植物生物反應(yīng)器（植物生物反應(yīng)器）

簡介

隨著新功能基因的分離、克隆以及各種農(nóng)作物高效表達(dá)技術(shù)平臺(tái)的逐步建立，在今后15至20年內(nèi)，將會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的高新生物技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)并與消費(fèi)者見面；這種“分子農(nóng)業(yè)”的出現(xiàn)及普及將會(huì)對(duì)我國現(xiàn)有的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，對(duì)增強(qiáng)我國農(nóng)產(chǎn)品的競(jìng)爭能力、極大的提高農(nóng)民的收入以及維護(hù)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，也有利于形成新的產(chǎn)業(yè)鏈，培育出較大的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。

國外研究

與石油和煤炭等礦物不同，植物是一種多樣化、低成本和可再生的生物資源。植物通過自身光合作用積累的各類生物大分子，如碳水化合物、纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪酸等，不僅為人類和動(dòng)物提供了賴以生存所需要的各種食物，同時(shí)還提供了大量非食用性的化工產(chǎn)品。而生物技術(shù)特別是在基因工程研究領(lǐng)域內(nèi)的快速進(jìn)展則使人類進(jìn)一步拓寬了植物的應(yīng)用范圍。國外發(fā)達(dá)國家特別是美國采用植物生物反應(yīng)器這種“分子農(nóng)業(yè)”的方法，已經(jīng)成功地生產(chǎn)出多種高新生物技術(shù)產(chǎn)品，包括特殊的飽和或不飽和脂肪酸、改性淀粉、環(huán)糊精或糖醇、次生代謝產(chǎn)物、工農(nóng)業(yè)用酶以及一些高經(jīng)濟(jì)附加值的藥用蛋白多肽，一些研究機(jī)構(gòu)和公司已經(jīng)開始從這些產(chǎn)品生產(chǎn)中獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

在植物生物反應(yīng)器研究中，最受人們關(guān)注同時(shí)研究進(jìn)展也最快的是生產(chǎn)各種疫苗用的抗原蛋白。病毒和細(xì)菌性傳染病是威脅全球人類健康及生活質(zhì)量最重要的因素之一，自古以來，人們就不斷尋求各種方法對(duì)付這些傳染性疾病。1778年，英國人Jenner首次發(fā)現(xiàn)人接種牛痘可預(yù)防天花病毒傳染，在此后的時(shí)間里，疫苗已被證明是對(duì)付傳染性疾病特別是病毒性傳染病最為經(jīng)濟(jì)和有效的方法。

現(xiàn)在，人們通過接種疫苗已完全根除了天花，并在全球范圍內(nèi)基本控制了脊髓灰質(zhì)炎、狂犬病、破傷風(fēng)、白喉、百日咳和乙型腦炎等多種病毒及細(xì)菌性傳染病的發(fā)生和傳播。疫苗的形式也由菌體疫苗發(fā)展到亞單位疫苗（Subunitvaccine），甚至還產(chǎn)生了DNA疫苗。但是，目前人們使用的疫苗還主要是通過微生物發(fā)酵或動(dòng)物細(xì)胞組織培養(yǎng)獲得的，需要復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)工序繁瑣，生產(chǎn)成本較高，不易保存和運(yùn)輸，因此，這些疫苗在經(jīng)濟(jì)落后的發(fā)展中國家推廣起來比較困難，普通人群不易接受。此外，有些疫苗還存在著安全性和使用不便等方面的問題。

1992年，美國人C.J.Arntzen和H.S.Mason率先提出了用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)疫苗的新思路。此后，國內(nèi)外多個(gè)實(shí)驗(yàn)室相繼在煙草、馬鈴薯、番茄、苜蓿和萵苣中表達(dá)了乙肝表面抗原、大腸桿菌熱敏毒素B亞基、霍亂毒素B亞基、諾瓦克病毒殼蛋白和狂犬病毒G蛋白等抗原，并利用在植物中表達(dá)的抗原進(jìn)行了動(dòng)物和人體的免疫實(shí)驗(yàn)，獲得了大量有價(jià)值的研究數(shù)據(jù)，為今后利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)疫苗奠定了良好基礎(chǔ)（見附件2）。

植物來源的重組藥用蛋白第一次臨床應(yīng)用研究是由星球生物技術(shù)有限公司（PlanetBiotechnology,Inc）報(bào)道的，該公司位于美國加利福尼亞境內(nèi)。該公司利用轉(zhuǎn)基因煙草中表達(dá)的抗體sIgA生產(chǎn)新藥CaroRxTM，主要目的是預(yù)防和治療由細(xì)菌引起的齲齒。臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí)CaroRxTM可以有效清除人口腔內(nèi)的變異鏈球菌（S.mutans）并預(yù)防志愿者口腔產(chǎn)生齲齒。該公司也正在設(shè)計(jì)和開發(fā)一些新的sIgA抗體，用來有效預(yù)防口腔、呼吸道、消化道，生殖和尿道等粘膜系統(tǒng)和皮膚受到一些傳染性病菌和毒性因子的感染。

