文献学习：

1 引言

在首个在马铃薯中产生的人类蛋白被证实三十多年后，利用植物作为生物反应器的方法已从概念验证发展为一门日益工程化的学科。早期研究迅速认识到马铃薯作为植物分子农业底盘的潜力。尽管最初的实验以叶片为目标，但块茎很快因其作为生产器官更具吸引力，因为它们可以长时间积累和储存蛋白质。不久之后，研究还证实，产生抗原的转基因块茎可用作可食用疫苗，在口服递送后诱导免疫反应。到20世纪90年代末和21世纪初，马铃薯中已报道了广泛的重组蛋白，包括细胞因子、病毒抗原、抗体甚至蜘蛛丝蛋白。

除了这些早期的实证研究，马铃薯还具备植物表达系统共有的普遍优势。植物本身对于生物制剂的生产是安全的，因为它们不含人类病原体、致癌序列和内毒素。它们能够进行复杂的翻译后修饰，包括糖基化，这对于蛋白质的溶解性、稳定性和药理功能至关重要。同时，种植所需的资本支出相对较低，并且无需昂贵的发酵罐即可实现灵活的规模化生产。这些共同特性长期以来使植物成为微生物和哺乳动物生产系统之外具有吸引力、多功能且可能更具成本效益的替代方案。

尽管前景广阔，但整个植物分子农业领域在取得商业成功方面却举步维艰。以大肠杆菌为代表的微生物系统和以中国仓鼠卵巢细胞为代表的哺乳动物细胞培养系统在生物制药生产中占据主导地位。植物来源的产品仍然很少，业界对其工业相关性的质疑也与日俱增。一个显著的例外是，来自胡萝卜细胞培养物的重组葡萄糖脑苷脂酶被批准用于治疗戈谢病，但这样的成功案例仍然孤立无援。在这场整体性的衰退中，马铃薯受到的影响尤为严重。马铃薯曾是20世纪90年代的领跑者，但其进展因块茎中重组蛋白表达水平低、与富含水分和淀粉的组织相关的高下游加工负担，以及相对于种子繁殖作物的规模化能力有限而放缓。随着其他植物宿主的进步，尤其是本氏烟草、水稻和玉米，马铃薯在植物分子农业中的作用进一步减弱。

然而，在过去几年中，植物分子农业重新获得发展势头。最近使用植物来源疫苗（包括针对流感和SARS-CoV-2的候选疫苗）进行的临床试验已令人信服地证明，植物系统可以生产安全、具有免疫原性且有效的生物制剂。与此同时，糖工程和内质网途径工程的快速进展显著提高了复杂重组蛋白（尤其是抗体）的质量和功能性。辅之以日益精确的技术经济分析，这些进展为在下一代生物制造中重新评估植物系统提供了强有力的理由。在此背景下，探讨马铃薯可能扮演的角色是适时的。随着马铃薯遗传学和生物技术的突破，从CRISPR/Cas介导的编辑到二倍体、种子繁殖的种质资源，该作物再次迎来了被重新考量的时机。值得注意的是，这种重新关注的焦点并不局限于学术进展。工业界对马铃薯作为生物工厂底盘的商业兴趣也在显现。例如，近期的生物技术初创公司已宣布启动开发用于分子农业的马铃薯品系。尽管大多数可用信息来源于公司通讯而非同行评审的研究，但这些进展表明马铃薯正开始吸引学术界以外的关注。马铃薯作为植物分子农业平台发展的关键里程碑总结于图1。

2 马铃薯在分子农业中的应用

马铃薯因其完善的农业基础设施和广泛的种植面积，为植物分子农业提供了一个多功能的平台。块茎为重组蛋白提供了天然的保护环境，允许长期储存并部分保留活性。进一步的優勢在于，通过营养繁殖和无性系维持，建立稳定的转基因品系相对容易，与烟草等种子繁殖作物相比，可以更快地部署。虽然块茎可以积累重组蛋白，但实际产量普遍不高，这凸显了优化表达策略的必要性。尽管如此，块茎的储存能力和稳健性在基础设施有限的地区仍然具有优势。然而，与种子繁殖作物相比，大规模扩繁的后勤保障要求更高。

2.1 块茎作为重组蛋白的天然生物工厂

马铃薯作为植物分子农业平台的突出之处在于其能够产生大量的生物量，其中高达85%位于块茎中。块茎是改良的地下茎，充当储存器官，积累淀粉以及大量的蛋白质。基于干重，马铃薯块茎的蛋白质含量约为10%，基于鲜重约为2%，可与水稻和小麦等谷物相媲美。其蛋白质主要由Patatin和蛋白酶抑制剂组成。马铃薯块茎中的储存蛋白主要沉积在蛋白储存液泡中，这表明该区室原则上可以探索用于重组蛋白在马铃薯中的沉积。

