当将外源基因引入叶绿体基因组中时,叶绿体基因组母本遗传的作用得到了更多的关注。通过花粉进行转基因逃逸以及杂草近缘种捕获这种宝贵性状的可能性一直是核转基因作物中的主要问题。因此,通过叶绿体基因组整合除草剂抗性基因和母体遗传转基因被认为是一项重大成就,并且本发明在Nature Biotechnology上是封面文章。随后,已记录了整合到叶绿体基因组中的许多外来基因的母体遗传。
除了通过母体遗传的转基因遏制外,叶绿体工程还能在叶片中生产产品,在任何生殖结构出现之前促进它们的收获,从而提供完全的遏制。因此,十年前对叶绿体中表达的生物制药产品进行了现场测试(表1)。最近,USDA-APHIS证明“由于不存在植物有害生物成分,转质体组不符合USDA-APHIS法规7 CFR第340部分中受管制物品的定义”。这些优势应有助于通过叶绿体基因组工程化产品的现场生产。
在某些情况下,质体基因组表现出足够的变异性,可用于群体水平的研究以及系统地理学分析,尽管在动物中无法通过mtDNA进行观察。长期以来人们一直认为杂交是植物进化的主要力量,但使用质体基因进行的分子研究表明,过去发生的许多未曾预料到的杂交事件显示杂交在植物中的发生率比人们想象的还要普遍,并伴随有成百上千的质体基因组渗入案例。我们当前的绿色植物系统发育关系的大多数框架都基于质体基因组序列数据,而当前的分类很大程度上基于质体基因系统发育。只有在过去几年中,随着核基因测序变得越来越常规,才产生了类似的核基因拓扑。重要的是,质体树和核树之间存在不一致,不仅在长期以来一直发现基因渐渗的浅层水平,而且在深层水平上也存在差异,这表明假定的古老网状结构。
对质体基因和基因组的研究还揭示了质体绿色植物类群的复杂历史,在其他谱系(包括褐藻,红藻和裸藻)中发生了次级和三级内共生事件(代表光合绿藻或红藻的捕获) 。总之,来自绿色植物系统发育和光合真核生物其他类群的越来越多的质体基因和基因组集合提供了序列信息和资源,不仅可用于追踪植物进化,而且还用于叶绿体遗传工程。
叶绿体基因组已被改造用于表达来自细菌,真菌,原生动物或人类基因组的外源基因,以用于各种生物技术应用。令人惊讶的是,利用细菌调控序列表达了苏云金芽孢杆菌的细菌操纵子,并达到了报道的最高水平的Bt蛋白。小的人类基因(胰岛素)以很高的水平表达(最多可占叶片总蛋白的70%)。但是,当将大的人类基因引入叶绿体基因组时,翻译效果很差。因此,基于133个测序叶绿体基因组中表达最高的pabA基因的密码子使用,开发了一种新的密码子优化程序。密码子优化算法从天然的人凝血因子FVIIIHC中消除了105个稀有密码子,从而增强了表达。CTB-FVIII-LC基因的类似密码子优化导致最大的人血蛋白(FVIII,185 kDa单体,具有五聚体组装)在叶绿体中成功表达,目前已推进商业化生产和临床试验。密码子优化的Ace2现在已在临床上经过测试,可治疗COVID-19患者。
2018年全球酶市场价值为110亿美元;它用于食品/饮料(37%),清洁(26%),生物能源(15%)和动物饲料(13%)行业。对洗涤剂,纺织品和废水处理应用的需求不断增长,推动了酶行业的显着增长。酶现在被用作生物肥料和土壤增强剂,通过增强有益微生物来加速生长。碳水化合物酶是产品细分市场中的佼佼者,2018年市场份额为48%。在全球范围内,亚太地区工业酶需求(46亿美元)居首位,其次是欧洲(26.8亿美元),美国占最大的工业酶市场份额(38%)。
不幸的是,在巧克力,冰淇淋和番茄酱中发现了甘露聚糖,它们是最常见的布渍。甘露聚糖酶将不溶性甘露聚糖水解成水溶性的较小寡糖,从而促进去污。但是,目前的甘露聚糖酶产品在很宽的温度或pH范围内都没有活性。甘露聚糖酶还用于造纸和纸浆行业,生物乙醇生产,油气井增产,食品和饲料,保健食品和制药行业。内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶可用于增强颜色亮度和织物柔软度。这些酶可用于牛仔布的生物洗涤,生物石染和生物抛光,以从原纤维表面去除染料,而对织物的损害最小。纤维素酶,半纤维素酶和果胶酶的鸡尾酒用于果汁的澄清,浓缩和降低粘度。
图1:叶绿体和微生物酶对染料或染色去除、吸水或果汁澄清的比较。
图2:口服莴苣叶绿体中制成的蛋白质药物。
原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13556
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