黃明星， 朱思思， 張秋鴻

(廣東工業(yè)大學(xué) 輕工化工學(xué)院生物工程系, 廣州 510006)

浮萍研究進展

黃明星， 朱思思， 張秋鴻

(廣東工業(yè)大學(xué) 輕工化工學(xué)院生物工程系, 廣州 510006)

摘要浮萍是世界上最小，生長速度最快，形態(tài)最簡單的開花植物。多年來不僅被廣泛應(yīng)用于植物生理學(xué)、遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)和環(huán)境檢測等方面，而且被廣泛應(yīng)用于水體污染的治理，植物衰老的研究，以及除草劑的篩選。目前，浮萍在生物能源和生物制藥方面也表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。結(jié)合實驗室的研究工作，首先對浮萍分類學(xué)和基因組學(xué)進行了介紹，然后側(cè)重介紹近年來在分子層面有關(guān)浮萍的一些研究工作，以及其在生物制藥上的突破。

關(guān)鍵詞浮萍; 組織培養(yǎng); 基因組測序; 植物表達體系

1浮萍分類

浮萍(duckweed)，屬于被子植物門(Magnoliophyta)，單子葉植物綱(Liliopsida)，棕櫚亞綱(Arecidae)，澤瀉目(Alismatales)，天南星科(Araceae)，浮萍亞科(Lemnoideae)。早期的分類系統(tǒng)將浮萍科分類為天南星目下一個科，而近期的分類系統(tǒng)則將浮萍科并入到天南星科內(nèi)，同時將天南星科分類為澤瀉目下的一個科。浮萍亞科有5屬，38種[1，2]，各個屬之間大體上可以根據(jù)其根的數(shù)目和葉的形狀進行區(qū)分 (表1)。5個屬分別為：紫萍屬(Spirodela)，含2個種；斑萍屬(Landoltia)，含1個種；青萍屬(Lemna)，含14個種；扁無根萍屬(Wolffiella)，含10個種；無根萍屬(Wolffia)，含11個種 (表2)。斑萍(中國植物主題數(shù)據(jù)庫翻譯[3])學(xué)名landoltiapunctata，異名spirodelapunctata或spirodelaoligorrkiza，斑萍以前是紫萍屬的一個種，所以常被翻譯為少根紫萍，但現(xiàn)在單獨為一屬[4]。筆者認(rèn)為，為了與紫萍區(qū)分開，同時其葉上有許多小的乳狀凸起，因此而得名斑萍。

表1 浮萍各屬檢索

表2 浮萍各個種屬中英文名對照

2浮萍生物學(xué)特征及培養(yǎng)

浮萍是世界上最小，生長速度最快，形態(tài)最簡單的開花植物[5]。單一的無根萍很少有超過1 mm的個體，和其它的開花植物相比幾乎沒有相似性。浮萍并不是大型被子植物的簡單縮略版，其在體積縮小的同時伴隨著結(jié)構(gòu)組織的高度修飾，包括各種形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)上特征的改變和簡化，甚至丟失。浮萍這種極度退化的特征使得其各個組織具有特殊的學(xué)術(shù)稱謂。其葉通常被稱作“葉狀體”(thallus或frond)，是一些具有最小分化組織的集合體，葉狀體表皮細胞下面是一些具有光合特性的軟組織，這些軟組織細胞之間常具有大量的氣囊。其根通常被稱作不定假根(adventitious rhizoid)，假根位于葉狀體遠軸面(abaxial) 的分生區(qū)。母葉狀體分生區(qū)常有1～2個側(cè)袋(lateral pouch)，子葉狀體從側(cè)袋中生出進行無性繁殖[6]。浮萍家族各個種的具體特征見表3和表4[2]。