鉴于这种储存生物学特性，块茎可以发挥两种互补的作用：纯化重组蛋白的生产器官和直接递送的可食用组织。早期在马铃薯中的概念验证研究表明，对口服递送的抗原（包括动物和人类志愿者中的大肠杆菌热不稳定肠毒素B亚基、人类中的诺如病毒衣壳蛋白以及乙型肝炎表面抗原）产生了粘膜和/或系统性免疫反应。这种双重功能突显了马铃薯作为生物工厂和口服递送平台的多功能性。

2.2 块茎作为植物分子农业的繁殖材料

营养繁殖为在植物分子农业系统中维持遗传保真性提供了主要优势。由于基于块茎的繁殖绕过了减数分裂分离，确保了等基因系的产生和可重复的生产批次。在田间和离体条件下均可快速扩繁特定基因型，与种子繁殖系统相比提供了实践上的灵活性。相比之下，种子繁殖的宿主一旦品系固定，就可以从均一的种子批次中实现快速、分散的规模化扩繁，这是块茎无性繁殖难以比拟的速度。

鉴于对营养繁殖的依赖，马铃薯中与转基因流动和环境逃逸相关的生物安全问题相对有限。花粉扩散范围有限，20米的隔离距离即可有效阻止基因流向邻近田地。虽然种子繁殖系统在快速规模化方面表现出色，但马铃薯拥有生物安全优势：通过真实马铃薯种子传播转基因的可能性极小，这与油菜等异花授粉作物不同，后者的基因逃逸仍然是一个重大问题。

同时，由于马铃薯是一种粮食作物，需要认识到整个生产链中转基因污染的潜在认知问题。这一挑战可以通过封闭栽培系统、严格控制繁殖方法以及将植物分子农业特定生产流与食品供应链物理分离来解决，这与现有的使用专用非粮食宿主和物理隔离、受控环境生产系统的制药用植物分子农业实践相一致。这些方法通常作为植物分子农业中生物安全和遏制策略的一部分被讨论。

除了常规块茎，马铃薯还可以作为温室生产的微型薯和完全离体的试管薯进行繁殖。这些小型储存器官使得工程化品系能够在严格控制条件下进行无性繁殖，加速繁殖并支持受控的概念验证研究。微型薯已在农业中使用，一旦工作流程得到优化，有望成为重组蛋白生产的可扩展原料，而试管薯则为早期植物分子农业开发提供了一个标准化、生物安全的平台。在受控环境中，这两种形式都能缩短生产周期并标准化繁殖。

3 对马铃薯作为植物分子农业平台兴趣的衰退

最初围绕马铃薯生物工厂的乐观情绪逐渐减弱，这是由于普遍性挑战和特定交叉挑战的共同作用。马铃薯一直受困于相对较低的重组蛋白产量、复杂的下游加工、与种子繁殖作物相比有限的规模化能力以及来自其他平台日益激烈的竞争。旨在增强其作为植物分子农业宿主适用性的尝试受到以下因素的阻碍：与块茎相关的特定挑战，特别是高水分和淀粉含量带来的下游加工负担；由于依赖块茎进行营养繁殖而导致的规模化挑战；以及来自其他植物宿主（如本氏烟草和玉米）日益激烈的竞争，这些宿主被认为在大规模生产方面更具优势。本节分析了这些因素，并附带了技术经济视角，以阐明马铃薯在生物制药领域落后于竞争对手的原因。

3.1 挑战和竞争

重组蛋白产量是衡量植物分子农业宿主性能的关键基准。在马铃薯发展的早期，块茎中的表达水平很少超过总可溶性蛋白的0.1-0.5%。例如，产生LT-B的块茎在鲜重中达到约0.01%的累积水平。虽然这些早期的产量足以证明口服免疫原性的概念，但从商业角度来看，这些水平远非最优。特别是，与作为当前工业金标准的中国仓鼠卵巢细胞相比，其产量差距巨大。作为参考，优化后的中国仓鼠卵巢细胞系通常每天每个细胞产生50-90皮克的免疫球蛋白G，滴度达到3-5克/升，其下游加工流程精简，每克产品的成本远低于基于植物的系统。