美國著名的孟山都公司（Monsanto）已經(jīng)培育出一種轉(zhuǎn)基因玉米，每公頃玉米可以產(chǎn)生3.7公斤達(dá)到藥用蛋白標(biāo)準(zhǔn)的人類抗體。假如每公頃的玉米產(chǎn)量可達(dá)8.6噸的話，在重組蛋白產(chǎn)量方面還具有相當(dāng)大的改善空間。臨床醫(yī)學(xué)研究者計(jì)劃向每個(gè)癌癥患者注射250毫克這種玉米種子來源的抗體蛋白藥物。孟山都公司還在種植一種轉(zhuǎn)基因大豆，這種大豆可以生產(chǎn)針對(duì)單純皰疹病毒2（HSV-2）的人源化抗體，這種抗體的動(dòng)物試驗(yàn)表明它可以阻止HSV-2在小鼠陰道內(nèi)的傳播。植物來源的抗體在體外的穩(wěn)定性和體內(nèi)的生物活性與動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)來源的抗體是相同的，利用它將開發(fā)出一種低成本的治療方法來防治某些由性傳播的疾病。

美國的ProdiGene公司和EPIcytePharmaceuticals公司正計(jì)劃開展合作，進(jìn)行玉米生產(chǎn)抗體的開發(fā)，主要是生產(chǎn)某些人粘膜抗體用于被動(dòng)免疫治療，因?yàn)镻rodiGene公司在蛋白表達(dá)和提取方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，而EPIcytePharmaceuticals公司擁有多項(xiàng)相關(guān)專利。

LargeScaleBiology公司和斯坦福大學(xué)已經(jīng)合作開發(fā)了一種腫瘤特異性疫苗，可用于阻止細(xì)胞的惡性生長，它們利用植物病毒作為瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)。研究者們利用修飾后的煙草花葉病毒作為瞬時(shí)表達(dá)載體，可表達(dá)源自38C13鼠B細(xì)胞淋巴瘤的型特異的單鏈抗體。在重組病毒侵染本薩明那煙（N.benthamiana）后，單鏈抗體蛋白在細(xì)胞質(zhì)外體內(nèi)可以積累到很高的水平。這種抗體片段可與一種亞型特異的抗抗體反應(yīng)，這表明植物產(chǎn)生的38C13單鏈抗體經(jīng)過了正確的折疊，用經(jīng)親合層析純化的38C13單鏈抗體免疫后的小鼠可以產(chǎn)生大于10ug/ml的型特異性的抗抗體。這些小鼠可以抵御致死劑量的38C13腫瘤的攻毒試驗(yàn)，其保護(hù)效果類似于用38C13IgM-匙藍(lán)蛋白偶聯(lián)疫苗免疫后的結(jié)果。這種產(chǎn)生腫瘤特異性蛋白疫苗的病毒快速表達(dá)體系為治療非何杰金氏淋巴瘤提供了一種可靠的方法。治療的目的是在患者體內(nèi)產(chǎn)生特殊的抗體，它能特異性識(shí)別惡性生長的B細(xì)胞表面特異性位點(diǎn)，使靶細(xì)胞最終受到破壞，而正常的細(xì)胞不會(huì)受到任何影響。

另外一個(gè)引起全球關(guān)注的研究成果是，瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所的IngoPotrykus教授及其同事在洛克菲勒基金會(huì)和歐盟農(nóng)業(yè)研究計(jì)劃（EuropeanCommissionsAgriculturalResearchProgramme）共同資助下，在2000年將水仙的八氫番茄紅素合成酶和番茄紅素環(huán)化酶基因?qū)胨荆兄瞥鲆环N富含β胡蘿卜素（維生素A前體）的水稻，品種名稱T309，每克稻米含1.6mgb胡蘿卜素，由于稻米色澤金黃，故稱為“金色大米”。發(fā)展中國家目前大約有2.5－10億人患維生素A缺乏癥，正是由于此癥，這些國家每年有1,000-2,000萬兒童死亡。食用富含鐵質(zhì)和維生素A的這種轉(zhuǎn)基因水稻，將大大減少發(fā)展中國家兒童貧血癥和維生素A缺乏癥的發(fā)病率。該技術(shù)目前已被免費(fèi)授權(quán)給菲律賓國際水稻研究所和印度的一個(gè)水稻研究中心，以期培育出適合當(dāng)?shù)胤N植的水稻品種，大規(guī)模種植可能會(huì)在2005年前后開始。

