植物作为地球生物圈的重要构成成分，与人类生活息息相关。绿色植物是能将光能转变成化学能的"生物反应器"，是人类赖以生存的最重要的基础，它不仅为人类提供生命所必需的糖类、脂质及蛋白质等初生代谢物，同时也为人类提供许多有益的次生代谢物，如生物碱、萜类、黄酮类及酚类等化合物。这些天然化合物被人类广泛用于医药、轻化工及农业化学等工业的原料。因此人类所面临的环境、粮食、疾病及能源等诸多危机无不与之相关。
然而人类面临着资源危机的挑战，主要体现在:盲目采集和生态环境的破坏致使许多野生植物趋于濒危;一些特殊生境下的植物人工引种困难;能够引种的植物则需要占用大量农田；人工栽培受自然环境因素的制约，次生产物的含量和质量不稳定;在通常情况下，天然植株中目的次生产物的含量过低（如红豆杉中的紫杉醇）；化学合成工艺流程复杂，成本过高，且会造成环境污染等。20世纪60年代起，随着生物技术的迅猛发展，科学家们开始尝试应用生物技术来开辟获取植物中天然化合物的新途径。这一新的技术途径统称为代谢工程。
与分子生物学研究手段去调控植物次生代谢，以最大限度地获取人类所需要的次生代谢产物，或降低那些对人类有害的化合物的含量，以满足人类对医药、食品、轻化工及农药等工业原料的需要。尤其是通过植物细胞或组织的离体培养系统，实现大规模的工业化生产，以克服引种栽培占用大量农田、受自然环境的影响使化合物的含量和质量不稳定等诸多弊病。
植物次生代谢工程的主要技术路线有如下几个方面。
1.植物细胞大规模培养
这一技术是基于植物细胞的全能性和借鉴微生物发酵培养的成功经验。植物细胞培养的3大要素是:获得遗传稳定性好的高产细胞系；建立切实可行的次生代谢调控系统以及适合于植物细胞大规模培养的生物反应器。尽管存在种种技术难点，这一领域仍然取得了可喜的研究成果。我国在人参（Panax和新疆紫草（Arnebiaeuchroma)细胞大规模培养方面已实现产业化规模。
2.质粒转化的发根培养
Ri质粒是发根农杆菌中位于染色体DNA之外的独立基因组。植物受该菌侵染后，可在侵染部位形成发根，发根具有天然根的结构，具有较高的生长速率和较好的遗传稳定性，能合成和宿主植物相同的次生代谢产物等特点。我国在黄花蒿、丹参、金荞麦等多种药用植物上成功地建立了发根培养系统。发根培养能否实现产业化，仍有许多难题要解决，尤其是发根具有较高的含水量和发根生物反应器放大培养等问题仍是产业化的瓶颈因素。
3.植物次生代谢基因工程
人们在对某些次生代谢途径获得较多的了解后，通过对某种植物代谢途径中某些关键酶基因的克隆、功能的研究，采用正义和反义目的基因表达载体的构建和遗传转化，实现对次生代谢中碳流方向的分子调控，有可能大幅度提高目的化合物的含量，或是阻遏某种人们所不需要的化合物的生物合成。我国在这一研究领域对黄花蒿中青蒿素及红豆杉中紫杉醇生物合成分子调控的研究，已取得重要的研究进展。
综上所述，生物技术不仅是人们获取植物次生代谢产物的新途径，也是保护植物资源使之永续利用的新途径。
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2022-05-21 21:39:55
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