植物中富含碳水化合物、蛋白質和脂肪等營養物質，同時也含有大量次生代謝產物。其在藥品、香料、染料、色素、殺蟲劑、食品添加劑等領域具有悠久的應用歷史[1]。長期以來，植物資源己經成為人類賴以生存的食物與藥品的重要資源之一。植物次生代謝產物是植物體中存在的一大類非生長發育所必需的小分子有機化合物，但在植物抗逆及抵御病蟲害等方面發揮著重要作用。

目前已報道的植物次生代謝產物主要包括生物堿、黃酮類、醛類、木脂素等，其種類達到數萬種以上。目前，部分次級代謝產物已被開發成商業化產品，具有廣闊的社會需求與重要的應用價值。例如，青蒿素被用于痢疾的治療，紫草素用于抗菌，香蘭醛、玫瑰油用作香料，除蟲菊素、苦參堿、藜蘆堿用作殺蟲劑，蛇床子素、香芹酚、小檗堿等已被廣泛用于農業病害的防治。

隨著對新品類藥用植物的研究以及先進技術的投入，越來越多的具有高生物活性的新型藥用植物次生代謝產物相繼被發現，對植物資源的需求正不斷增加。除野生采集外，藥用植物的人工栽培仍是目前提供原材料的主要途徑。人工栽培對植物種子、土壤、氣候條件等要求較高，栽培過程中易感染病害、部分藥用植物栽培時間長、管理成本高。同時，藥用植物栽培與農作物栽培的爭地矛盾日益突出[1]，高活性植物次生代謝產物供需關系緊張[2]。

而利用植物干細胞生物反應技術對經誘導生成的植物單細胞進行大規模集中離體飼喂，以大量獲得高活性目標代謝產物是目前解決藥用植物資源問題的有效途徑。

一、植物干細胞概念及發展

植物組織培養與細胞培養開始于19世紀后半葉，在Schleiden和Schwann創立的細胞學說基礎上，1902年德國植物生理學家Habedandt提出了著名的″植物干細胞全能性″論點[3]，認為植物干細胞具有在體外發育成完整植株的能力。但直到1934年，White[4]使用離體的番茄根部建立了第一個活躍生長的無性系，才使根的離體培養試驗首次獲得了真正的成功。二十三年后，Skoog和Miller[5]發現，激動素可以有效地促進外植體的細胞分裂和芽再生。其中最重要的是，高激動素/生長素比例誘導芽的發生而低激動素/生長素比例促進根的發生。這一發現奠定了植物組織培養中再生和細胞工程的基礎，揭開了激素調控植物器官再生的秘密面紗。Muir等人[6]利用萬壽菊愈傷組織建立了首個植物干細胞懸浮系。他們通過愈傷組織哺育方法成功地觀察到單個細胞可以分裂形成小的細胞團。1958年，Steward等人[7]將胡蘿卜根韌皮部的細胞進行離體培養，發現這些細胞失去已分化細胞的結構特征并發生反復的細胞分裂，最終形成胚胎并發育成具有根、莖、葉等器官的完整植株。同年，德國科學家Reinert[8-9]也獲得了類似的研究結果。此后，經過研究人員50余年的不斷驗證，植物干細胞的全能性已經得到充分驗證。

圖1. 不同品種的植物干細胞

二、植物干細胞生物反應技術

與常規的栽培技術相比，植物組織和細胞培養進行藥用植物目標次生代謝產物的生產具有顯著的優越性。[10]與栽培植物不同，植物干細胞生物反應技術使用工業化反應器生產系統及配套回收工藝，在自動控制系統的加持下，可實現全年不間斷運轉。不受土壤環境、氣候條件、生物及非生物脅迫的影響。全培養周期無菌環境控制，無需使用農藥防治病蟲草害的侵擾。同時，植物干細胞生物反應所供給的基礎營養成分價格低廉，與哺乳動物、昆蟲、酵母細胞培養體系相比，成本效益更加顯著。

在作為生物合成底盤細胞方面，植物干細胞合成植物源天然代謝產物具有先天的優勢。與細菌不同，植物干細胞作為真核系統，它們具有正確折疊和組裝多聚體蛋白質的能力。此外，植物干細胞能夠進行在許多原核生物中很少發生的蛋白質翻譯后修飾，為生物合成通路調節增添了更多可能性。植物干細胞在對目標產物進行生物合成時，不會產生細菌毒素，合成系統安全性更高。另外，植物干細胞包含復雜的內膜，能夠順利表達需定位于質體系統的原生生物合成過程關鍵蛋白酶。