國內(nèi)基礎(chǔ)

我國植物生物反應(yīng)器的研究始于上世紀(jì)90年代初期，雖然在構(gòu)建高效植物表達(dá)載體和培育轉(zhuǎn)基因植物等主要技術(shù)環(huán)節(jié)上與國外相差無幾，但在研究的廣度和深度上與發(fā)達(dá)國家相比卻存在很大差距。幸運(yùn)的是，由于國家有關(guān)方面已意識(shí)到植物生物反應(yīng)器的重要性，所以在制訂“九五”計(jì)劃時(shí)，選擇了“利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)口服疫苗和生物可降解塑料”等4個(gè)研究課題作為探索性項(xiàng)目而予以資助（見表2-1）?！熬盼濉逼谀?，已獲得如下研究成果：

將乙型肝炎病毒包膜的蛋白基因?qū)腭R鈴薯和番茄中，獲得了高效表達(dá)該外源基因的工程植株，小鼠口服接種實(shí)驗(yàn)表明該重組抗原蛋白可誘導(dǎo)特異性的保護(hù)性抗體產(chǎn)生，已進(jìn)入臨床應(yīng)用研究的前期準(zhǔn)備階段，相關(guān)轉(zhuǎn)基因植物已進(jìn)入環(huán)境釋放階段。

已將產(chǎn)毒素大腸桿菌熱敏毒素b亞基及定居因子CS6B抗原蛋白基因?qū)腭R鈴薯中，獲得了高效表達(dá)重組抗原蛋白的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯植株，小鼠的口服接種實(shí)驗(yàn)證實(shí)可誘導(dǎo)特異性保護(hù)抗體產(chǎn)生，相關(guān)轉(zhuǎn)基因植物已進(jìn)入環(huán)境釋放階段。

獲得了口蹄疫流行株的基因文庫及我國常發(fā)生的O型口蹄疫口服疫苗VP1基因，擁有相應(yīng)的口蹄疫診斷技術(shù)和疫苗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，已成功地利用TMV載體大量表達(dá)出與TMV外殼蛋白融合的多個(gè)口蹄疫病毒表面抗原小肽，可從100克煙草葉片中得到1-2克含口蹄疫病毒“OK1”株系抗原決定小肽（11肽和14肽）的融合蛋白。對(duì)模式動(dòng)物豚鼠進(jìn)行的免疫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些融合蛋白小肽具有良好的免疫原性，可作為預(yù)防口蹄疫的安全的新一代基因工程疫苗。

建立了農(nóng)桿菌介導(dǎo)的胡蘿卜轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，已在煙草和胡蘿卜中表達(dá)了CTB，霍亂毒素b亞單位（CTB）的表達(dá)量達(dá)到0.1%。通過在CTB基因前導(dǎo)入煙草病程相關(guān)蛋白PR1b的信號(hào)肽序列，使CTB在煙草中的合成量提高了20多倍，并通過一步親和層析法從煙葉中提純了CTB。

上述研究項(xiàng)目在立項(xiàng)前均已進(jìn)行了專利查新工作，所涉及的基因、植物、外源基因轉(zhuǎn)移方法和高效植物表達(dá)載體的構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)有自己的獨(dú)創(chuàng)性。從事“863”計(jì)劃和計(jì)劃以外其他國內(nèi)單位和個(gè)人為此都申請(qǐng)了國家發(fā)明專利，因此，這些研究成果擁有我國自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

通過“九五”的探索性研究，進(jìn)一步縮短了我國與世界先進(jìn)國家的技術(shù)差距。從表2-2中的數(shù)據(jù)可以看到，國外普遍應(yīng)用的植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)在我國已成功應(yīng)用，有些技術(shù)還為我國所獨(dú)創(chuàng)，如花粉管通道轉(zhuǎn)基因技術(shù)。國外尚在探索的新技術(shù)，如使用植物病毒作為瞬時(shí)表達(dá)載體實(shí)現(xiàn)基因高效表達(dá)，我國也在探索。因此，應(yīng)當(dāng)說我國在利用植物生物反應(yīng)器技術(shù)上已有較好的基礎(chǔ)。

在制訂“十五”“863”計(jì)劃時(shí)，國家進(jìn)一步加大了在植物生物反應(yīng)器研究方面的投資力度。其中“利用植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)動(dòng)物口蹄疫、結(jié)核病等獸用疫苗”、“降鈣素和人乳鐵蛋白等功能蛋白植物生物反應(yīng)器的研制”、“組織和器官特異性基因表達(dá)啟動(dòng)子研究及高效表達(dá)載體構(gòu)建”、“高效轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的研究”和“外源蛋白在受體植物中高效和穩(wěn)定表達(dá)機(jī)制的研究”等課題被列為重大課題而予以了資助。這些研究在進(jìn)行當(dāng)中，到2005年前后，當(dāng)上述重大專項(xiàng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)以后，我國醫(yī)藥市場(chǎng)上將出現(xiàn)幾種用植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)的藥物、疫苗或其他保健食品。

