综述：浮萍用于植物分子农业：进展、挑战与未来方向

《Journal of Plant Biology》：Duckweeds for Plant Molecular Farming: Advances, Challenges, and Future Directions

本文聚焦植物分子农业（PMF），探讨浮萍作为新兴宿主平台的潜力。详细阐述其在生长特性、基因组数据、组织培养、转化技术及重组蛋白生产方面的进展，分析面临的挑战，并展望未来发展方向，为该领域研究提供全面参考。

　　### 浮萍用于植物分子农业的研究进展
植物分子农业（PMF），又称 “pharming”，是利用植物细胞或整株植物作为表达系统来生产重组蛋白，用于制药及其他领域。自 1982 年重组人胰岛素获批以来，重组蛋白生物制剂在制药行业迅速发展。目前，重组大肠杆菌和哺乳动物细胞系虽被广泛应用，但植物分子农业凭借成本低、蛋白稳定性高、能进行人源化翻译后修饰等优势，成为极具潜力的替代方案。不过，传统陆地植物作为生物反应器，存在与粮食作物竞争资源、污染食物供应等问题，因此寻找新的宿主平台至关重要。

浮萍，作为小型快速生长的水生单子叶植物，在植物分子农业领域崭露头角。浮萍有五个属，共 36 种，其生长迅速，种群数量在 1.43 - 4.54 天内便可翻倍，能在短时间内实现高生物量产出 。它环境适应性强，在 18 - 35℃、pH 值 4.5 - 8.5 的范围内均可良好生长，多数品种在静水条件下就能繁茂生长，便于培养。浮萍蛋白质产量极高，平均可达 2080 kg/ha/year，远超大豆、坚果和玉米，其蛋白质含量占鲜重的 16 - 42%，是优质的植物蛋白来源，部分品种已被探索用于替代家禽、猪、羊、狗等动物饲料中的动物蛋白 。2015 年，浮萍衍生的蛋白粉被美国食品药品监督管理局（FDA）批准可安全用于人类消费，且浮萍能将蛋白质直接分泌到培养基中，便于提取和纯化，这些优势使浮萍成为重组蛋白生产的理想平台。

在生物技术方面，浮萍取得了诸多进展。高质量的基因组数据是遗传和代谢工程的基础，目前已有三个属（Spirodela、Lemna、Wolffia）的部分物种完成基因组测序与组装 。例如，S. polyrhiza 基因组含 19,623 个预测蛋白编码基因，基因数量较少且重复序列仅占约 15%，利于遗传操作；L. minor 基因组包含 22,382 个蛋白编码基因，其愈伤组织诱导和转化效率高，为基于 Lemna 属的宿主平台开发积累了重要遗传资源；Wolffia australiana 基因组最小，结构最简单，仅有 14,324 个蛋白编码基因，单细胞 RNA 测序数据库也已建立，有助于深入研究细胞功能 。

在组织培养系统上，除 Wolffiella 属外，其他浮萍属均已开发出组织培养方法，主要包括愈伤组织诱导和后续根与叶状体再生两个阶段。研究人员通过优化光照条件和培养基成分，显著提高了转基因品系的开发效率。例如，在 Lemna turionifera 的愈伤组织再生过程中，发现 11 种挥发性有机化合物（VOCs）增加，其中环己烷处理可促进再生，尤其在生根阶段效果明显 。

遗传转化技术是生产重组蛋白的关键，目前已开发多种针对浮萍的转化系统。农杆菌介导的遗传转化是常用方法，其中愈伤组织诱导法虽转化效率高，但过程耗时较长。因此，研究人员探索了植物体内转化法，如用农杆菌转化受伤或完整的叶状体，能更快获得转化体 。以 S. punctata 为例，利用植物体内伤口法转化抗肿瘤坏死因子 α（TNFα）单链可变片段（scFv），两周内即可筛选出转化体；W. arrhiza 外植体用潮霉素抗性基因转化，一个月内就能确认阳性转化体 。此外，将完整的休眠芽（turions）与农杆菌共孵育的转化技术，可在两周内获得转基因叶状体，但该方法在某些浮萍物种（如 Lemna 属）中，诱导休眠芽存在一定挑战 。植物瞬时表达系统也在浮萍中得到应用，如农杆菌介导的真空渗透瞬时表达系统，利用马铃薯 X 病毒（PVX）载体，可使目标蛋白在浮萍细胞中高效表达且信号能长时间维持 。