雖然浮萍母葉狀體分裂出子葉狀體的代數(shù)有限，但是，在營養(yǎng)充足的條件下，浮萍幾乎是以指數(shù)級生長速率生長，其倍增時間因品種和生長環(huán)境而異，但通常倍增時間為1～2 d，最短可以到20～24 h。本實驗室和其它研究者都證明浮萍在許多液體培養(yǎng)基中都能很好地生長，包括SH、Hillman、Resh、Hutner、WP、MS、N6和B5培養(yǎng)基等。本實驗室主要測試了國內(nèi)商品化的3種培養(yǎng)基——MS、N6和B5培養(yǎng)基。相對而言，紫萍、斑萍和青萍3種有根品種在各種條件下，在B5培養(yǎng)基中生長速度和生物質(zhì)積累量更快。在B5培養(yǎng)基中，浮萍的子葉狀體能更快地從母葉狀體上分離，使得浮萍能更快地分散平鋪于培養(yǎng)瓶中，而在MS和N6培養(yǎng)基中，子葉狀體和母葉狀體常大量聚集在一起，這對個體較大的紫萍和斑萍更為顯著。浮萍能夠適應(yīng)較廣的pH值范圍，對于大多數(shù)的品種，在pH 4.5～7.2范圍內(nèi)能良好生長。許多有機物(EDTA、檸檬酸、酒石酸、Vc、MES、MOPS)和蛋白穩(wěn)定劑(PVP)對浮萍的生長沒有明顯影響[7]。蔗糖同樣是浮萍培養(yǎng)碳源的首選，使用量在1%～3%，其它碳源，如山梨醇等也可以用于浮萍培養(yǎng)。

表3 浮萍系統(tǒng)進化分析中使用的特征

續(xù)表3

(0)(1)(2)(3)(4)(5)10腹部帶狀物:無有11葉柄:延長短12鱗莖:無有13根最大數(shù):20111無14根最大長度:15cm7cm4cm015根鞘:無翼有翼缺失16根尖:尖尖或鈍鈍無營養(yǎng)體解剖結(jié)構(gòu)17氣室層數(shù)目:3～42～31～3無18保衛(wèi)細胞質(zhì)體:無有19晶胞:針晶簇晶無20色素細胞:有無21花青素:有無22葉狀體管胞:至全葉脈至中脈遠端至中脈中端中脈底端無23根管胞:有無24表皮細胞壁:平整/微起伏明顯起伏生殖體形態(tài)25生殖袋數(shù)量:2126開花位置:側(cè)面上面的邊緣上面的中間27花器官:原葉包裹無原葉28雄蕊數(shù):2129花藥開裂:橫斷尖端30子房插入點:雄蕊上方雄蕊基部31子房形狀:對稱不對稱32果:有翼輕微有翼無翼33最大胚珠數(shù):72134種子:35-70肋紋8-22肋紋光滑生殖體解剖結(jié)構(gòu)35花藥:2室1室36花藥壁形成:單子葉型退化型37絲狀管胞延伸:橫跨連接處連接處之下連接處基部或缺失38子房壁管胞:有無39胚囊:單孢子雙孢子40子房:胚珠倒/橫生胚珠直生41花藥色素細胞:有無

表4 浮萍各個種在系統(tǒng)進化分析中的特征描述參照

續(xù)表4

特 性12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940415.lingulata112050101010332330201410111111122211211106.neotropica111050101010332330201410111111122211211107.oblonga112050101010332330201410111111122211211108.repanda110051101010332330211410111111122211111109.rotunda1100511010103323302114101111111222112111010.welwitschii11205010101033233020141011111112221121110Wolffia1.angusta110250102011332340211410121111122211211102.arrhiza110250102011332340211410121111122211211103.australiana110250102011332340211410121111122211211104.borealis110250102011332340201410121111122211211105.brasiliensis110251102011332340201410121111122211211106.columbiana110250102011332340211410121111122211211107.elongata110250102011332340211410121111122211211108.globosa110250102011332340211410121111122211211109.microscopica11025010201033234021141012111112221111110

3浮萍基因組研究

浮萍家族的進化模式十分特殊，一般認(rèn)為其具有“形態(tài)退化進化模式”[5]。浮萍家族5個屬紫萍屬，斑萍屬，青萍屬，扁無根萍屬和無根萍屬在形體上依次退化，即體積依次變小，根的數(shù)量依次減少直至全無 (圖1)；但是，其基因組的大小卻在依次增加，從紫萍的150 Mbp左右，斑萍的370 Mbp左右，到無根萍的1 800 Mbp左右 (圖2)。紫萍是浮萍家族體積最大，最原始，基因組最小的品種，其基因組大小和擬南芥相當(dāng)。

目前，紫萍是浮萍家族中唯一一個實現(xiàn)了全基因組測序的品種(Accession: PRJNA205940)[8]。紫萍基因組共有20對染色體，大小約為158 Mbp。其蛋白編碼序列預(yù)測有19 623個，比擬南芥和水稻分別少28%和50%。紫萍基因組測序顯示，其不存在年代較近的逆轉(zhuǎn)座，但是，大約在9 500萬年前發(fā)生過兩次全基因組的復(fù)制，這一事件的發(fā)生早于擬南芥和水稻。

