合成生物学在水稻基因工程及遗传改良中的应用研究进展王爽何勇童晓红应杰政田志宏王以锋摘要合成生物学是融合了生命科学和工程学的新兴学科，近年来在水稻中已经取得了一系列进展。利用合成生物学的手段不仅可以将水稻改造成高价值的天然产物生产工厂，还可以对水稻的产量、营养品质进行改良和优化。概述了利用合成生物学在水稻中合成药用蛋白、疫苗和天然代谢产物，以及改良农艺性状、提高水稻产量几个方面的研究进展。关键词合成生物学;药用蛋白;疫苗;天然代谢产物;水稻;作物改良：Q819文献标志码：CDOI：10.19415/jki.1673-890x.2021.16.001合成生物学是以系统生物学为研究基础，利用基因工程和工程学概念人工设计和改造现有的生物系统，以获得具有新功能生物体系的一门学科。近些年，合成生物学已成为农作物改良的重要手段和焦点领域，在提高农作物产量、增强作物营养品质等方面发挥着重要作用。水稻是世界重要的主粮之一，它高度自交、花粉寿命短，作为转基因受体具有生态安全可控的特性。水稻作为合成生物学的载体具有以下明显优势：1）水稻易储存且蛋白不易因变性降解等导致功能损失;2）水稻产量较高，是我国居民的主食，在水稻上进行营养加强是提升全民健康的最便捷方式;3）作为真核生物，水稻具有类似人和动物的加工修饰系统，可以保证下游产物的活性;4）水稻高度自交是转基因生态安全的重要保证。本文综述了合成生物学在水稻生物反应器上取得的一系列进展。1生物医药方面的研究1.1人血清白蛋白人血清白蛋白（Humanscrumalbumin，HSA）是一种可溶性、球状和非糖基化的单体蛋白，主要作为类固醇、脂肪酸和甲状腺激素的载体蛋白，在稳定细胞外液方面起着重要作用。HSA在临床上广泛用于治疗严重烧伤、失血性休克、低蛋白血症和肝腹水等，也被用于癌症和艾滋病的辅助治疗[1-2]。在过去的几十年中，各种表达系统被用来产生HSA，包括大肠杆菌[3]、酿酒酵母[4]、乳杆菌[5]、转基因动物[6]、转基因植物[7-8]，虽然在这些系统中成功地表达了HSA，但它们都没有实现大规模、高效、低成本的目标。Yang等成功地在水稻种子中表达重组人血清蛋白（rHSA），rHSA水平达到水稻籽粒总可溶性蛋白的10.58%，大规模生产rHSA产生的蛋白纯度>99%，生产率为2.75g·kg-1糙米[9-10]。将得到的OsrHSA与众人血浆中提取的血清蛋白（pHSA）进行各项物理指标的对比，发现它们具有高度的一致性。在促进大鼠细胞生长和治疗肝硬化方面，OsrHSA的效率与pHSA相似。此外，OsrHSA在体外和体内的免疫原性与pHSA相似。1.2人胰岛素样生长因子1人胰岛素样生长因子1（Humaninsulin-likegrowthfactors1，hIGF-1）是一种由70个氨基酸组成的单链小肽，是调节生长、存活和代谢的主要生长因子[11]。临床上，hIGF-1用于有效治疗生长激素（GH）受体缺乏、GH不敏感综合征、hIGF-1基因缺失或GH信号转导通路缺陷的患者[12]。此外，hIGF-1可有效用于治疗1型和2型糖尿病或严重胰岛素抵抗综合症患者[13]。Xie等通过转基因水稻植株在种子中高度积累重组人胰岛素样生长因子1（rhIGF-1），达到种子总蛋白的（6.8±0.5）%[14]，相当于每粒（136±10）μg。功能分析表明，rhIGF-1的融合作用在体外可刺激人乳腺癌细胞系MCF-7的增殖。动物試验表明，糖尿病小鼠口服未加工的转基因种子可显著提高血浆IGF-1水平，降低血糖。1.3纤维素生长因子纤维素生长因子（Fibergrowthfactor，FGFs）是一类蛋白质家族，与肝素结合多肽在结构和生物活性上相似。到目前为止，已经分离出23种不同的FGFs[15]。碱性纤维生长因子（Basicfibroblastgrowthfacto，bFGF）是FGFs的一种，它是一种单链蛋白，能刺激NIH/3T3细胞的增殖，抑制干细胞的分化，并可能因其体外增殖，迁移和改变人气道平滑肌细胞收缩表型的能力而在治疗哮喘中发挥重要作用[16];在临床上，bFGF广泛应用于加速伤口愈合，也用于心血管和神经退行性疾病的有效组织修复和伤口愈合等方面[17-18]。An等成功地在水稻胚乳中表达了重组bFGF，表达水平达到99.11～185.66mg·kg-1糙米[19]，进一步的研究表明，OsrbFGF对NIH/3T3细胞增殖具有相同的刺激作用。纯化的FGF与其他测试产品也具有相同的体内伤口愈合...