《Biotechnology Advances》：Programmable plant chassis for sustainable biomanufacturing of high-value natural products
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•在合成生物学进步的推动下，植物正逐渐成为下一代生物制造的可持续且可编程的载体平台。•一套标准化的植物合成生物学工具箱，包括启动子、终止子和转录调控元件，能够实现植物载体平台的可靠、模块化改造。•对复杂生物合成途径的精确重建与优化，能够实现高附加值生物碱、萜类化合物和苯丙素类
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在合成生物学进步的推动下，植物正逐渐成为下一代生物制造的可持续且可编程的载体平台。
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一套标准化的植物合成生物学工具箱，包括启动子、终止子和转录调控元件，能够实现植物载体平台的可靠、模块化改造。
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对复杂生物合成途径的精确重建与优化，能够实现高附加值生物碱、萜类化合物和苯丙素类化合物的高效生产。
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本文概述了植物载体平台在工业生物制造应用中进行规模化部署所面临的关键挑战与未来展望。
引言
天然产物由生物体通过高度协调、多步酶促转化合成，由此产生结构多样且具有生物活性的分子库。目前，天然产物已为现代医学、农业和工业做出了重要贡献，并持续为解决人类健康、粮食安全和环境可持续性挑战提供机遇。随着对生物活性天然产物需求的增长，天然产物的高效、可持续获取已成为当代生物技术的核心目标。
传统上，天然产物主要通过从天然生产者中直接提取或通过化学全合成和半合成获得。然而，直接提取在根本上受到许多高价值代谢物固有含量低、时空分布受限的制约，需要大量生物质投入、较长的培养周期和大量土地使用，从而带来高昂的经济和生态成本。例如，著名的抗癌药物紫杉醇在太平洋红豆杉树皮中的含量仅为0.01%至0.06%（Wall和Wani，1995），这一水平远不能满足临床需求，也是其历史上市场价格高昂的关键因素。化学合成虽然可摆脱有限自然资源的束缚，但常受限于天然产物的结构复杂性，导致合成路线冗长、选择性控制困难、总收率低且可扩展性有限（Zhang等，2021），尤其是对于复杂代谢物和天然功能蛋白。综上，这些局限性表明传统的提取和化学合成策略无法满足对天然产物日益增长的可持续、经济可行的需求。
合成生物学作为一种强有力的替代方案应运而生，通过在工程化载体中实现天然产物的可编程生物合成。微生物细胞工厂，特别是大肠杆菌和酵母，已被广泛用于从可再生原料生产燃料、化学品、药物和天然产物（Cao等，2020a），包括木质纤维素生物质（Tang等，2018）和CO?（Li等，2023a；Zheng等，2026），这得益于其生长速度快、遗传操作便捷以及可规模化的发酵工艺。然而，微生物宿主相对简单的细胞结构往往限制了其高效合成复杂天然产物的能力。许多来自植物的特异性代谢物需要多种真核酶协同作用，尤其是细胞色素P450单加氧酶。例如，植物来源的细胞色素P450难以在大肠杆菌中功能性表达，因为缺乏细胞色素P450还原酶（CPR）、膜环境以及与内质网相关的机械装置（Leonard和Koffas，2007；Li等，2024）。因此，尽管微生物工程已实现多种植物来源化合物的生产，但许多复杂代谢物（如异黄酮）的产量往往较低，通常在每升几十至几百毫克之间（Sun等，2022）。此外，许多植物生物合成途径演化于高度有序的真核细胞环境中，其中酶、中间体和调控组分在专门化的细胞器（包括质体、线粒体、内质网和液泡）中空间分布。在缺乏等价亚细胞结构的微生物宿主中重建这些区室化途径可能导致酶间相互作用效率低下、代谢失衡、毒性中间体积累以及细胞适应性下降。虽然在酵母中重建叶绿体依赖途径已实现烟碱和淀粉等复杂植物代谢物的从头生物合成，但产量仍然较低，远未达到工业需求（Tang等，2024a；Tang等，2024b）。这些挑战凸显了开发能够更好支持植物特异性代谢生化复杂性的替代载体平台的必要性。
