综述：工程化本氏烟（Nicotiana benthamiana）条件性转基因表达

本综述系统探讨了利用合成生物学策略优化本氏烟（Nicotiana benthamiana）作为生物工厂的前沿进展。文章重点介绍了新型传感器模块（如光遗传学系统PULSE、Highlighter）、可编程转录因子（PTFs）、位点特异性重组酶（SSRs）及病毒复制子（如BeYDV、TMV）在实现条件性转基因表达、代谢通路优化和生物生产中的应用，为分子农业和生物制造提供了关键技术支撑。

　　

2 新型传感器模块：拓展信号感知维度

作为合成基因电路（SGCs）的输入层，传感器模块负责将环境或内源信号转化为转录输出。化学传感器通过工程化转录因子（如CUP2铜感应系统）在结合小分子后激活或抑制合成启动子（SPs），实现精确调控。近年来，感应范围已从传统的四环素、类固醇扩展到杀虫剂、乙醇和铜离子等农业相关诱导剂。

电磁信号传感技术显著提升了调控精度。红外激光激发基因操作器（IR-LEGO）利用热激启动子实现细胞级精度诱导。光遗传学系统如红光激活的redON系统、整合红光激活与蓝光抑制的PULSE系统，以及基于蓝藻色素CcaS的Highlighter系统，能够在标准园艺光照下实现高效基因表达控制，为温室应用提供了可能。

计算蛋白设计工具（如AlphaFold 3）的进展支持了^{de novo}传感器开发。细菌变构转录因子（aTFs）工程化成功实现了植物苯丙烷代谢物的感应， repression效率达95%，激活倍数达6倍。这些技术为构建定制化传感系统奠定了基础。

3 合成启动子与可编程转录因子：转录调控的核心引擎

合成启动子通过组合最小启动子（MPs）与合成增强子元件构建而成。近端调控区（100-3000 bp）包含核心^cis-调控元件，远端区域则发挥长程增强或沉默功能。此类模块在本氏烟中表现出低背景活性和可调性能。

可编程转录因子（PTFs）包括锌指蛋白、TALE效应子和dCas9系统，可实现正交基因调控。dCas9激活系统（如CRISPR-Act3.0、MoonTag）通过模块化激活域实现多重基因同步激活，GB_SynP启动子库针对dCasEV2.1优化后显著提升表达稳定性。抗Cas蛋白的应用为调控提供了新维度。

在代谢工程中，PTFs成功调控了本氏烟中苯丙烷类代谢通路，改变了黄酮类化合物组成。铜调控合成电路实现了昆虫信息素途径的时空控制。机器学习辅助的启动子设计（如TATA盒优化）正推动调控元件的精准预测与构建。

4 位点特异性重组酶：逻辑运算与遗传记忆的实现

酪氨酸重组酶（Tyr_SSRs，如Cre/loxP、FLP/FRT）通过可逆重组实现标记基因切除，在烟草中切除效率达34%。丝氨酸重组酶（Ser_SSRs，如φC31整合酶）利用非相同识别位点（attB/attP）实现不可逆DNA重排，在拟南芥中成功构建双稳态开关，重组效率达92%。

病毒介导的瞬时传递系统（如烟草脆裂病毒TRV载体）可在本氏烟中实现重组酶的瞬时表达，避免稳定表达导致的泄漏问题。这些系统支持逻辑门运算（如AND门）、信号放大和条件性表达，为复杂遗传电路提供了核心处理能力。

5 病毒复制子：转录信号的生物放大器

病毒复制系统通过保留病毒复制必需元件而剔除移动蛋白基因，显著提升生物安全性。RNA病毒系统（如TMV衍生的MagnICON、TRBO）通过局部复制提高表达水平；DNA病毒系统（如geminivirus BeYDV）利用滚环复制机制大幅增加基因拷贝数。

基因组整合型诱导系统（如乙醇诱导的INPACT、铜诱导的CuBe系统）将复制元件与诱导调控模块结合，实现高效且可控的表达。CuBe系统通过多层调控架构（CUP2-Gal4激活子、Flp重组酶）精确控制病毒复制，虽然表达水平暂低于MagnICON，但为规模化生产提供了新策略。

6 快速原型技术：细胞包与自主发光系统的创新

植物细胞包（PCPs）作为三维细胞聚集体，可通过农杆菌浸润实现高通量瞬转表达，在人铁蛋白重链生产中达40 mg/kg鲜重产量。自主生物发光系统（如真菌源通路、Nano-lanternX）利用内源咖啡酸代谢产生光信号，无需外源底物，支持实时动态监测。

本氏烟的高共转化效率支持多基因电路并行测试，系数变异（CV）在5%~155%间，可通过荧光报告基因标准化。这些技术显著加速了设计-构建-测试-学习（DBTL）循环，为稳定转化前的电路优化提供了高效平台。

7 展望：合成电路的整合与植物转化创新

通过矩阵附着区（MARs）减轻位置效应、基因组安全港靶向整合（如RMCE技术）可提升表达稳定性。形态发生调节基因和分生组织转化技术将转基因株系生成时间从6个月大幅缩短。雌激素诱导的CRISPR系统进一步优化了再生效率。

未来发展方向包括：多重环境传感器整合、机器学习指导的启动子设计、以及植物生物传感器和挥发性信号分子的开发。这些进步将推动本氏烟从生物制造平台向环境感知与信号分发系统的功能拓展。