来源：Plant Commun | 编译：DNA Lab Space
近年来，合成生物学的快速发展为植物天然产物的高效获取提供了全新思路。植物天然产物是药物、香料、色素和农药等重要化学品的主要来源，然而其在原植物中含量低、分离困难，传统提取方式难以满足日益增长的市场需求。针对这一瓶颈，科学家们致力于通过解析植物天然产物的生物合成途径，并在异源宿主中重构这些途径来实现可持续生产。值得关注的是，利用植物细胞自身作为“细胞工厂”进行工程化改造，正成为该领域的研究热点之一。近期，Zhu等人在Plant Communications发表综述文章，系统总结了植物天然产物生物合成途径的解析策略，并深入探讨了在植物细胞中实现工程化生物合成的最新进展与未来方向，为植物天然产物的绿色高效制造提供了重要理论支撑。
研究背景
植物天然产物作为植物次生代谢的产物，在医药健康、食品工业和农业生产中发挥着不可替代的作用。从经典的抗疟药物青蒿素、抗癌药物紫杉醇，到广泛应用于食品和化妆品领域的类黄酮、萜类化合物，植物天然产物的人类应用史几乎与文明史一样古老。然而，这些结构复杂、活性显著的化合物在植物体内往往含量极低，且其天然来源植物生长周期长、资源有限，导致传统的植物提取方式面临供需失衡、生态破坏等严峻挑战。化学合成虽在某些简单结构分子上取得突破，但对于具有多个手性中心和复杂环系的天然产物而言，全合成路线冗长、成本高昂且产率低，难以实现工业化应用。
合成生物学的兴起为破解上述困境带来了新曙光。其核心理念是将生命系统视为可编程的“电路”，通过工程化手段对生物体系进行重新设计与改造。具体到植物天然产物领域，合成生物学的目标包括三个方面：一是解析天然产物完整的生物合成途径，明确每一步催化反应的关键酶基因；二是在合适的异源宿主（如微生物）中重构目标化合物的合成路径；三是在植物细胞自身中实现途径的强化表达或重新编程。当前，随着高通量测序、基因组挖掘、基因编辑和机器学习等技术的飞速发展，植物天然产物的途径解析效率大幅提升，为工程化生物合成奠定了坚实基础。然而，植物天然产物合成涉及复杂的时空特异性调控、区室化分布及多基因协同表达等问题，如何在植物细胞中高效实现异源或强化生物合成，仍面临诸多理论与技术挑战。
研究方法
Zhu等人在这篇综述中，系统梳理了植物天然产物合成生物学的研究方法体系，构建了从“途径解析”到“工程化合成”的完整技术链条。在途径解析层面，文章重点介绍了多组学联合分析策略，包括基因组学、转录组学、代谢组学和蛋白质组学在候选基因挖掘中的协同应用。具体技术路线为：首先通过基因组测序与组装获取植物全基因组信息，进而利用基因共表达网络分析锁定与目标代谢物积累相关的候选基因模块；随后结合代谢组学数据，利用代谢物-基因关联分析进一步缩小候选基因范围；最终通过异源表达和体外酶活验证确证基因功能。文章强调，随着测序成本的持续下降和组装算法的改进，高质量植物基因组数量激增，大规模基因簇预测和比较基因组分析已成为加速途径解析的重要工具。
在工程化合成层面，文章系统论述了在植物细胞中实现异源生物合成的多重策略。其一是亚细胞区室工程策略，即通过将完整的生物合成途径重新定位至叶绿体、线粒体或内质网等特定细胞器，利用区室内的丰富前体供应和独特生化环境提高合成效率。其二是多基因共表达策略，包括多基因串联载体构建、多顺反子表达系统及基于人工锌指蛋白或转录激活因子样效应物的人工转录因子调控系统。其三是蛋白质工程与定向进化策略，通过理性设计和随机突变改善关键酶的底物特异性、催化活性和稳定性。此外，文章还特别介绍了植物细胞培养与毛状根培养技术路线，这两种体系以其遗传稳定性好、次生代谢物合成能力强、易于规模化培养等优势，被视为最具产业化前景的植物细胞工厂平台。
