脂肪酸合成模块和天然橡胶聚合模块。研究人员利用合成生物学中的多基因堆叠策略，将这些模块相关的关键酶基因——包括果糖-1,6-二磷酸醛缩酶（FBA）、乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）、脂肪酸硫酯酶（FatA）以及橡胶转移酶复合体编码基因——构建到同一植物转化载体上，并由叶片特异型启动子驱动表达，以避免影响植株正常生长。
随后，研究采用农杆菌介导的叶盘法对烟草叶片进行遗传转化。经过组织培养、草铵膦抗性筛选和阳性植株再生，获得了多株稳定整合外源基因的T0代烟草。对T0代植株进行实时荧光定量PCR和Western blot检测，以确认各功能模块在转录和翻译水平的表达情况。后续通过连续自交获得T1、T2代纯合株系，并从中挑选出生长势与野生型无显著差异的株系作为候选工程株。
为全面评估工程烟草的实际炼化性能，研究团队开展了温室与田间两阶段种植试验。收获后的烟草地上部生物质被分为叶片和茎秆两部分，分别进行不同的处理。叶片部分采用有机溶剂萃取法提取脂肪酸和橡胶；茎秆部分则采用稀硫酸预处理结合纤维素酶酶解，测试其转化为可发酵糖的效率。最终，研究汇总了全过程物质流和能量流数据，结合生命周期评价（LCA）方法，对工程烟草生物精炼路线的碳足迹和单位产品生产成本进行了模拟核算。
研究结果
研究结果显示，经过模块化改造的烟草植株在主要农艺性状上与野生型对照相当，株高、叶片数及鲜重均无显著下降，表明多基因共表达并未给烟草带来明显的代谢负担。在目标产物积累方面，T2代纯合株系的叶片总脂肪酸含量达到干重的14.8%，而野生型仅为2.9%，提升了约5倍。进一步分析脂肪酸组分发现，C16和C18系列脂肪酸占比超过80%，其中可作为生物柴油优质原料的棕榈酸、硬脂酸和油酸的比例最高，显示其油脂品质优异。与此同时，橡胶合成模块在叶片胶乳中驱动了天然橡胶的积累，含量可达叶片干重的2.3%，且其分子量分布在20万到80万道尔顿之间，基本达到工业天然橡胶的等级要求。
在生物质糖化性能上，工程烟草茎秆经过稀硫酸预处理后，纤维素酶解糖化效率达到理论值的78.5%，与未经改良的烟草及其他常见能源植物相比处于较高水平。基于上述数据，研究团队按照每公顷年产25吨干生物质计算，工程烟草每公顷可同时生产约3.7吨脂肪酸、0.6吨橡胶和8.2吨可发酵糖。这相当于在同等土地上，烟草生物炼厂可产出比传统油菜籽多出近2倍的油脂，且不额外占用粮食耕地。
生命周期评价结果表明，该工程烟草生物精炼全流程的二氧化碳净排放仅为传统石油基路线同功能产品碳排放的38%。其中，光合碳固定所抵消的碳量占系统总负排放量的71%，而提取和预处理阶段的能耗仅占总碳足迹的15%。即便不考虑碳交易收益，其综合生产成本也已接近以棕榈油为原料的生物柴油成本区间，展现出显著的经济竞争力。
讨论与展望
这项研究令人信服地证明，烟草能够通过合成生物学改造，从“尼古丁工厂”转变为低碳生物炼制的多产品联产平台。其核心突破不在于单个基因的过表达，而在于将碳同化、油脂合成、橡胶聚合和生物质糖化等模块整合进同一植物中，形成协同生产的“模块化细胞工厂”。这种多产品联产策略有效分摊了原料种植和预处理成本，是提升生物炼制经济性的智慧路径。
当然，研究也指出当前框架仍处于概念验证阶段，距离实际规模化应用还有若干障碍。例如，叶片中橡胶与油脂同时提取的工艺体系尚需优化；烟草中尼古丁及生物碱残留需要脱毒处理，以保证后续生物基产品的安全性；此外，田间开放条件下工程植株的生态安全性评估以及公众接受度也需同步跟进。未来，该技术若能与基因编辑和快速育种技术进一步结合，并在边际土地上进行多环境验证，烟草或许能成为支撑下一代碳中和生物经济的关键负碳作物。这种绿色转型，不仅是对烟草传统身份的一次彻底颠覆，更是人类重新发明植物利用方式的生动案例。
参考来源
Yin Q, Zhu Z, Chen Y, Yang M. Leveraging tobacco for a low-carbon biorefinery. Frontiers in Plant Science, 2025, 16: 1534852. DOI: 10.3389/fpls.2025.1534852.