目前，國內(nèi)在一些植物如馬鈴薯和玉米等高效表達(dá)外源基因的技術(shù)上還不是很成熟，從植物中提取和純化表達(dá)產(chǎn)物的技術(shù)還有待改進(jìn)。許多植物病毒可在植株寄主體內(nèi)大量擴(kuò)增并表達(dá)病毒蛋白，如煙草花葉病毒感染煙草后，其外殼蛋白的含量可達(dá)煙草葉片蛋白總量的20%。此外，病毒的提取和外源蛋白的純化也比較方便，因而只要設(shè)計(jì)巧妙，就可以用植物病毒載體作為生物反應(yīng)器，大幅度提高外源基因的表達(dá)量。用病毒載體既可表達(dá)分子量較大的全長外源蛋白，也可表達(dá)與病毒蛋白相融合的多肽。因?yàn)榇蟛糠植《据d體仍具有感染活性，無須經(jīng)過植物基因轉(zhuǎn)化過程即可在常規(guī)植株體內(nèi)表達(dá)外源基因，所以，用病毒作為植物生物反應(yīng)器大量生產(chǎn)外源目的蛋白具有廣闊的市場(chǎng)前景。

特別應(yīng)該指出的是，我國植物生物反應(yīng)器的研究和利用還主要集中在藥用蛋白的研究和應(yīng)用方面。而利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)特殊飽和或不飽和脂肪酸、改性淀粉、環(huán)糊精或糖醇、次生代謝產(chǎn)物、工農(nóng)業(yè)用酶制劑的研究仍然沒有引起國家足夠的重視，其實(shí)，這些生物制劑的市場(chǎng)潛力也是非?？捎^的。國內(nèi)一些有識(shí)之士早已看出了這一點(diǎn)，通過自籌資金或采用國際合作方式開展了前期研究工作，并取得了令人矚目的研究進(jìn)展，如利用轉(zhuǎn)基因玉米生產(chǎn)植酸酶，在加工成動(dòng)物飼料添加劑后，可有效降低家畜排泄物中的磷含量，這對(duì)于降低水污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面很有意義。

應(yīng)用前景

在過去15年里，生物技術(shù)工業(yè)不僅誕生了百億美元級(jí)的公司，而且也成為當(dāng)今世界商業(yè)活動(dòng)中增長最快的領(lǐng)域之一。生物技術(shù)產(chǎn)品的市場(chǎng)非常大，包括了醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、造紙業(yè)和其他許多產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從上世紀(jì)80年代至今，通過DNA重組技術(shù)所生產(chǎn)的生物醫(yī)藥年銷售額已超過100億美元。由于生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)被許多國家視為強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)而加以重點(diǎn)扶持，生物醫(yī)藥的年銷售規(guī)模將從1996年的101億美元擴(kuò)大到2006年的320億美元，平均年增長率將達(dá)12%以上，其中治療藥物年平均增長16%，診斷試劑年平均增長9%。

美國是現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展較早和較快的國家，1994年，美國生物技術(shù)藥品年銷售額為50多億美元，至2001年，美國生物技術(shù)產(chǎn)品在全球市場(chǎng)上的銷售額達(dá)200億美元，占到全球總市場(chǎng)的約90%以上。此外，美國還擁有世界上約一半的生物技術(shù)公司和一半的生物技術(shù)專利。迄今為止，獲得美國FDA批準(zhǔn)上市的治療類生物技術(shù)藥品共16種，另外約有400多種生物診斷試劑在臨床中應(yīng)用。

歐共體國家是世界第二大醫(yī)藥市場(chǎng)，自身對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)品的需求是巨大的，但它的生物醫(yī)藥研究滯后于美國，因此，歐共體國家正在加大對(duì)生物技術(shù)研究的投入，以提升其生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)在國際市場(chǎng)上的地位和市場(chǎng)占有份額。進(jìn)行同樣努力的國家還包括日本、加拿大和澳大利亞等一些發(fā)達(dá)國家。

我國現(xiàn)有500多家生物技術(shù)公司，但與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國生物醫(yī)藥研究和產(chǎn)業(yè)化起步都比較晚。從1989年我國第一個(gè)生物工程藥物β干擾素上市到2001年底，我國現(xiàn)有乙肝疫苗、促紅細(xì)胞生成素（EPO）、人胰島素、人生長素、細(xì)胞集落刺激因子（CSF）等15種基因工程藥品投入市場(chǎng)。1997年，我國生物醫(yī)藥全年的產(chǎn)值達(dá)到125億元，占整個(gè)醫(yī)藥工業(yè)的8.9%。

