本生煙 (Nicotiana benthamiana)

本生煙 (Nicotiana benthamiana) 原產于澳洲，與辣椒，番茄，馬鈴薯及栽培煙草等一樣，歸屬于茄科，是含有19條染色體的異源四倍體植物。近十幾年來，因其在植物-微生物互作，鑒定蛋白質相互作用及亞細胞定位，代謝調控，疫苗生產及合成生物學方面的廣泛應用，本生煙被認為是除擬南芥之外的重要模式植物。也許你經常和它打交道，但你真的了解它嗎？今天我們就一起來看看本生煙的前世今生。

現在世界范圍內主要應用的本生煙源于澳洲，而關于其具體來源，目前還有所爭議。世界上關于本生煙的最早記錄在1839年11月，澳洲西北部地區，最早期相關樣本被保存在英國皇家植物園Kew (樣本編號: K0001961)。Goodin等人收集了5個研究所 (分別來自西班牙，英國和美國) 的11個本生煙株系進行 RFLP 分子鑒定后發現，除一個株系外其余均來自于同一遺傳背景，但與 Kew 保存的本生煙不同。近期，澳洲阿德萊德大學與美國加州大學伯克利分校的 J. Cleland 與 T.H. Goodspeed 教授之間的書信往來顯示（圖1），1936年收集于澳洲中部的本生煙種子于1939年被轉移到美國，而其基因組信息99%與目前美國及歐洲大部分實驗室使用的本生煙品系基因組相似，這些證據表明，澳洲Granites區域 (南緯20.57，東經130.35 ) 極有可能是世界上各實驗室使用的本生煙發源地。

在澳洲，本生煙主要有6大地理分布(圖2)，有330個左右經過正式鑒定并保存的株系樣本，Bally等人通過不同地理位置分布，將澳洲本生煙進行了不同命名，如實驗室使用株系(LAB)，Northern Territory (NT)，North Western Australia (NWA)，Western Australia (WA)，Queensland (QLD)，及South Australia (SA)等。這些株系之間在植物株型，葉子形狀，授粉狀況，花形及種子大小等生長與發育上有一定差異(圖 3)。從形態上，SA 株系與實驗室使用株系 LAB 較相似。通過核酸信息進化樹分析，也發現 LAB 株系與 SA 株系相近。因此，目前實驗室主要使用的 LAB 株系可能來自于澳洲的 Granites 地區，并在世界范圍內大量使用，遺傳背景較為一致，而這也為利用本生煙作為工具進行科學研究提供了較高的可比與參考性。

本生煙在世界范圍內被廣泛應用，主要因為它具有以下優良性狀：① 實驗室培養條件下容易大量種植并利于收集大量植物材料； ② 與擬南芥，水稻等模式植物相似，具有植物體內基因表達調控及蛋白翻譯后修飾，比在大腸桿菌或酵母表達體系中進行功能驗證更直接；③ 對已知大部分已經鑒定的植物病毒敏感，可以直接進行植物-病原微生物互作功能研究；④ 農桿菌介導的基因瞬時表達體系成熟，可以直接進行基因調控，蛋白質互作及定位等分子生物學與生物化學功能研究。

基于植物病毒的表達體系

本生煙自身對多種植物病毒非常敏感(圖4)，基于此開發了病毒介導的基因表達工具，利用病毒載體在本生煙中表達不同蛋白進行功能研究。隨著農桿菌 T-DNA 介導基因表達技術發展，在本生煙中瞬時，快速，大量表達外源蛋白進行功能研究變得更加便利，而基于病毒改造的植物表達載體也被廣泛應用。通過病毒介導的基因沉默 (virus-induced gene silencing, VIGS) 技術可下調植物內源基因表達，在煙草，擬南芥，苜蓿，番茄，辣椒，大豆，棉花，草莓等雙子葉植物及玉米，大麥，小麥等單子葉植物中均有廣泛應用。而本生煙中 VIGS 也是應用最為廣泛，基因沉默效果更好，最為便捷的遺傳工具。

16c-轉基因煙草經典之作
由英國劍橋大學 David Baulcombe 教授實驗室出品的 GFP 轉基因本生煙 16c 滿足了植物學研究領域大部分需求。16c 本生煙中 GFP 穩定表達，因其 GFP 熒光信號易于追蹤檢測等特點，被廣泛應用于 RNAi/VIGS，表觀遺傳，植物-病原微生物互作，分子移動，嫁接，蛋白質結構與功能，蛋白質互作，基因沉默與抑制等多領域與方向，利用16c 作為材料產生的相關論文有超過750篇之多。

本生煙與細胞生物學

蛋白在植物體內細胞定位對于研究蛋白功能尤為重要，而利用農桿菌 T-DNA 介導的瞬時表達體系大大縮短了研究蛋白細胞定位的周期，構建熒光蛋白穩定表達擬南芥或其他植物品系可能需要數月至數年之久，而利用農桿菌在煙草中瞬時表達可以縮短到一周之內。隨著不斷開發的各種熒光蛋白，如常見 GFP，RFP，YFP，CFP 等，及不同熒光染料，如 DAPI 及 FM-64 等，實時可監控地研究蛋白質亞細胞定位時空動態成為現實(圖5)，基于不同熒光蛋白的不同亞細胞定位 marker 蛋白也被廣泛應用于本生煙表達系統中，通過共定位進一步確定目的蛋白亞細胞定位情況。

本生煙與蛋白質互作

本生煙在植物學研究中最為關鍵的應用就是利用農桿菌介導瞬時表達系統研究蛋白質-蛋白質相互作用，主要技術體現在：
① 基于免疫沉淀的 Co-IP，IP-MS/MS 技術等；
② 基于雙分子互補技術的 BiFC，Split-Luciferase Complementation 等；
③ 基于熒光蛋白能量轉移 FRET 技術的 FRET-FLIM 等。
此外，通過添加激素，小肽，蛋白質合成與降解抑制化合物等小分子化合物可以進一步檢測蛋白質實時互作動態，大大加速對蛋白互作網絡，生物化學功能研究。

本生煙與生物制劑

除了進行生物學研究，本生煙被廣泛應用于生物制藥行業，例如制造抗體等藥物，目前已用于流感病毒，埃博拉病毒，登革熱病毒，HIV/AIDS，甲乙丙肝病毒，SARS，西尼羅河病毒等多種病毒抗體制備研究。其中較為人知的是2014年兩例美國用于治療埃博拉病毒患者的 ZMapp 抗體藥物，就含有本生煙表達體系產品(圖6)。同時，科學家也發現植物中蛋白的翻譯后修飾，如糖基化，會使部分人產生過敏反應，這也限制了利用本生煙大量生物制劑的應用與發展。隨著生物技術的不斷發展，科學家正在嘗試調控本生煙中蛋白翻譯后修飾來生產符合人體利用的生物制劑，如將抗體定位在 ER 上進行表達以減少糖基化修飾，敲除或者沉默糖基轉移酶，及共表達哺乳動物源的糖基化酶等，上文提到的 ZMapp 就是經過糖基化修飾調整后的抗體藥物。

本文來自微信公眾號：BioArt植物

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