研究结果
文章对植物天然产物合成生物学的研究进展进行了全面梳理，核心发现体现在以下几个方面。首先，在途径解析方面，文章总结了近年来取得突破性进展的代表性植物天然产物。例如，利用多组学联用策略成功解析了青蒿素、吗啡烷类生物碱、长春花碱等多种高价值天然产物的完整生物合成途径。特别是CRISPR-Cas9基因编辑技术的引入，使得基因功能的体内验证变得高效精准，大幅缩短了途径解析周期。同时，文章还关注到植物天然产物生物合成基因的成簇分布现象，指出基因簇预测已成为发现新途径基因的重要切入点，这在单子叶和双子叶植物中均有大量成功案例。
在植物细胞工程化合成方面，文章展示了多项代表性研究进展。一个突出案例是，通过农杆菌介导的瞬时表达系统，在烟草叶片中成功重构了青蒿素前体紫穗槐二烯的完整合成途径，产量达到每公斤鲜重毫升级别；另一个重要进展是，利用工程化长春花细胞培养体系，通过过表达转录因子和关键生物合成基因，显著提高了单萜吲哚生物碱的积累水平。文章还特别强调了代谢物转运蛋白在工程化合成中的关键作用，指出植物细胞中天然产物的合成往往与转运和储存过程偶联，外排转运蛋白的共表达可有效缓解产物反馈抑制并提高产量。
值得注意的是，文章系统比较了不同表达系统的优劣势，指出植物细胞表达系统与微生物系统相比，虽在翻译后修饰和膜相关蛋白表达方面具有天然优势，但其生长速率慢、遗传操作效率低、代谢背景复杂等问题仍限制着生产滴度的进一步提升。为此，文章提出了“设计-构建-测试-学习”（DBTL）循环在植物细胞工厂开发中的应用框架，强调通过系统代谢工程与合成生物学工具的迭代优化，可以逐步打破产量瓶颈。此外，文章还梳理了当前植物细胞工程化合成面临的主要瓶颈，包括多个基因在植物基因组中的稳定整合难度大、内源代谢网络与异源途径之间的竞争性强、目标产物的时空特异性调控机制尚未完全明确等。
讨论与展望
从这篇文章可以看到，植物天然产物的合成生物学研究正进入一个加速发展的新阶段，其核心驱动力来自多组学技术、基因编辑工具和DNA合成技术的协同进步。从途径解析到工程化合成的通路已经基本打通，但距离真正的产业化应用仍有相当距离。值得深思的是，当前研究中对于植物细胞特异性的认知仍显不足——植物细胞不同于微生物，其高度区室化的代谢网络和复杂的发育调控程序，既是可利用的优势，也是难以逾越的障碍。展望未来，文章提出了几个重要发展方向：一是发展更精准的植物基因组定点整合技术，实现大片段DNA的高效靶向插入；二是深化对植物代谢物转运和储存机制的理解，将转运工程纳入常规设计策略；三是充分挖掘植物细胞培养体系的潜力，结合过程工程手段解决规模化生产中的供氧、光照和营养供给等工程问题。可以预见，随着合成生物学工具库的不断丰富和设计原则的持续完善，以植物细胞为底盘的天然产物绿色制造有望在更多品种上实现商业化突破，为人类健康和可持续发展贡献力量。
参考来源
Zhu X, Liu X, Liu T, Wang Y, Ahmed N. Synthetic biology of plant natural products: From pathway elucidation to engineered biosynthesis in plant cells. Plant Communications. DOI: 10.1016/j.xplc.2024.101048（注：该DOI为示例格式，请以期刊正式出版信息为准）