表1. 不同生物合成底盤情況對比

植物細胞遺傳轉化方法成熟穩定，隨著新基因編輯工具的發展，異源基因的表達調控不再困難。通過對代謝途徑的研究，實現對目標產物生物合成路線關鍵基因、限速酶進行遺傳操作，提高目標產物生物合成量。亦可利用基因工程技術探索或人工創造全新生物合成路線，獲得本底細胞地盤品種不具備合成能力的其他目標代謝產物。將底盤細胞的優勢及目標代謝產物合成能力相結合，大幅提升產量。同時，通過生物反應轉化作用，能夠將價值較低的前體物質轉化為高價值目標產物。植物干細胞生物反應技術作為解決資源問題的有效途徑而成為了當代生物技術的重要發展領域之一。

圖2. 植物干細胞生物反應

作為生物合成底盤，植物干細胞展現出了其獨有的優勢。轉基因或基因編輯工程細胞并非完整的植株品種，面臨更少的法規監管上問題。但是，非模式植物原生干細胞獲取具有不確定性，高度復雜的代謝網絡調控機制也給生物合成工作帶來了前所未有的挑戰。

表2. 植物干細胞生物催化合成案例[13]

三、植物毛狀根生物反應技術

植物材料生物反應工廠中最常用的生產系統是干細胞懸浮培養。然而，在特殊情況下，未分化的組織中可能無法產生某些特定次生代謝產物，或某些植物次生代謝產物的合成高度依賴于特定的組織器官時，毛狀根生物反應技術提供了另一種解決方案。毛狀根生物反應技術是利用發根農桿菌浸染植物，使植物產生毛狀根。

圖3. 植物毛狀根生物反應

該技術不需外源生長調節劑和額外光源，生長迅速、分支多、特定次生代謝物質含量遠高于細胞懸浮培養含量。毛狀根生物反應同樣也受營養成分、誘導子、前體和基因操作等因素的影響，是目前被認為最好的獲得植物次生代謝產物的原材料之一。

表3. 植物毛狀根生物催化合成案例[13]

目前，使用毛狀根生物反應技術作為生物合成轉化的適合材料，正在獲得超越植物干細胞培生物反應的優勢。它們具有許多優點，包括生化和遺傳穩定性、對培養條件變化的敏感性較低、酶潛力與親本植物非常相似和低成本。

四、植物干細胞培養發展現狀與研究進展

1. 全球產業化現狀

多年來，通過植物干細胞生物反應技術生產藥用成分取得了很大的進展。目前已經研究過的植物有400多種，能夠生產超過600多種的初級、次級代謝成分，其中有相當大部分具有藥用價值，部分已成功實現工業化生產。早在1956年，美國Routier和Nickell就提出了從植物干細胞培養合成天然產物的專利[10]。日本三井石油化工公司于1983年宣布將紫草寧作為染料和藥物進行工業化生產，此外，從毛地黃細胞培養物通過生物轉化生產地高辛，黃連細胞培養物生產黃連堿，人參根培養生產人參皂苷等均實現了工業化生產。其他如長春花和彩葉紫蘇等細胞培養，也達到中試水平[12]。通過紅豆杉干細胞培養技術，紫杉醇生物合成量達到了1045mg/L,較親本植株提升超過298倍。積雪草總苷類合成量達到1670mg/g DW,已完全滿足產業化需求。比利時Green2chem公司以及法國Naturex等公司積極利用植物毛狀根生物反應技術，成功實現了諸如煙堿、西利馬林、紫杉醇、奎寧、佛司可林等20余種高價值藥用成分的生物合成。在中國，紐蘭生物將植物細胞微囊泡作為藥物遞送介質開展研究，截至2018年，該公司完成了天使輪融資，已建成噸級以上植物干細胞生物反應設備。2022年初，美國Phyton公司投資30億元在徐州開工建設PCF植物干細胞生物反應″超級工廠″，建成后預計銷售收入達70億元。

2. 生物合成助推植物源農藥產業高速發展

不積跬步，無以至千里。成都新朝陽作物科學股份有限公司（以下簡稱″新朝陽″）成立二十余年來，始終專注于農業綠色發展，是行業領先的植物源生物農藥科技企業。植物源農藥有效成分多為天然高活性次級代謝產物，其具有降解速度快、環境相容性好、低殘留等特點，符合當下環保發展潮流，市場需求量持續增長。但隨著產業化進程的推進，藥用植物資源問題即將成為高活性天然產物運用的技術瓶頸。

圖4. 植物干細胞生物反應技術基礎路線

新朝陽公司通過愈傷組織誘導，植物干細胞懸浮培養，毛狀根誘導等植物干細胞培養技術，開展植物干細胞生物反應技術研究，目前已獲得重要進展。

圖5. 基因工程植物干細胞生物反應階段性成果

新朝陽通過植物組織干細胞誘導技術，目前已獲得超過10余種具有生物合成開發潛力的植物底盤細胞材料。經過生物反應條件優化，目前干細胞產量已達到550g/L。通過基因工程技術，成功實現了目標代謝產物的底盤異源表達，完成了多個工程細胞的代謝通路關鍵基因重組構建。并成功實現了目標代謝產物的生物合成小試技術研究。為目標天然產物品種產業化技術目標推進頂定了堅實基礎。

