植物代谢工程在生物农药生产中的应用

余正军，范晓培

（陕西省汉中市农业技术推广中心，陕西 汉中 723000）

从诞生之日起，农药就为人类做出了不可磨灭的贡献。没有农药，地球上的粮食是无法满足人们的需求的。但是，农药在为人类做出贡献的同时也造就了很多弊端，甚至灾难。早期的化学农药，如1939年瑞士化学家保尔·米勒开发的DDT，毒性高，且很难在环境中降解，对环境造成了巨大的污染。

1 生物工程

植物细胞培养、组织培养等离体培养为代谢工程提供了材料。这些技术客服了植物生长的区域限制和气候限制，使植物源农药的生产能够得以工业化。在西方，药物的生产中有约25%是从植物中提取的。但是这些植物在离开了它们原有的栖息地后很难生存，而且，大规模地种植一种植物很容易引起病害。植物组织、细胞等的离体培养提供了一个确定的体系，保证了产物的持续性、均一性和产量；可以为发现新奇的化合物提供可能；使下游处理更有效；离体培养体系容许通过生物转化从廉价的前体物质得到新奇的产物；通过对细胞生长的控制和对代谢过程的调节可以有效地降低成本。然而，氧气和养分的传质效率低，培养条件不均匀，细胞对剪切压力敏感，这些导致自由的组织、细胞在扩大化培养过程大批量死亡。于是固定化细胞便成为了用于扩大化培养的很好的选择。固定化细胞可以容许氧气和养料的自由扩散，充当微生物污染的屏障和细胞生长的支持物，这对于后续的扩大化培养非常有利。另外，固定化细胞体系可以产生比自由组织、细胞更多的次生代谢物，可能是因为大的细胞聚合体可以增加细胞与细胞之间的交流。但是，正如前面提到的，大多数的次生代谢物，包括雷公藤甲素和生物碱，是不会分泌到培养液中的。为了更加经济地利用固定化的组织或细胞，我们便有必要使次生代谢物分泌到组织或细胞外的培养基中来。一些研究发现，壳聚糖、tween80可以使细胞膜透化，从而达到这一目的。虽然次生代谢物分泌到培养基中，但是，细胞分泌到培养基中的酶可能会使这些有价值的次生代谢物分解，所以，及时将培养基中的产物移走可以提高整体的产量。另外，通过产物转移阻止反馈抑制调节也可能是产物产量增加的原因。

植物有着复杂的次生代谢途径，通过添加目标产物的前体物质（precursor）和诱导子可以增加目标产物的产量。茉莉酸甲酯是一种重要的植物压力信号分子，它通过与多种生物合成基因作用诱导植物的防卫性物质的生物合成，可以用来提高雷公藤内酯醇和生物碱的产量。另外，壳聚糖也可能具有诱导次生代谢物合成的作用。根据雷公藤内酯醇和生物碱的生物合成途径的假设，向培养体系中加入倍半萜和生物碱的前体物质法尼基焦磷酸、烟酸和异亮氨酸，用以增加次生代谢物的合成。

2 基因工程

随着对植物次生代谢网络的研究和认识的深入，以及分子克隆和遗传转化技术的飞速发展，应用基因工程对植物次生代谢途径的遗传特性进行改造，即植物次生代谢基因工程的研究日益增多，已发展为具有广阔应用前景的热点研究领域。迄今，已建立的植物次生代谢途径基因修饰的策略主要有，导入单个、多个靶基因（例如编码目标途径限速酶的基因）或一个完整的代谢途径，使宿主植物合成新的目标物质；通过反义RNA和RNA 干涉等技术减少靶基因的表达，从而抑制竞争性代谢途径，改变代谢流向和增加目标物质的含量；对控制多个生物合成基因的转录因子进行修饰，更有效地调控植物次生代谢以提高特定化合物的积累。目前，在基因水平上研究得最清楚的植物次生代谢途径是合成黄酮类及花青素的次生代谢途径。在中间产物和酶水平上对其它次生代谢途径所进行的详细研究已经鉴定出许多具有重要医药价值的次生代谢物，如吲哚和异喹啉类生物碱等。

植物次生代谢物的合成受到多种酶的共同作用。通过基因工程的手段，我们可以使目的产物的酶通路打通，并且阻断其他产物的合成，从而提高目的产物的量。雷公藤内酯醇是一种二萜，它的合成与赤霉素的合成构成了竞争，我们可以通过阻断另外一条途径达到提高内酯醇含量的目的。

3 小结

植物次级代谢途径的进化使植物本身具备抵抗病虫害的本领，我们用植物的这些武器代替化学农药应用于农业生产中，既达到了农药应有的作用，又防止了对环境的污染，甚至破坏。随着生物工程和生物技术的发展，在不久的将来，我们有望使更多的植物源农药得以工业化生产，造福人类。