作为分子农业平台，转基因浮萍已成功生产多种重组蛋白，涵盖疫苗抗原和药用蛋白。在疫苗生产方面，2011 年猪流行性腹泻病毒的保护性抗原首次在浮萍中成功生产；在禽流感病毒（H5N1）疫苗研发中，L. minor 表达了 H5N1 的 M2e 基因及与蓖麻毒素 B 链融合的 MRTB - M130 ，还表达了血凝素（HA）、ESAT6 - Ag85B (ΔTMD) - 6His、白细胞介素 - 17b 等分别用于对抗不同疾病的疫苗抗原 。Wolffia globosa 表达的麦芽孔蛋白（LamB）可用于鱼类弧菌病疫苗，Lemna aequinoctialis 表达的草鱼呼肠孤病毒（GCRV）的 S11 片段可作为口服亚单位疫苗 。在药用蛋白生产方面，约 20 年前，L. minor 就已用于生产人生长激素（hGH）、干扰素 - α2b（IFN）、抗原结合片段（Fab）和单克隆抗体（mAb）等 。此外，还在浮萍中检测到了如抑肽酶、水蛭素、人粒细胞集落刺激因子（hG - CSF）等药用蛋白 。

浮萍作为生物反应器面临的挑战

尽管浮萍在植物分子农业中展现出诸多优势，但仍面临一些挑战。在大规模培养方面，传统的浮萍大规模培养多在室外池塘或泻湖进行，而用于植物分子农业则需无菌且可控的室内系统，以精确调控温度、光照和湿度，确保产量和产品质量 。优化室内大规模培养条件是实现经济可行的植物分子农业的关键，计算技术的进步为模拟和理解影响规模化培养的因素提供了新工具 。例如，对 W. arrhiza 和 L. minor 的培养进行优化建模，可使浮萍生物量增加 1.5 - 2.0 倍，干重中的蛋白质浓度提高 1.5 倍 。此外，搅拌培养条件虽通常不是浮萍生长必需，但对某些物种（如 Lemna paucicostata）可促进氨基酸和次生代谢物的产生，因此需根据培养目标选择合适的培养条件 。同时，浮萍与微生物群落的共培养也值得关注，研究发现浮萍的微生物群落对其生长、污染物去除和气体排放有重要影响，调控微生物群落有望优化浮萍生物量生产 。

在生理和分子机制方面，虽然浮萍能分泌重组蛋白，但具体机制尚不完全清楚 。深入了解其分泌途径和对环境的生理反应至关重要 。在分泌途径中，蛋白质在核糖体上翻译后，经内质网、高尔基体进行修饰，最终运输到细胞外 。研究表明，优化蛋白质运输可提高分泌水平，在浮萍中探索类似策略可能解决分泌瓶颈问题 。此外，蛋白质分泌对环境因素敏感，优化培养条件可提高分泌量 。同时，翻译后修饰（如糖基化）对重组蛋白生产，尤其是单克隆抗体生产至关重要，优化浮萍的糖基化途径以产生人源化 N - 聚糖是关键研究方向 。例如，在 L. minor 中通过 RNA 干扰成功去除植物特异性 N - 聚糖，提高了抗体疗效 。

在遗传资源方面，为充分发挥浮萍作为宿主平台的潜力，开发适合其的遗传资源至关重要 。目前，浮萍中大多数重组蛋白由常用的遗传元件（如 35S 和 mas 启动子）驱动，但这些启动子在单子叶植物（如水稻）中的活性有限 。因此，寻找强内源性启动子对提高蛋白表达水平意义重大 。如 2024 年报道的来自 L. punctata 的 SUCROSE TRANSPORTER 2（LpSUT2）启动子，在抗生素胁迫下高表达，使用该启动子的稳定转化体在 G418 选择下的表达量比使用 35S 启动子高 1.76 倍 。

结论与展望

植物作为重组蛋白生产的平台，在生物制药领域前景广阔，相比细菌和动物细胞系统，具有安全、稳定和成本效益高等优势 。目前茄科植物虽受青睐，但与粮食作物竞争资源的问题突出 。浮萍作为可行的替代方案，在遗传资源和转化技术方面已取得显著进展 。然而，要充分挖掘浮萍的潜力，还需进一步研究 。未来应重点建立室内大规模生产系统，优化生长模式；开发新型内源性遗传资源；深入研究浮萍的生理过程，尤其是蛋白质分泌机制，从而推动浮萍在重组蛋白生产中的广泛应用 。