圖1 浮萍5個屬大小比較和3個有根品種實物圖

A為浮萍5個屬大小比較[5]；B為本實驗室保存的3個有根浮萍種實物照片：紫萍(Spirodelapolyrhiza)，斑萍(Landoltiapunctata)，青萍(Lemnaminor)

紫萍線粒體基因組也被完整測序(Accession: JQ804980)[9]。紫萍擁有單子葉植物中最緊湊的線粒體基因組，其大小為228 493 bp。紫萍線粒體基因組共包含57個基因， 3個核糖體RNA和19個tRNA，其中35個基因編碼蛋白已知，19個tRNA共識別15個氨基酸。同時，紫萍線粒體基因組中還有約600個預(yù)測的RNA編輯位點和3處線性的特異編碼蛋白基因丟失。紫萍線粒體基因組中缺乏轉(zhuǎn)座原件的序列，說明其沒有核基因組序列的插入，但是，其包含一段來至于葉綠體的DNA。雖然，紫萍線粒體保守蛋白與其它單子葉植物具有相同的起源，但是整體的線粒體基因組卻沒有共線性。除去這些編碼基因和葉綠體來源的DNA片段，紫萍線粒體80%序列的功能和起源都未知。這些特殊性質(zhì)有助于對單子葉植物線粒體基因組早期進化模式的研究提供幫助。

圖2 浮萍家族基因組大小漸變趨勢圖[5]

Average genome sizes (y-axis) of duckweed species negatively parallel with degree of primitivity (x-axis). Duckweed species are arranged on thex-axis from lower to higher evolutionary status, which deduced from primitive and derived morphological traits

到目前為止，浮萍家族中葉綠體被完整測序的有4個種[10，11]，覆蓋4個屬，包括Spirodelapolyrhiza，Lemnaminor，Wolffiellalingulata和Wolffiaaustraliana(表5)。這4種浮萍的葉綠體基因組在基因組成和結(jié)構(gòu)上都非常相似。其基因組都包含112個基因，其中蛋白編碼基因78個，tRNA 基因30個，rRNA基因 4個。同時，其都包含一對31 kb左右的反向重復(fù)序列，被長度分別為90 kb和10 kb左右的大小單片段所分隔。這些反向重復(fù)序列被擴展以至于包含了ycf1和rps15兩個基因，這一模式在其它已測序的陸生植物葉綠體中未曾發(fā)現(xiàn)。在反向重復(fù)序列的邊界處，大單片段上下游分別是rps19和trnH，因此，trnH不包含在反向重復(fù)序列中，這一模式存在于基部被子植物(basal angiosperms)和真雙子葉植物(eudicots) 中，而不存在于其它的單子葉植物中。浮萍葉綠體基因組的另外一個特點是其顛換(transversions)頻率大于轉(zhuǎn)換(transitions)頻率，而一般情況下，突變都具有轉(zhuǎn)換偏好[10]。

表5 浮萍4個種的葉綠體的基因組對比[10]

4浮萍組織培養(yǎng)和基因轉(zhuǎn)化

早在 19世紀(jì)70年代中期，浮萍組培方面的研究就已經(jīng)開展。Chang等利用含蔗糖、2, 4-D和2-iP的MS培養(yǎng)基實現(xiàn)了L.gibba和L.perpusilla的愈傷誘導(dǎo)和植株再生。Slovin等研究證明，除了2, 4-D之外，利用IAA的激素組合也可以實現(xiàn)L.gibba的愈傷誘導(dǎo)。Frick開發(fā)了L.minor愈傷誘導(dǎo)的方法并進一步研究了不同碳源對其愈傷誘導(dǎo)和維持的影響。Stefaniak等后來又進一步研究了L.minor的愈傷誘導(dǎo)和植株再生[12]。