除了产量之外，下游加工成本也是植物分子农业工业化的主要障碍。缺乏详细技术经济分析的情况下，来自其他植物宿主的代理数据一致表明，下游加工占总成本的60%-90%。就马铃薯而言，由于其组织含水量和淀粉含量高，这种下游加工负担尤其严重。提取重组蛋白需要对大量低价值生物量进行处理，然后进行固液分离、脱水和纯化，这增加了每克产品的下游加工负担。油料种子通过将重组蛋白靶向油体（与油体蛋白融合），实现了简化的初步回收，从而提供了额外的下游加工优势。相比之下，马铃薯组织含有高比例的水分和淀粉，这降低了其储存后再加工的适用性。因此，重组目标蛋白的浓度较低，需要进行强化的脱水和淀粉分离。这些条件增加了蛋白水解的风险，并显著增加了下游加工的复杂性和成本。包括技术经济方面在内的植物平台更广泛的比较，见表2。

3.2 技术经济视角

作为背景，表2还将基于植物的系统与作为当前工业基准的中国仓鼠卵巢细胞培养物进行了对比。虽然中国仓鼠卵巢细胞以及几个植物系统有详细的技术经济分析，但马铃薯缺乏此类评估。尽管如此，代理数据表明，从约100公斤的新鲜块茎生物量中可以回收约1克单克隆抗体。在田间规模下，假设从约2.5公顷收获约100吨，这相当于每个种植周期可生产约1公斤纯化抗体。虽然这种产出的技术可行性是显而易见的，但它远低于商业生物制造的要求。相比之下，优化的中国仓鼠卵巢细胞系通常每天每个细胞产生50-90皮克的免疫球蛋白G，滴度为3-5克/升，并拥有精简的下游加工流程，导致每克产品的成本大大低于马铃薯或其他植物平台。

与此同时，针对各种植物宿主的技术经济分析一致强调，下游加工占总成本的60%-90%。相比之下，在中国仓鼠卵巢细胞为基础的生产中，下游加工通常仅占约30%-40%，因为高资本支出和昂贵的培养基增加了上游的成本份额。然而，尽管基于植物的设施（特别是那些具有标准化种植和收获操作的设施）的资本支出显著低于哺乳动物细胞培养，但这种优势不足以抵消马铃薯异常低的重组蛋白产量所带来的过高下游加工负担。

另一个关键的技术经济限制是可扩展性。通过块茎进行营养繁殖能够快速无性扩增选定的品系，但这种方法缺乏基于种子的作物的指数级可扩展性。在马铃薯中，从转化到收获的完整生产周期大约需要9个月。相比之下，尽管最初产生转基因种子需要相当长的时间，但一旦建立了纯合品系，种子繁殖作物（如玉米或水稻）就可以从少量种子快速、分散地扩增到数百公顷。对于需要快速扩大规模以满足波动的市场或突发公共卫生事件需求（如疫苗生产）的应用而言，这种差异至关重要。

此外，马铃薯作为一种分子农业平台，还必须面对来自其他植物系统日益激烈的竞争，特别是本氏烟草，它已成为瞬时表达的首选宿主，以及玉米和水稻等种子繁殖作物。本氏烟草因其快速的瞬时表达系统（可在几天内生产蛋白质）、相对较高的产量以及完善的糖工程工具包而受到青睐。种子繁殖作物如玉米和水稻，通过将重组蛋白靶向种子，实现了稳定的长期储存和相对简化的下游加工，因为种子含水量低且蛋白水解活性有限。这些优势使它们在某些应用中比马铃薯更具竞争力。

4 重新设计马铃薯用于下一代分子农业：机遇与策略

尽管存在上述挑战，但最近在合成生物学、基因组编辑、下游加工和替代种质资源方面的突破，为重新构想马铃薯作为高度工程化的“生物反应器”平台提供了新的机遇。本节概述了将马铃薯从一个平庸的生产者转变为一个精简、可扩展且经济上可行的分子农业底盘的关键策略。这些策略包括：改进表达盒和亚细胞靶向、多基因 stacking、宿主和过程优化，以及利用二倍体马铃薯和替代的茄属种质资源。图2以SWOT分析的形式直观地总结了马铃薯作为植物分子农业平台的现状。

4.1 表达盒的重新设计

提高重组蛋白产量和稳定性的最直接方法之一是优化表达盒。这包括使用强效、特异性或可诱导的启动子，以及优化重组蛋白在植物细胞内的靶向定位。传统上，马铃薯中的组成型表达通常依赖于花椰菜花叶病毒35S启动子。然而，针对块茎特异性表达，Patatin启动子已被用于将重组蛋白靶向块茎，尽管产量仍然很低。最近，合成启动子的设计取得了进展，它结合了多个顺式作用元件以实现更高和更特异性的表达。虽然这些工具尚未在马铃薯中广泛应用，但它们的模块化设计意味着它们可以相对直接地适应马铃薯。