以EPO為例，它目前是世界上臨床療效最顯著、銷售額最可觀的一種生物技術(shù)產(chǎn)品，銷售利潤多年來一直排在生物醫(yī)藥類產(chǎn)品的前三名，每年的增長率在10%以上。目前國內(nèi)有十幾家公司在生產(chǎn)EPO，年生產(chǎn)能力超過了500萬支。由于受超額利潤的誘惑，已有眾多廠家介入這個(gè)市場(chǎng)，由于企業(yè)競(jìng)爭過度，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格下降，利潤攤薄。1999年1月11日，國家新藥研究與開發(fā)協(xié)調(diào)小組在《生物醫(yī)藥工程產(chǎn)業(yè)行動(dòng)綱要》中指出，國家和企業(yè)各方應(yīng)大力培育生物醫(yī)藥工程產(chǎn)業(yè)，使之保持15-20%的年增長率，到2005年生物醫(yī)藥工業(yè)年總產(chǎn)值要達(dá)到400-500億元，到2015年總產(chǎn)值達(dá)到1,100-1,300億元。要達(dá)到此目標(biāo)，需不斷開發(fā)新的生物醫(yī)藥產(chǎn)品，另外，通過研制新的表達(dá)系統(tǒng)，增強(qiáng)表達(dá)效率和降低生產(chǎn)成本，對(duì)提高產(chǎn)品銷售利潤也非常重要。

目前，利用重組DNA技術(shù)生產(chǎn)的大多數(shù)治療用血液蛋白幾乎都是在哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)中生產(chǎn)出來的。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是所表達(dá)的重組蛋白能夠進(jìn)行正確的折疊及完成其他翻譯后加工過程的機(jī)會(huì)比較高，然而，有許多因素仍然限制哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，這些因素包括：

1）即使在最適的培養(yǎng)條件下，重組蛋白在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的表達(dá)水平仍很低，通常為每天每升數(shù)十毫克；

2）重組蛋白最后必需從培養(yǎng)液中分離提純出來，這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致產(chǎn)量損失和增加生產(chǎn)成本；

3）哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)日常維護(hù)費(fèi)用非常高，這也使產(chǎn)品的生產(chǎn)成本居高不下；

4）哺乳動(dòng)物細(xì)胞對(duì)外力比較敏感，而振蕩培養(yǎng)通常又是工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)所不可缺少的，這就使擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模變得相當(dāng)困難；

5）胎牛血清是哺乳動(dòng)物細(xì)胞生長所不可缺少的，它的價(jià)格昂貴，而且不同批次之間成份相差很大，這些變化會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的生長情況不一致，進(jìn)而影響到細(xì)胞發(fā)酵過程及下游的提純加工過程；

6）哺乳動(dòng)物細(xì)胞對(duì)一些環(huán)境因素如溫度、pH值、含氧量和次生代謝產(chǎn)物的變化非常的敏感，因此需要對(duì)培養(yǎng)條件進(jìn)行精確的監(jiān)控；

7）利用哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)表達(dá)系統(tǒng)不能避免病原生物的污染。

由于存在著上述限制因素，利用植物作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)具有臨床應(yīng)用價(jià)值的藥用蛋白日益引起人們的關(guān)注。尤其是當(dāng)重組蛋白需求量比較大，供給時(shí)間又是長期的話，利用植物表達(dá)系統(tǒng)很顯然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它除了具備其它真核生物表達(dá)系統(tǒng)共有的那些優(yōu)點(diǎn)外，還有一些是其它表達(dá)系統(tǒng)所不具備的。例如，利用植物所收獲重組蛋白的數(shù)量僅僅受到植物種植面積的限制。普通的農(nóng)業(yè)措施就可以產(chǎn)生令人吃驚的生物材料，例如，采用高密度種植的煙草每公頃可以產(chǎn)生170公噸的生物材料。假定在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模所生產(chǎn)的重組蛋白水平在田間生產(chǎn)仍能夠保持的話，那么170公噸的材料中有100公噸是葉子，每公頃土地就可以產(chǎn)生50公斤的分泌型抗體IgA或100公斤的重組葡萄糖腦苷脂酶（Glucocerebrosidase）。在表4-1中，列出了一些作物每公頃的生物產(chǎn)量作為重組蛋白生產(chǎn)量的依據(jù)。