近十幾年來，對浮萍組培和基因轉(zhuǎn)化的研究主要有兩個團隊，一個是美國北加利福利亞州立大學(xué)的Stomp團隊，另一個是以色列魏茲曼科學(xué)研究所的Edelman團隊。Stomp團隊一開始就把浮萍的組織培養(yǎng)和基因轉(zhuǎn)化結(jié)合起來同時研究，他們最初選擇的材料是青萍屬中的多個種，尤其是L.gibba。他們研究的結(jié)果顯示，植物材料的基因型(包括不同種之間以及同一種里的不同株系之間)，植物激素的種類和濃度，培養(yǎng)基，光照強度，碳源種類和濃度，以及繼代時間都會對愈傷的誘導(dǎo)和長期維持產(chǎn)生影響，后續(xù)對紫萍和無根萍篩選實驗也得到了相同的結(jié)果[13，14]。總的說來，高的生長素濃度會導(dǎo)致浮萍葉狀體不斷分裂，但是其葉狀體會畸形化或玻璃化，愈傷的維持可以使用和愈傷誘導(dǎo)相同的培養(yǎng)基，但是生長素濃度要降低。Stomp團隊對青萍屬建立了完整的組培和基因轉(zhuǎn)化體系[15]，但是其用于青萍的條件對紫萍和無根萍完全無效。Edelman團隊則主要集中于對斑萍的研究[6,16]，他們構(gòu)建了斑萍2個株系的愈傷誘導(dǎo)和高效基因轉(zhuǎn)化體系，這2個株系為Spirodelaoligorrhiza和spirodelapunctata，但是，現(xiàn)在這兩個命名均為斑萍Landoltiapunctata的異名。Edelman團隊的研究結(jié)果顯示，用于Spirodelaoligorrhiza和spirodelapunctata愈傷誘導(dǎo)、維持和分化的條件相差極大，其原因正如上面提到Stomp團隊的研究結(jié)果，浮萍同一品種里的不同株系之間的基因型都會對其整套組培產(chǎn)生影響。

本實驗室在世界范圍內(nèi)首次利用假根懸空法，成功將紫萍假根根尖分生區(qū)脫分化獲得愈傷組織，并構(gòu)建了其高效再生體系，同時，初步建立其穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化體系 (專利申請?zhí)朇N201410097053.X)。對于浮萍的組培和轉(zhuǎn)化體系沒有統(tǒng)一的模式，不同品種浮萍愈傷誘導(dǎo)和植株再生的條件也千差萬別，為了找到誘導(dǎo)紫萍形成愈傷的最佳條件，本實驗室選用了4種植物生長素和4種植物細胞分裂素來測試它們對紫萍愈傷誘導(dǎo)的情況。其中每種植物激素設(shè)計了8個濃度梯度，測試了所有全階乘組合4×4×8×8=1024種情況。植物生長素包括：2, 4-二氯苯氧乙酸(2, 4-D, 2, 4-Dichlorophenoxyacetic Acid)，1-萘乙酸(NAA, 1-Naphthylacetic Acid)，麥草畏(DCB, Dicamba)和對氯苯氧乙酸 (PCA,p-Chlorophenoxy acetic acid)。植物細胞分裂素包括：噻苯隆(TDZ, thidiazuron)，6-芐氨基嘌呤(6-BA, 6-Benzylaminopurine)，N6-異戊烯腺嘌呤(2iP, N6-(2-Isopentenyl)adenine)和激動素(KT, kineting)。在所有情況下，本實驗室同其他實驗室一樣，未能從紫萍的葉狀體上誘導(dǎo)出愈傷組織。其主要原因在于紫萍葉狀體對生長素非常敏感，正如Stomp等[7]所得到的結(jié)果“紫萍葉狀體在較高濃度的2, 4-D上不存活，而在較低濃度下生長不好”(專利申請?zhí)朇N200910145410.4)。我們在研究中也發(fā)現(xiàn)，即使在僅含1 mg/L 2, 4-D的培養(yǎng)基上，紫萍葉狀體也會在4周后完全褐化死亡。

5浮萍應(yīng)用

浮萍雖然小而簡單，但是其作用巨大。多年來不僅被廣泛應(yīng)用于植物生理學(xué)、遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)和環(huán)境檢測等方面，而且被廣泛應(yīng)用于水體污染的治理。近年來，浮萍被證明是一種研究植物衰老的極佳系統(tǒng)，并在其衰老的分子生物學(xué)研究方面取得了一些重要進展[17-19]。作為除草劑篩選系統(tǒng)，浮萍也表現(xiàn)出很大的優(yōu)越性，正在被用于高效、低毒、環(huán)境友好型除草劑的篩選[20， 21]。