植物作为多样化的特异性代谢物的天然生产者，为工程化高价值天然产物的生物合成提供了独特的生物学背景。长期以来，植物一直作为安全可持续的食品、脂质（Liu等，2024b）、维生素（Blancquaert等，2015；Mangel等，2019；Storozhenko等，2007；Tian等，2021）、农用化学品、色素（Tan等，2025；Tian等，2020）、营养补充剂（Chen等，2025b；Huang等，2015；Xu等，2025b）和生物活性化合物（Bapat等，2023；Cui等，2025）的来源。作为光自养生物，植物直接利用光能和CO?合成复杂碳骨架，提供了一条本质上可持续的生产途径，从而降低了对外源有机原料的依赖。更重要的是，植物具有高度特化的代谢网络，包括萜类、生物碱和苯丙素类化合物的原生生物合成途径。这些内源代谢能力提供了微生物系统中难以完全重建的原生前体物质库、酶环境和调控机制。此外，多种亚细胞区室的存在使得代谢途径可以空间组织，从而实现改善的通量控制、减少代谢串扰和干扰，以及高效隔离毒性或不稳定中间体。此外，植物通常表现出对特异性代谢过程中产生的毒性或反应性中间体的内源性耐受机制。这一优势在曼陀罗中成功重建的从头小檗碱途径中得到了验证（Jiao等，2024；Tian等，2025a），其中植物特有的酶功能和细胞环境使得结构复杂的生物碱产物得以生产。植物还具有复杂的真核蛋白质表达系统，包括蛋白质折叠机械装置、二硫键形成和翻译后修饰，这对许多复杂蛋白质和酶的功能性表达至关重要。综上所述，微生物载体和植物载体各自具有不同的生物制造优势（表1）。微生物系统因其生长速度快、发酵技术成熟，在快速生产相对简单分子方面仍然非常有效；而植物载体平台则为重建依赖真核酶、细胞区室化和特异性代谢调控的复杂生物合成途径提供了独特能力。
合成生物学近期的进展加速了高产且环境适应性强的植物载体平台的开发，为可持续生物制造提供了有前景的平台。在本综述中，我们全面概述了可编程植物载体平台在生物制造方面发展的进展（图1）。此处，可编程植物载体指的是配备标准化遗传元件和工程能力、能够进行可预测的代谢途径重建、模块化代谢工程和高价值天然产物受控生物合成的遗传上可操作植物平台。这种可编程性依赖于充分表征的生物学组件、高效的遗传操作工具和合理设计原则的整合，以优化植物系统中的途径性能。因此，我们首先总结了标准化遗传元件（包括启动子、终止子和调控组分）的建立和表征方面的进展，这些元件为植物载体工程提供了基础构件。然后，我们讨论了可编程植物载体在主要植物天然产物（包括生物碱、萜类化合物、苯丙素类化合物和类黄酮）生物合成中的应用，重点介绍了途径重建和代谢优化以提高产物积累的代表性实例。最后，我们讨论了植物载体生物制造规模化及将工程系统推向工业应用所面临的当前挑战和未来展望。（参见图2、图3、图4。）
章节摘要
植物合成生物学中的生物元件
在植物细胞工厂中高效生产天然产物，从根本上取决于先进的合成生物学技术、多功能生物元件和充分表征的植物载体平台的可用性。用户友好的遗传工具箱以及模块化和标准化的生物元件是复杂生物合成途径合理构建以及实现可预测和可调基因表达不可或缺的（Vazquez-Vilar等，2017）。
而植物的
植物载体中天然产物的生物合成
生物元件为构建可编程植物载体提供了标准化的基础模块，并能够实现异源途径的可预测调控。除了遗传组件的可用性外，成功的途径工程还依赖于对生物合成途径的全面理解以及对途径酶的功能表征（Zhu等，2021）。目前，植物载体平台已成为生产有价值天然
结论与展望
植物载体平台通过整合原生代谢能力、区室化细胞组织和先进的合成生物学工具，为复杂天然产物的可持续生物合成提供了有前景的平台。然而，从实验室规模的验证成功转化为工业生物制造，不仅需要高效的途径重建和优化，还需要合理选择生产平台、可规模化的培养工艺以及有效的
资金
本工作得到了国家重点研发计划（编号：2025YFA0922200）、国家自然科学基金（编号：32471484；编号：32522003；编号：32271477）、深圳市科技创新计划（编号：JCYJ20240813151051065）、深港科技创新合作计划（C类）（SGCX20250526145713018）和广东省植物逆境生物学重点实验室（2024PlantKF06）的资助。
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