除了转录调控外，蛋白质的亚细胞靶向对其稳定性和积累水平也至关重要。早期研究使用信号肽实现分泌，而其他重组蛋白则在没有靶向序列的情况下表达并停留在细胞质中。细胞质定位可能对某些蛋白质（如形成病毒样颗粒的病毒衣壳蛋白）有利，但大多数细胞质重组蛋白容易受到蛋白水解，并缺乏必需的翻译后修饰，限制了这种策略的普遍适用性。重要的是，细胞质是一个还原性环境，阻碍了二硫键的形成，使得许多分泌型和结构复杂的蛋白质难以或无法正确折叠。

为了克服这些限制，马铃薯植物分子农业越来越多地使用内质网滞留，它提供了一个受控的细胞内环境，用于正确折叠、基础N-聚糖形成和重组蛋白稳定化。结合N端信号肽和C端滞留基序的构建体显著改善了重组抗体、抗体片段和酶的积累。相比之下，靶向质外体的表达虽然实现了分泌和完全糖基化，但导致产量较低。这已被证明，例如，使用来自马铃薯蛋白酶抑制剂II或拟南芥2S白蛋白的信号肽成功地将重组蛋白引导至质外体，但与内质网滞留蛋白相比积累水平较低。导致分泌型重组蛋白不稳定性，从而降低产量的一个因素是，在从高尔基体到质外体的分泌途径中存在低特异性的内源蛋白酶，它们会驱动植物中重组蛋白的降解。植物分子农业中报道的缓解策略包括共表达质外体蛋白酶抑制剂，以及开发靶向蛋白酶敲除或敲低品系，以减少沿分泌途径的重组蛋白降解。此外，分泌途径在高尔基体加工过程中引入了植物类型的聚糖，如β(1,2)-木糖和核心α(1,3)-岩藻糖，这可能会进一步影响蛋白质的稳定性和整体产量。这些植物类型的聚糖也可能损害治疗效果或引起人类的免疫反应。糖工程通过消除植物特有的表位、产生人源化的均质N-聚糖谱以及实现末端唾液酸化（一种对治疗性糖蛋白的半衰期和药理性能至关重要的修饰）来应对这些挑战。同时，它避免了诸如N-羟乙酰神经氨酸等非人源残基，这些残基仍存在于一些哺乳动物系统中，可能引发免疫反应。虽然这种先进的N-和O-糖工程方法已越来越多地被其他植物采用，但在马铃薯中基本上仍未得到探索。因此，进一步表征马铃薯的糖组，结合靶向编辑，不仅有助于使重组蛋白的糖基化符合人类需求，而且可以增强蛋白质稳定性，从而提高整体产量。例如，在本氏烟草中，CRISPR/Cas对CCT基因的修饰结合伴侣蛋白过表达，将分泌型免疫球蛋白A的产量提高了一个数量级，这突显了一种原则上可以适用于马铃薯植物分子农业平台的策略。

4.2 探索蛋白储存液泡以增强稳定性

尽管蛋白储存液泡是马铃薯块茎中内源储存蛋白的天然沉积位点，但有意将重组蛋白靶向这一区室尚未见报道。在定位方面有一个显著的例外，尽管不是有意靶向，即营养蛋白AmA1在转基因马铃薯块茎中主要积累在细胞质中，在较小程度上积累在液泡中。然而，系统性研究的缺失表明这是一个明显的知识缺口，而非已被证实的限制。来自其他植物系统的证据证明了这种策略的机遇和可行性。源自马铃薯蛋白酶抑制剂（PPI）的液泡分选信号（VSS）使得抗生物素蛋白和链霉亲和素能够在烟草叶片中积累，表明马铃薯来源的基序在不同物种间具有功能性和可转移性。首个FDA批准的植物来源药物taliglucerase alfa，利用烟草几丁质酶A的C端液泡分选信号将葡萄糖脑苷脂酶引导至胡萝卜细胞液泡，产生甘露糖终止的聚糖，从而无需体外修剪。最近的综述强调了蛋白储存液泡靶向的潜力，大豆为理解液泡储存机制提供了见解，烟草则作为新兴亚细胞工程策略的模型。总的来说，这些例子证实了液泡沉积可以为重组蛋白积累提供一条稳定且具有生物技术相关性的途径。然而，在马铃薯中，液泡分选机制仍然鲜为人知，其在植物分子农业中的系统性应用有待进一步探索。解锁这条未被充分探索的途径，可能需要将基因组编辑、合成液泡分选信号设计和多基因 stacking整合到一个理性、可预测的框架内。