親合素（Avidin）在診斷試劑中的應(yīng)用十分廣泛，它是蛋清中比較豐富的一種真核生物蛋白，在常規(guī)情況下可從蛋清中直接分離純化。在轉(zhuǎn)基因玉米中生產(chǎn)這種蛋白并確定它是否能夠與蛋清來源的雞親合素進(jìn)行商業(yè)化競(jìng)爭成為研究的理由。一個(gè)雞親合素蛋白的編碼序列被首先按照玉米偏愛的密碼子進(jìn)行優(yōu)化，然后與大麥α-淀粉酶信號(hào)肽編碼序列融合并導(dǎo)入玉米染色體中表達(dá)。信號(hào)肽序列將決定重組蛋白定位在細(xì)胞的分泌系統(tǒng)內(nèi)，而且對(duì)于成功表達(dá)十分關(guān)鍵，因?yàn)槎ㄎ辉诜置谙到y(tǒng)內(nèi)的重組親合素僅會(huì)導(dǎo)致玉米部分雄性不育或完全雄性不育，相反，如果親合素在細(xì)胞質(zhì)溶膠內(nèi)積累的話，則因有毒性使基因工程玉米完全不能夠成活。

每公斤轉(zhuǎn)基因玉米種子可產(chǎn)230mg的親合素，據(jù)估計(jì)這種玉米來源的親合素成本約比蛋清來源的親合素低10倍。玉米親合素具有與天然蛋白相同的生物活性，現(xiàn)在成為商品公開出售（見Sigma-Aldrichproduct#A8706）。該研究結(jié)果表明：不僅是罕見的蛋白，即使在自然狀態(tài)下相對(duì)豐富的蛋白也可以利用轉(zhuǎn)基因植物以低廉的成本進(jìn)行生產(chǎn)。利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的β-葡萄糖醛酸酶（GUS）也已經(jīng)商品化，而利用植物生產(chǎn)重組蛋白酶抑制劑Aprotinin的成本也比牛肺來源的天然蛋白要低很多。考慮到重組抗體的天然生產(chǎn)來源不會(huì)像生產(chǎn)親合素的蛋清一樣低廉，因此利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)重組抗體所節(jié)省的資金將會(huì)更多。

人們對(duì)生物蛋白醫(yī)藥需求的種類和數(shù)量正在不斷增加，研究人員必需開發(fā)出新的轉(zhuǎn)基因表達(dá)生產(chǎn)系統(tǒng)才能滿足這種需求，而植物最有希望承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)，如上面所提到的那樣，公斤數(shù)量的重組蛋白可以從1公頃的轉(zhuǎn)基因煙草中獲得。例如，人血清白蛋白全球每年的需求量是550噸，培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物產(chǎn)生足夠量的蛋白滿足市場(chǎng)需求需要數(shù)年時(shí)間，然而，轉(zhuǎn)基因植物可以迅速達(dá)到如此生產(chǎn)規(guī)模。據(jù)估計(jì)要滿足全世界的需求，一年種植3萬公頃的煙草就足夠了（假如血清白蛋白表達(dá)量占煙草可溶性蛋白的1%），而這一面積僅占到美國總種植面積3,200萬公頃的千分之一。

面臨問題

改革開放20多年以來，我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)在總體上得到迅速發(fā)展，農(nóng)村居民的收入水平也有了大幅度的提高。1978-2001年，扣除價(jià)格因素影響后農(nóng)村居民人均收入由133元增加到2,352元，年均增加13%。與年收入增長相對(duì)應(yīng)，我國農(nóng)村居民的生活水平也不斷提高，農(nóng)村的貧困狀況得到明顯的減緩，貧困人口從1978年的2.5億下降到2000年的3,000萬，年均遞減9%。在總體上，中國農(nóng)村已經(jīng)擺脫貧困，進(jìn)入溫飽有余的狀態(tài)。部分地區(qū)已經(jīng)達(dá)到小康水平，現(xiàn)在進(jìn)入全面建設(shè)小康社會(huì)時(shí)期。“九五”以來，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展步入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，但我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)民收入的增長遇到了新的瓶頸。基本特征是：農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力提高，農(nóng)產(chǎn)品供求實(shí)現(xiàn)了總量平衡，且豐年有余。但由于農(nóng)產(chǎn)品的需求受到制約，農(nóng)產(chǎn)品總量的擴(kuò)張已不能為農(nóng)民創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會(huì)和收入來源，農(nóng)業(yè)增產(chǎn)不增收或增產(chǎn)與增收嚴(yán)重不同步的矛盾比較突出。加入WTO后，我國農(nóng)產(chǎn)品特別是種植業(yè)更是面臨發(fā)達(dá)國家價(jià)格低、質(zhì)量好的產(chǎn)品的激烈競(jìng)爭，農(nóng)民的處境更加艱難，因此高度重視農(nóng)業(yè)收益和農(nóng)民收入問題，千方百計(jì)增加農(nóng)民收入是新時(shí)期我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村工作的重點(diǎn)，也是各級(jí)政府部門和農(nóng)業(yè)科技工作者責(zé)無旁貸的任務(wù)。