目前，浮萍在生物能源的研究和應(yīng)用方面也表現(xiàn)出了巨大的潛在價值[22-25]。浮萍，因其生長快、可在廢水中存活、不爭糧、易于采收等優(yōu)點，而且能夠比水藻和其他水生植物更容易地收獲，是制造生物燃料的理想原料。美國普林斯頓大學(xué)Floudas教授與中科院過程工程研究所研究員肖炘、李杰、曹宏斌，以及北京大學(xué)馬炯副教授，中石油喬永博士和其石油化工研究院胡徐騰教授等聯(lián)合完成了以浮萍為廉價原料制生物燃料的研究[26]。中科院成都生物所趙海研究員率領(lǐng)的團隊，通過對浮萍的高淀粉品系篩選、淀粉積累機制破解等，已初步建立了浮萍能源轉(zhuǎn)化及規(guī)模化培養(yǎng)、廢水處理體系。在科技部支撐項目支持下，趙海團隊通過與美國羅格斯大學(xué)、四川大學(xué)、成都固生科技發(fā)展有限公司等合作，先后篩選獲得了7株高淀粉浮萍品系、建立了穩(wěn)定培養(yǎng)體系，首次闡明了浮萍的快速積累機制、分析出浮萍木質(zhì)素含量低而黃酮類成分含量高的原因，有力證明了浮萍是一種高品質(zhì)的能源植物——具有淀粉積累快、淀粉產(chǎn)量高、木質(zhì)素含量低三大優(yōu)良特性[27]。

近年來，浮萍已被開發(fā)為一個較好的植物表達系統(tǒng)，在生物制藥方面展現(xiàn)出了巨大的潛力[7,28]。目前，青萍(Lemnaminor)和斑萍(Landoltiapunctata)的表達體系已經(jīng)成功商業(yè)化，此兩種表達體系的專利原來分別屬于美國的Biolex公司和法國的LemnaGene公司。Biolex于2005年收購了LemnaGene，并把此兩種浮萍表達體系統(tǒng)一注冊為商標(biāo)Lemna systemTM；而美國的Synthon公司于2012年又收購了Biolex，將其商標(biāo)更名為SYNLEXTM。所以，目前與浮萍蛋白表達體系相關(guān)的所有專利技術(shù)都被美國的Synthon公司擁有，我國想在這一領(lǐng)域有所突破，就只能從紫萍、無根萍和扁無根萍著手。筆者認(rèn)為紫萍是一個最佳選擇，因為其基因組最小，其全基因組測序又剛完成[8]，遺傳背景清晰，有利于后續(xù)在分子層面的操作；同時，無根萍和扁無根萍尺寸非常小，在實驗室組培操作過程中相對很困難，而紫萍的個頭則相對較大，在實驗室更好操作。

浮萍之所以能成為一個極具潛力的植物表達系統(tǒng)，是因為其在多個方面具有其它系統(tǒng)不具有的優(yōu)勢。首先，浮萍非常容易培養(yǎng)，使得其生產(chǎn)成本及其低廉，只需要廉價的無機鹽和簡單的環(huán)境條件就能保證浮萍的旺盛生長?？梢圆捎脽o菌培養(yǎng)模式，植物組培室相對來說建設(shè)成本不高，能源消耗方面也只需要普通光照；當(dāng)然，也可以采用開放培養(yǎng)模式培養(yǎng)，直接利用太陽光照，或者利用溫室培養(yǎng)，其建設(shè)成本也不高。浮萍培養(yǎng)也不要通氣設(shè)備，同時其培養(yǎng)的最佳溫度在25℃～26℃，基本上接近室內(nèi)溫度，也很容易滿足。其它的一些生物反應(yīng)器系統(tǒng)，如微生物和動物細胞，通常都需要精細的發(fā)酵罐或生物反應(yīng)器來保證嚴(yán)格的生理條件，而浮萍自身是一個整體的植株，能自己提供生理調(diào)節(jié)，從而不需要諸如此類的精細設(shè)備。所以，浮萍培養(yǎng)要求如此簡單，平常用于園藝植物的廉價溫室水培儀器和方法都能用于浮萍的商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