4.3 多基因堆叠

历史上，马铃薯植物分子农业主要依赖于单基因T-DNA盒，除了抗体重链/轻链共表达外，协调的多基因堆叠在块茎中并不常见。有两个因素可能是这种模式的原因：相对有限的马铃薯验证调控工具包阻碍了复杂的多基因设计，以及栽培马铃薯的四倍体、高杂合性和四体遗传，这使转基因剂量控制、稳定共表达和育种水平的固定变得复杂。然而，在操作上，马铃薯仍然易于转化（常规农杆菌转化/再生），并且营养繁殖简化了无性系维持。这些特性促进了能够在该宿主中实现可靠堆叠的底盘和工具包的开发。尽管如此，进展是显而易见的，堆叠方法已成功在马铃薯中得到证明。例如，GAANTRY系统实现了包含约10个基因的T-DNA盒的递送，并获得了完整的单拷贝事件，而其他研究则使用替代策略证实了在该作物中进行多基因堆叠的可行性。与此同时，模块化的多基因组装平台（如MIDAS-P）促进了复杂表达单元的快速、组合式构建，并且可以很容易地适用于马铃薯。结合在植物分子农业宿主中广泛使用的密码子优化的开放阅读框和特征明确的调控元件，这些进展为在马铃薯中进行更系统的多基因工程提供了实践基础，尽管更广泛的采用仍有待证明。

4.4 宿主和过程优化以促进重组蛋白合成和纯化

在证明马铃薯块茎作为重组蛋白来源潜力的研究的同时，有几项研究探索了改良宿主植物以用作生物反应器的方法。一个重要的研究方向集中在降低高丰度内源蛋白的含量，以潜在地促进下游加工。除了对下游加工的影响外，诸如Patatin等储存蛋白的高丰度也可能通过与重组蛋白竞争细胞资源来干扰其积累。尽管在马铃薯中直接的实验证据仍然有限，但来自降低Patatin或淀粉含量的研究的观察结果间接支持了宿主蛋白质组组成可以影响重组蛋白产量的观点。

一种早期方法使用RNA干扰技术靶向了主要的块茎蛋白Patatin。通过针对Patatin基因保守基序设计发夹结构，Kim等人实现了Patatin的几乎完全敲低，而总可溶性蛋白含量与野生型相当。作者假设，Patatin水平的降低可以促进重组糖蛋白（特别是那些用于治疗目的的糖蛋白）的纯化。然而，该研究并未直接验证这一假设。相比之下，抑制Kunitz蛋白酶抑制剂家族的尝试受到了广泛基因多态性的限制，阻止了所有成员的均匀敲低。

基于淀粉积累和Patatin含量之间的联系，通过抑制ADP-葡萄糖焦磷酸化酶产生了转基因淀粉缺陷植株，这降低了淀粉水平，并随之降低了Patatin的积累。类似地，在转基因马铃薯中，通过RNAi介导的质体ATP/ADP转运蛋白敲低，使总可溶性蛋白含量增加了约50%。当在这些品系中表达单链抗体时，其产量与野生型对照相比翻了一番，达到总可溶性蛋白的0.5%。这是少数直接评估了转基因马铃薯宿主用于重组蛋白生产的实例之一。

次级代谢产物，如甾体糖苷生物碱，因其毒性已被证明会干扰块茎的回收和食用。沉默甾体糖苷生物碱生物合成途径中的基因，包括GAME4和16α-羟化酶，在不影响植物生长的情况下显著降低了甾体糖苷生物碱水平。利用CRISPR介导的16DOX基因敲除导致块茎中甾体糖苷生物碱合成的完全抑制，从而为重组蛋白的分离提供了更高效的本底。虽然这些研究主要关注降低植物毒性，但它们也展示了优化宿主以用于重组蛋白生产的机会。

除了这些宿主改良策略，更新的基因组编辑技术，包括碱基编辑和先导编辑，为传统的敲除提供了高度精确的替代方案。然而，迄今为止，它们在马铃薯中的应用主要局限于农艺和工业性状，如抗病性、胁迫耐受性、块茎品质或淀粉组成。尽管如此，其在植物分子农业应用中的潜力是巨大的。重要的是，诸如CRISPRa/i等转录控制平台，结合正交回路（如Q系统），现在允许基因表达的可编程开关调节，例如增强弱启动子或将生产限制在特定的发育阶段。在植物分子农业的背景下，此类回路可以适用于仅在收获成熟时诱导重组蛋白表达，或沉默诸如Patatin或淀粉合酶等污染蛋白，从而提高重组蛋白的产量和纯度。