近年來，種植業(yè)收入的大幅度下降主要不是農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量下降的結(jié)果。從單位面積的產(chǎn)量來看，除糧食作物在2000年減產(chǎn)外，其他主要作物均有不同程度的提高。以產(chǎn)量衡量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力在提高，但以收益衡量的生產(chǎn)率卻在不斷下降。農(nóng)業(yè)這種低效益一方面與宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境有關(guān)，另一方面也與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)不高、不適合市場(chǎng)要求有直接關(guān)系。以大豆為例，美國的轉(zhuǎn)基因大豆在出油率和價(jià)格上均優(yōu)于我國的非轉(zhuǎn)基因大豆，所以國內(nèi)食油加工業(yè)舍近求遠(yuǎn)，寧愿購買美國的轉(zhuǎn)基因大豆，而不愿使用國產(chǎn)的非轉(zhuǎn)基因大豆。

發(fā)達(dá)國家如美國、歐盟和日本等對(duì)農(nóng)民采用政府補(bǔ)貼的方式在我們國家行不通，要增加農(nóng)民的收入，除了從農(nóng)業(yè)外部做文章，全面免費(fèi)免稅，還必須想方設(shè)法增加農(nóng)民的非農(nóng)收入來源與渠道，更關(guān)鍵的是要對(duì)農(nóng)業(yè)內(nèi)部進(jìn)行戰(zhàn)略性的結(jié)構(gòu)調(diào)整與改變，這才是改變農(nóng)民地位和生活水平的根本之路。

應(yīng)對(duì)措施

為提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)民收入，增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品國際競(jìng)爭力，應(yīng)該大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，特別是調(diào)整農(nóng)產(chǎn)品的品種與品質(zhì)結(jié)構(gòu)，在確保糧食供應(yīng)安全的前提下，將大路產(chǎn)品、低檔產(chǎn)品、普通產(chǎn)品、原料性產(chǎn)品為主的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向增加優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、高檔產(chǎn)品、專用產(chǎn)品、功能性產(chǎn)品和高經(jīng)濟(jì)附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。

實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的發(fā)展戰(zhàn)略之一是國家應(yīng)從宏觀方面加強(qiáng)植物生物反應(yīng)器的研究與產(chǎn)業(yè)化步伐，今后15-20年內(nèi)，研究重點(diǎn)應(yīng)該集中在以下幾個(gè)方面：

1）發(fā)掘可供植物遺傳轉(zhuǎn)化或病毒載體表達(dá)的新藥用蛋白基因，擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。隨著人們生活水平的提高，由于膳食不均衡帶來的人類疾病如肥胖、高血脂、糖尿病和心血管疾病趨于大眾化和年輕化，如果在植物中導(dǎo)入這些疾病的抑制蛋白基因，將來人們只需簡單食用這些植物或由這些植物制成的新型功能性食品及藥物，便可以獲得抗病能力。種植這些高經(jīng)濟(jì)附加值的轉(zhuǎn)基因作物可迅速帶動(dòng)農(nóng)民致富，并由此形成新的產(chǎn)業(yè)鏈。以種植馬鈴薯為例，若每畝可產(chǎn)2,000公斤，每公斤馬鈴薯1.6元計(jì)算，農(nóng)民每畝收入可達(dá)3,200元。若改種抗乙肝的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯，以每200克馬鈴薯可生產(chǎn)一劑乙肝口服疫苗，2,000公斤馬鈴薯可生產(chǎn)10,000劑乙肝口服疫苗。以每劑疫苗2元計(jì)算，則種植這樣一畝馬鈴薯每畝可收入20,000元。

2）建立高效表達(dá)技術(shù)平臺(tái)，提高外源蛋白在植物中的有效成份含量。這直接關(guān)系到將來的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可使植物表達(dá)系統(tǒng)更具吸引力。要做到這一點(diǎn)，可從兩方面入手：一是篩選高效表達(dá)的植物啟動(dòng)子，二是選擇蛋白含量比較高的植物如豆科植物等。最終目的是使外源蛋白的表達(dá)量達(dá)到植物總蛋白的1%-5%左右。

3）構(gòu)建新的植物病毒表達(dá)載體系統(tǒng)，使其更易于操作、更穩(wěn)定、表達(dá)效率更高和對(duì)生態(tài)環(huán)境更安全。利用基因工程植物病毒作載體，是生產(chǎn)多種藥用蛋白的另外一條重要途徑，也是最有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的研究領(lǐng)域之一。如利用病毒載體在植物中生產(chǎn)狂犬病毒疫苗、結(jié)核病菌抗原、丙型肝炎和SARS病毒疫苗，其有效性和安全性都將大大提高。