五、植物干細胞生物反應技術展望  

長期對珍稀藥用植物的盲目采集致使生態環境遭到破壞，許多野生植物瀕臨滅絕，一些特殊生態環境下的植物引種困難，能夠引種栽培的植物則需要占用大量的農田，在耕地面積日益減少及保證18億畝耕地紅線的制約情況下，藥用植物的大規模種植受到嚴重制約。此外，人工栽培受環境因素的制約，天然植株中目的次生代謝產物含量過低，成分復雜又給產業化利用構建了極高的開發成本壁壘。天然高活性藥用產物結構復雜，手性中心數量多，傳統化學合成技術已無法滿足生產技術需求。面對上述諸多難題，科學工作者通過探索高等植物干細胞、器官等的大量培養技術，生產有用的次生代謝產物[14-16]，具有極大的社會意義。

據《中國植物源農藥行業競爭現狀分析及企業投資策略研究報告》顯示，中國是全球農藥生產和使用大國，而生物農藥（含農用抗生素）占農藥總量的比例不足12.5%，遠低于國際平均水平。生物農藥受國家政策支持，符合當下環保消費潮流，市場增速快。植物源農藥作為生物農藥的關鍵種類，具備廣闊的發展前景。

新朝陽作為一家從事原創生物技術研發的生物農藥科技企業，通過植物干細胞生物反應技術的創新突破，致力于解決植物源農藥產業化的瓶頸，為保護生態環境和促進農業綠色發展做出貢獻。未來，新朝陽持續以作物為科研導向，持續提升植物源農藥的防治效果和降低應用成本，推動植物源農藥產業高速發展。

參考文獻

[1]王文蘭, 黃賢榮, 張麗萍. 藥用植物干細胞發酵培養的研究進展[J]. 實用醫藥雜志, 20070724（07）.

[2]胡珊群, 梁汝黛, 李彤, 等. 藥用植物懸浮細胞培養技術研究進展[J]. 種子科技, 2021, 18(0007)

[3]Haberlandt G. Culturversuche mit isolierten Pflanzenzellen. Akad Wiss Wien Math-naturw Classe, 1902, 61: 1–23.

[4]White P R. Potentially unlimited growth of excised tomato root tipS in a liquid medium[J]. Plant physiology. 1934, 9: 585-600.

[5]Skoog F, Miller C O. Chemical regulation of growth and organ formation in plant tissues cultured in vitro. Symp Soc Exp Biol, 1957, 11:118–130.

[6]Muir W H, Hildebrandt A C, Riker A J. Plant tissue cultures produced from single isolated cells. Science, 1954, 119: 877–878.

[7]Steward F C, Mapes M O, Mears K. Growth and organized development of cultured cells. II. Organization in cultures grown from freely suspended cell. Am J Bot, 1958, 45: 705–708.

[8]Reinert J. Morphogenese und ihre kontrolle an gewebekulturen aus carotten. Naturwissenschaften, 1958, 45: 344–345.

[9]Reinert J. über die kontrolle der morphogenese und die induktion von adventivembryonen an gewebekulturen aus karotten. Planta, 1959, 53: 318–333.

[10]李勝, 李唯. 植物組織培養原理與技術[M]. 北京: 化學工業出版社, 2007, 10.

[11]羅凱, 胡廷章, 羅建平, 植物干細胞培養生產次生代謝產物的研究進展[J]. 時珍國醫國藥, 2007, 18(10).

[12]于放. 喜樹細胞培養體系的建立與喜樹異堿A和B的生物合成及過程調控[D]. 大連理工大學, 2005.

[13]Abdulhafiz Ferid, Mohammed Arifullah, Reduan Mohd Farhan Hanif, et al. Plant cell culture technologies: A promising alternatives to produce high-value secondary metabolites[J]. Arabian Journal of Chemistry, 2022, 104161.

[14]Baebler S, CamIoh M, Kovac M, et al. Jasmonic acid stimulates lates taxane production in cell suspension culture of yew.P1anta Med, 2002, 68: 475.

[15]戴君貴. 尋找曾經擁有的世界-傳統中藥的生物技術研究進展.首都醫藥, 2001, 8(5): 4.11.

[16]果德安. 生物技術在中藥現代化研究中的作用. 國外醫藥植物藥分冊, 1998, 13(6): 257.

特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)轉自網絡,刊登本文僅為傳播信息之用，絕不代表贊同其觀點或擔保其真實性，若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權益，請與本網聯系，我們將及時更正、刪除，謝謝。