最后，下游加工策略可以补充宿主优化，以改善重组蛋白的回收。例如，一个从用α-淀粉酶去除淀粉开始，然后使用内切多聚半乳糖醛酸酶M1和内切-β-1,4-半乳聚糖酶进行细胞壁解聚的两步酶促过程，将蛋白质回收率从约47%提高到63%-75%。多酶方法也已从实验室规模扩大到中试规模，总回收率以及Patatin与其他蛋白质的相对比例取决于工艺条件和原料。展望未来，集成的酶混合物以及现代澄清和连续处理概念，包括基于膜的澄清和（生物）絮凝支持的过滤，有望进一步提高重组蛋白的产量和可扩展性，尽管缺乏 robust的马铃薯特异性研究。

总之，宿主优化、先进的基因组编辑回路和现代下游加工策略之间的协同作用，可以显著提高从马铃薯块茎中获得的重组蛋白的产量和质量。同时，新兴的精准农业工具为将优化从实验室扩展到田间提供了补充机会。通过无人机或卫星平台进行的高光谱成像，在基于人工智能的预测模型的支持下，已经能够在收获前对块茎产量、淀粉含量和营养状况进行准确、无损的评估。调整此类系统以对富含重组蛋白或消耗了干扰代谢物的马铃薯批次进行分层或预选，将增加一个预分选环节，从而减少下游加工负担并提高整体工艺效率。

4.5 释放二倍体马铃薯用于下一代生物工厂的潜力

二倍体马铃薯克隆为将该作物重新改造为一个高度可优化、遗传易操作的生物工厂提供了新的机会。与栽培的四倍体马铃薯不同，二倍体马铃薯更易于进行快速的遗传改良、精确的基因组编辑和杂交育种策略。这些特性，即遗传易操作性、稳定性和育种灵活性，对于理性设计专门针对植物分子农业应用的植物宿主而言具有特殊价值。

与在植物中观察到的核型效应一致，与四倍体相比，二倍体马铃薯预计会形成更小且排列更密集的细胞。这种细胞结构原则上可能有利于更均一的转基因表达和代谢物交换。在微生物和哺乳动物生物反应器培养中，较小的细胞尺寸与增加的产量相关联。然而，这种关系在马铃薯中仍然是假设性的，细胞大小与重组蛋白产量之间的联系应被视为一个需要直接实验验证的工作假设。重要的是，二倍体背景与成熟的原生质体技术非常吻合，该技术为构建体测试、基于CRISPR/Cas的基因组编辑，甚至通过瞬时递送DNA、RNA或核糖核蛋白复合物产生非转基因植物提供了一个多功能平台。这些工具既可以作为快速的概念验证系统，也可以作为再生经过精确编辑的二倍体品系的切入点，从而补充二倍体马铃薯作为生物工厂的优势。

展示出高水平纯合性的自交二倍体马铃薯品系的出现，进一步强化了在植物分子农业中采用二倍体系统的理由。与传统的四倍体马铃薯相比，此类品系可以在更大程度上促进基因组编辑、性状固定和实验可重复性。Jan和mini-Jan品系的开发例证了这一潜力。Jan品系来自Solanum tuberosum group Phureja与野生、自交亲和的二倍体Solanum chacoense的杂交，后者携带负责配子体自交亲和的显性Sli等位基因。通过连续自交和选择，实现了Sli的纯合固定，从而实现了可靠的自花授粉和高再生能力。随后，通过在Jan中对ERECTA基因进行CRISPR/Cas介导的突变，产生了mini-Jan品系，其表现出稳定的矮化表型，进一步证明了这些品系对精确基因组工程的适应性。从植物分子农业的角度来看，这些品系既可以作为设计宿主马铃薯的原型，也可以作为通过类似策略激发产生新生物工厂品系的概念模型。

同时，二倍体马铃薯中自交不亲和性这一更广泛的挑战说明了为何这些突破意义重大。几十年来，配子体自交不亲和性一直是创建自交二倍体品系的障碍。最近的基因组学进展已经阐明了茄属物种中S-位点的遗传结构，鉴定了参与花粉-雌蕊相互作用的众多S-RNase等位基因和F-box基因。这些发现为靶向操纵自交不亲和性途径、实现受控自花授粉以及产生具有理想农艺和生化性状的优良纯合品系铺平了道路。

