利用本氏烟与普通烟草种间杂交创制高效生物反应器：F1代瞬时生产高价值小分子的潜力与机制分析

本研究针对植物生物工厂中本氏烟(Nicotiana benthamiana)生物量低、普通烟草(Nicotiana tabacum)瞬时表达效率不足的问题，通过种间杂交获得三类F1杂交群体（BEN/HYB/TAB），发现BEN型杂交种酮类胡萝卜素产量提升2.4倍，HYB型单叶生物量增加2.7倍，为植物瞬时表达平台优化提供了新策略。

　　

随着第四次工业革命对可持续生物制造的需求日益增长，植物作为“生物工厂”生产高价值小分子和重组蛋白的潜力备受关注。其中，本氏烟(Nicotiana benthamiana)因其易感病毒、便于转基因瞬时表达等特性成为首选底盘植物，但其叶片生物量低限制了大规模应用。与之相比，普通烟草(Nicotiana tabacum)虽生物量高，却因细胞结构致密导致农杆菌浸润(Agroinfiltration)效率低下。如何整合两种物种的优势，创制兼具高生物量和高表达效率的新型植物底盘，成为当前植物生物技术领域的挑战。

为突破这一瓶颈，英国皇家霍洛威大学的研究团队在《Journal of Plant Physiology》发表了题为“Demonstration of interspecific crosses between Nicotiana benthamiana and Nicotiana tabacum for intragenesis and the transient production of valuable small molecules and proteins”的研究。该工作通过本氏烟实验室品系（Lab）与普通烟草栽培种K326的种间杂交，成功获得F₁代杂交种，并系统评估了其表型、基因型、代谢特征及瞬时表达性能，为植物生物工厂的底盘优化提供了新思路。

研究团队主要采用杂交育种结合多组学分析技术，包括：（1）双向种间杂交与F₁代表型分类；（2）Rdr1基因功能缺失型（72bp插入）的PCR基因分型；（3）农杆菌介导的瞬时表达体系（酮类胡萝卜素合成基因crtZ/crtW、角鲨烯合成基因FPPS/SQS及GUS报告基因）；（4）超高效液相色谱-质谱联用（UPLC-MS）的代谢组学分析；（5）组织化学染色与图像分析量化GUS蛋白表达。

表型与代谢组学特征分析

杂交后代根据叶片形态分为三类：64%为类本氏烟表型（BEN），28%为杂交表型（HYB），8%为类普通烟草表型（TAB）。基因分型显示BEN组携带纯合缺陷型Rdr1基因，TAB组为纯合功能型Rdr1，HYB组为杂合型。代谢组学表明，BEN组代谢特征接近母本本氏烟，TAB组类普通烟草，HYB组则介于双亲之间且偏向父本。值得注意的是，HYB组单叶面积较本氏烟增加2.7倍，但单位面积干重降低25%，提示其细胞结构可能影响浸润效率。

农杆菌浸润效率与酮类胡萝卜素生产

人工注射浸润评估显示，本氏烟浸润效率最高，普通烟草最低（需≥5个注射点），HYB组效率介于二者之间。瞬时表达酮类胡萝卜素时，BEN组产量达1330 μg/g DW，显著高于本氏烟对照组（550 μg/g DW），且中间产物echinenone、canthaxanthin和phoenicoxanthin分别提升2.9倍、2.7倍和3.8倍。尽管HYB组单位重量产量与本氏烟相当，但其单叶生物量优势使单叶总产量提升约27%。

F₂代与无性系表达性能衰退

由于TAB与HYB组雄性不育，研究通过自交获得BEN组F₂代，并通过扦插繁殖HYB组无性系。结果表明，F₂代与无性系在GUS蛋白、角鲨烯及酮类胡萝卜素生产上均显著低于F₁代及本氏烟对照组，例如GUS表达面积降至Lab的15%-50%。这证实F₁代特有的杂种优势无法稳定遗传。

讨论与结论

本研究首次系统解析了本氏烟与普通烟草杂交F₁代的瞬时表达潜力。BEN组的高产特性可能与Rdr1基因纯合缺陷相关，该基因除调控病毒抗性外，或间接影响农杆菌介导的基因表达效率。而HYB组的大叶型虽提升生物量，但细胞结构致密化导致浸润效率降低，建议未来采用真空浸润替代人工注射以优化工艺。值得注意的是，F₁代表现出的优异性状在后代中消失，表明其优势源于显性互补效应或表观遗传调控，而非稳定遗传变异。

该研究为植物生物工厂底盘设计提供了新范式：通过种间杂交快速整合有益性状，并提示F₁代杂交种可作为瞬时表达的优化平台。尽管目前杂交育种成本较高，但基于此发现的基因编辑或稳定转基因策略，有望创制兼具高生物量、高表达效率的下一代本氏烟底盘植物，推动植物生物制造在疫苗佐剂、饲料添加剂等领域的规模化应用。