4）如果純化步驟是必需的，那么如何降低從植物中提取藥用蛋白和工農(nóng)業(yè)用酶的生產(chǎn)成本則是首先要考慮的問題。如通過修飾外源蛋白基因，將其定位于植物不同的器官或部位中表達(dá)，或采用親和層析的方法等。

6）除藥用蛋白或酶制劑外，考慮利用植物生產(chǎn)其他具有特殊用途的高新生物制劑。如改性淀粉、脂類和其他次生代謝產(chǎn)物。

爭取達(dá)到如下研究目標(biāo)：

1）利用植物生物反應(yīng)器技術(shù)生產(chǎn)輪狀病毒多價(jià)口服疫苗、大腸桿菌（ETEC）和霍亂弧菌口服疫苗、口蹄疫、肺結(jié)核等5-10個(gè)醫(yī)用蛋白或疫苗；預(yù)防和治療心血管疾病的新型蛋白藥物3-5種；高效表達(dá)降鈣素、乳鐵蛋白和降血壓蛋白等3-5種具有保健功能的新型保健食品；工農(nóng)業(yè)用酶5-10個(gè)；

2）獲得8-10個(gè)外源基因表達(dá)效率高、組織或器官特異性強(qiáng)并有特殊工業(yè)、環(huán)?；蜣r(nóng)用價(jià)值的轉(zhuǎn)基因植物株系或載體系統(tǒng)；

3）開展與植物生物反應(yīng)器相關(guān)的新基因、新的生物元件和新技術(shù)、新方法研究，進(jìn)入基因定點(diǎn)整合與植物生物反應(yīng)器的產(chǎn)業(yè)化相配套的關(guān)鍵技術(shù)研究，為今后的長期發(fā)展奠定工作基礎(chǔ)。取得發(fā)明專利20-30項(xiàng)，獲得專利申請(qǐng)?zhí)?0-100個(gè)；

4）建立3-5個(gè)大型的產(chǎn)業(yè)化基地并形成相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。

我國在現(xiàn)階段仍是一個(gè)發(fā)展中國家，不可能像發(fā)達(dá)國家一樣投入巨資進(jìn)行植物生物反應(yīng)器的研究和開發(fā)，國家主要從政策上予以扶持和協(xié)調(diào)，特別是鼓勵(lì)國內(nèi)大中小企業(yè)積極參與，國家也要有重點(diǎn)地選擇支持一些研究單位和課題，為此，我們提出如下建議：

1）增加不同學(xué)科，特別是醫(yī)學(xué)界和植物分子生物學(xué)界科研工作者之間的學(xué)術(shù)交流，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)將有利于發(fā)掘新的研究課題，加快該領(lǐng)域的研究和研究成果的產(chǎn)業(yè)化步伐；

2）制訂相應(yīng)的優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)企業(yè)投資參與研究和開發(fā)；

3）在科研經(jīng)費(fèi)投入上必須慎重，對(duì)開展工作比較好和已有工作基礎(chǔ)的的研究單位和課題予以支持，切不能像過去一樣一哄而上。投入必須注重回報(bào)，獲得資助的單位和課題在結(jié)題時(shí)不能僅以論文和人才培養(yǎng)等借口搪塞，關(guān)鍵是要有直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因?yàn)檫@是關(guān)系到將來千百萬農(nóng)民是否能夠真正脫貧的大問題，因此以風(fēng)險(xiǎn)投資的形式為最好；

4）國家對(duì)課題的重視不能僅僅停留在研究階段，更重要的是關(guān)注此后的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，要給予產(chǎn)業(yè)化過程以更大的資金和政策扶持；

5）廣泛開展科普教育，提高全民文化素質(zhì)，使百姓對(duì)基因工程及其產(chǎn)品有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。排除心理誤區(qū)，做到既不一味排斥，也不盲目迷信。否則就會(huì)像歐洲國家那樣，由于傳媒的誤導(dǎo)，使大眾對(duì)所有的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品產(chǎn)生了懼怕心理；

6）國家要在政策上予以強(qiáng)有力的支持，特別是理順各部門的關(guān)系。不能因各部門的利益，而導(dǎo)致政令不通，影響我國研究成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，最終導(dǎo)致國外產(chǎn)品占據(jù)國內(nèi)的絕大部分市場(chǎng)；

7）盡管植物來源的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品，如藥物蛋白被認(rèn)為是最安全的（即具有公認(rèn)的GRAS狀態(tài)），但國家應(yīng)及早制訂相應(yīng)的安全和管理法規(guī)，嚴(yán)格規(guī)范和監(jiān)督這類基因工程產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用。