建立在马铃薯自交品系的里程碑之上，现在可以利用F1杂交种子的生产来结合杂种优势等位基因，提高产量稳定性，并通过精确的遗传堆叠增强重组蛋白表达。种子繁殖引入了一个可扩展、无病原体的扩繁系统，并允许集中生产均一的起始材料，类似于微生物或哺乳动物细胞库。这可以显著降低成本并增强生物安全性，特别是在制药生产等以封闭为重点的应用中。

然而，尽管Jan和mini-Jan的开发和商业化证明了技术可行性，但在植物分子农业框架内更广泛地采用二倍体马铃薯仍需在不同的农艺和监管条件下进行仔细验证。尽管二倍体品系具有遗传易操作性和实验实用性，但它们仍然必须在农艺性能、可扩展性和成本效益方面证明其相对于传统四倍体栽培品种的明显优势。正如Bethke等人所告诫的那样，“必须追问二倍体系统能做哪些四倍体品系无法完成的事情”，这突显了需要反映分子农业实际应用案例的实证性并排比较。这种需求尤为迫切，因为种子繁殖的二倍体系统可能会引入额外的限制，包括近交衰退和农艺性状权衡，这可能会影响产量稳定性、块茎品质和大规模田间应用。如果没有这样的基准测试，二倍体底盘的长期工业可行性仍然是推测性的。

4.6 替代性植物材料和潜在生物工厂底盘

除了二倍体育种系统，同样重要的是要认识到马铃薯属于一个非常多才多艺的茄属基因库。这种多样性，以众多栽培种和野生近缘种为代表，提供了一个几乎取之不尽的性状库，可以用来优化生物工厂的性能。

栽培种S. tuberosum在不同品种间的蛋白质组成变异相对有限，块茎蛋白质含量通常在鲜重的1.5%-2.5%之间。Patatin占总蛋白的17%-45%，蛋白酶抑制剂占30%-50%，这可能使重组蛋白的纯化复杂化。相比之下，其他栽培茄属物种，如S. phureja和S. andigenum，表现出更广泛的蛋白质多样性，干重总蛋白水平高达8%，Patatin水平显著降低，同时对生物和非生物胁迫的抗性增强。因此，这些基因型代表了丰富的等位基因变异和代谢性状来源，可用于选择或培育更适合重组蛋白生产的马铃薯品系，然后再引入转基因修饰。在此背景下，利用自然遗传变异、以全基因组关联研究和再驯化策略为指导的顺基因方法，为宿主优化提供了有希望的机会。

总之，这些见解提出了一种扩展马铃薯植物分子农业平台的分层策略。第一步在于利用二倍体和野生马铃薯近缘种的自然等位基因和代谢多样性，包括探索具有有利细胞或生化性状（可增强宿主性能）的替代茄属种质资源。在此基础之上，可以应用顺基因和基因组编辑方法，以靶向方式优化选定的特征，如蛋白质组成或代谢物含量。最后，整合替代的茄属物种或相关的块茎类作物作为补充的生物工厂，将进一步多样化和加强该平台。这种整合性框架通过将种质资源选择、靶向遗传优化和实验验证连接成一个连贯的开发管道，最大限度地发挥了块茎类系统作为植物分子农业底盘的潜力。

4.7 迈向新一代生物反应器马铃薯

马铃薯在植物分子农业中的未来取决于其转变为一个有特定用途的生物技术栽培品种；一个从序列到田间部署都经过工程化改造的“生物反应器马铃薯”。提出的路线图（图3）并不强调孤立的干预措施，而是强调连接构建体工程与细胞内蛋白质路由、宿主优化、定制化加工和栽培策略的协调性重新设计。其新颖之处在于将这些层面视为一个集成系统，而非并行的选项。

实现这一愿景意味着要超越概念验证：优先考虑能够切实增加产量和稳定性的设计规则，使下游流程适应块茎生物量，并从一开始就将生物安全和治理纳入其中。只有这种整合才能可信地将马铃薯定位为一个成本效益高、不依赖冷链的生物工厂，用于生产疫苗、生物制药和工业酶。

5 展望：马铃薯作为下一代集成生物工厂

基于这一集成路线图，现在概述马铃薯植物分子农业如何能够扩展到制药以外，进入多功能、可持续的生物产品管道，这些管道利用了天然的块茎生物化学、生物炼制理念和负责任的创新。

5.1 利用天然的块茎生物化学

马铃薯块茎天然富含一系列生物活性化合物。马铃薯来源生物聚合物的潜在应用众多，跨越多个领域。一些马铃薯来源的蛋白质，特别是水解形式，已被化妆品成分审查委员会评估为在化妆品应用中具有安全性。Patatin具有乳化、质构化和中性风味特征，以及脂肪酶活性和抗氧化特性，使其对功能性食品和皮肤化妆品配方具有吸引力。除了传统的蛋白质分离物外，具有可调节界面特性的马铃薯蛋白微凝胶已被开发出来，能有效稳定乳液，凸显了其在食品、化妆品和生物材料领域的应用潜力。相反，马铃薯蛋白酶抑制剂（特别是PI2）的有效性已在随机临床试验中得到检验，证明了其调节饱腹感和减少餐后食欲的能力。而马铃薯淀粉的潜力则超越了其在食品工业中既定的角色。正在进行的研究探索其作为创新生物材料、化妆品配方和医疗应用（如伤口愈合和药物递送）的功能性基质的用途，其中生物可降解性和生物相容性是关键特性。

这些例子强调了马铃薯来源分子的多功能性和潜力。与其削弱这些成分，不如将它们整合到植物分子农业策略中，可能会产生利用块茎固有特性的混合生物产品。与之前关于马铃薯作为可食用疫苗的讨论一致，值得考虑的不仅是将块茎作为重组蛋白的载体，而且作为可以支持稳定性、吸收或功效的互补生物活性化合物的来源。早期使用转基因马铃薯的概念验证研究证明了口服免疫的可行性，近期的观点突显了对植物递送系统重新产生的兴趣。利用这种协同作用可以减少对下游加工的依赖，从而大幅降低生产成本，同时提高马铃薯植物分子农业系统的可持续性和社会接受度。

5.2 用于可持续价值化的生物炼制策略

推进植物分子农业的一个关键方面是采用生物炼制方法，将马铃薯植株的所有组分转化为有价值的产品。马铃薯皮废料是工业加工的重要副产品，其特点是淀粉、纤维和生物活性化合物含量高。通过实施定制的价值化策略，这些残留物可以转化为生物燃料、生物塑料、生物吸附剂和功能性生物材料，从而最大限度地减少浪费并促进循环生物经济。这些途径与更广泛的“零浪费”原则相符，并有助于可持续的生产链。

除了工业应用，马铃薯皮还代表了一种有前途的保健品资源。近期研究强调了马铃薯来源副产物的巨大健康促进潜力。文献综述显示，马铃薯皮提取物富含酚类、类黄酮和甾体糖苷生物碱，具有 robust 的抗氧化和抗炎活性。这些观察结果对功能性食品和营养保健品的开发具有重要意义。这些副产品能够用于工业生物产品，同时作为健康成分的来源，证明了它们的双重功能。

另一个视角涉及当前关于植物相关微生物组的研究热潮。可以设想马铃薯生物反应器与共生或工程化的微生物群落相结合，这些微生物群落不仅支持植物生长，而且有助于收获后残留生物质的有效降解。近期研究表明，马铃薯品种在招募有益微生物的能力上存在差异，而土壤微生物群落在多个季节中显示出强大的作物残留物循环代谢能力。补充性的综述和实验研究进一步强调了在马铃薯系统中进行微生物组调节的潜力。尽管仍处于推测阶段，但这些方法说明了植物分子农业生物炼制有朝一日可能会将生物价值化途径与技术价值化途径整合在一起。

小结：

在首个重组蛋白于马铃薯中成功表达三十五年后，以及利用其块茎进行可食用疫苗临床试验三十年后的今天，马铃薯作为一种分子农业底盘正被重新审视。马铃薯能够在块茎中积累重组蛋白，从而实现长期储存并简化物流。克隆繁殖、微型薯和试管薯的获取途径，以及完善的生产基础设施，进一步使该平台独具特色。有限的花粉扩散和对营养繁殖的依赖也为其提供了生物安全方面的优势。尽管具备这些特性，但由于表达水平低、富含水分和淀粉的组织导致的下游加工成本高昂，以及与种子繁殖作物相比规模化能力有限，马铃薯在竞争中输给了其他宿主。本文回顾了导致这一衰退的技术和经济因素，并评估了克服这些因素的新机遇。近期的进展包括精细化的表达盒、内质网和分泌途径工程（包括靶向糖工程）、多基因叠加、基因组编辑以及酶辅助的下游加工。种子繁殖的二倍体马铃薯和替代的茄属种质资源提供了额外的底盘选择。结合重新审视马铃薯作为生产平台的初创公司的涌现，这些进展为重新评估其在植物分子农业中的作用指明了切实可行的路径。研究认为，一个经过合理工程化改造的、基于二倍体的“生物反应器马铃薯”可以补充现有的宿主系统，并在下一代生物制造的具体细分领域中重新确立其重要地位。