其次，浮萍的無性繁殖方式能大幅縮短產(chǎn)品從研發(fā)到市場的時間。在目前所有的轉(zhuǎn)基因生物表達系統(tǒng)中，浮萍表達系統(tǒng)是唯一一個提供無性繁殖的系統(tǒng)。浮萍具有1～2 d倍增時間的無性繁殖方式，使得其在工業(yè)放大時能有效縮短產(chǎn)業(yè)化時間，一旦篩選到高表達量的轉(zhuǎn)基因浮萍葉狀體，只需要短短的數(shù)月就能收獲到成噸的浮萍。與其它的作物類表達系統(tǒng)工業(yè)放大需要1～2年時間相比，浮萍表達系統(tǒng)快了數(shù)倍。作物表達系統(tǒng)的有性繁殖后代和種植的季節(jié)性都是影響其工業(yè)放大的因素，而無性繁殖卻意味著持續(xù)的生物質(zhì)生產(chǎn)而無需考慮季節(jié)性。

再次，浮萍表達系統(tǒng)具有很高的產(chǎn)品安全性和環(huán)境安全性[7]。在藥用重組蛋白生產(chǎn)過程中，動物(細胞)表達系統(tǒng)不能完全避免動物病原體等的污染；而浮萍是植物，其體內(nèi)不具備動物病原體生長的條件，這能極大限度地減少產(chǎn)品的污染，從而與基于動物的表達系統(tǒng)相比具有更高的安全性。長期以來，浮萍都能被人或者各種動物(家禽、家畜和魚類等)食用，這一事實說明浮萍自身沒有代謝對動物體有毒的物質(zhì)。很多轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物常遇到的一個問題是常與非轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物混淆，這可能會引起大眾的質(zhì)疑和反對，而浮萍不是農(nóng)作物，大眾也不用擔(dān)心自己在飯桌上不小心吃到轉(zhuǎn)基因的浮萍。轉(zhuǎn)基因浮萍可以在完全密封的培養(yǎng)環(huán)境中生長，這能極大地減少基因逃逸對環(huán)境資源的影響。

雖然浮萍表達體系有很多優(yōu)勢，但是，在以下幾個方面還需要注意并進一步優(yōu)化。

首先是轉(zhuǎn)錄和翻譯水平的調(diào)控問題，這會極大地影響重組蛋白的表達量。有大量研究表明，雖然CaMV 35S啟動子在雙子葉植物中具有組成型啟動子特點，但是在很多單子葉植物中，其啟動轉(zhuǎn)錄的效率并不理想，其中水稻就是一個典型的實例[29]。解決單子葉植物表達外源基因轉(zhuǎn)錄效率的一個常用策略就是使用其自身的組成型啟動子，ACTIN的啟動子就是一個很好的選擇。不同物種在翻譯水平上還存在密碼子偏好，所以，在把外源蛋白的基因轉(zhuǎn)入表達體之前，需要計算出表達體自身的密碼子偏好，再根據(jù)這一偏好修改外源蛋白的基因密碼，使其符合表達體的偏好。

其次，重組蛋白胞外分泌也是浮萍表達體系需要考慮的問題。雖然其它陸生植物表達體系不可能去考慮胞外分泌這一問題，但是，浮萍作為一個水生植物，可以像微生物或動物細胞表達體系一樣在封閉的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，所以，如果其所表達的重組蛋白可以分泌到胞外進入培養(yǎng)基，這能極大限度地減少后續(xù)純化過程，從而降低生產(chǎn)成本。

再次，重組蛋白翻譯后修飾會影響到其生物活性、抗原性和循環(huán)半衰期等。浮萍作為一個高等植物，和其它高等植物(玉米、水稻和煙草等)表達體系一樣，具有像哺乳動物表達體系一樣形成復(fù)雜蛋白復(fù)合體的能力，包括精確的蛋白翻譯后折疊、N端和C端的裂解、多亞基組合、亞細胞定位、胞外分泌，以及蛋白糖基化等。但是，高等植物和人體在蛋白翻譯后修飾上還是存在諸多差異。重組蛋白糖基化是最值得關(guān)注的，尤其是當(dāng)重組蛋白用于注射治療時。高等植物細胞N-糖基化模式很復(fù)雜，其中已知在幾個重要方面和哺乳動物細胞存在差異。高等植物細胞常常產(chǎn)生短而復(fù)雜的糖基側(cè)鏈；同時，高等植物細胞會生成兩種哺乳動物細胞不具有的糖基，一種是β(1, 2)-木糖基(連接于β-甘露糖)，另一種是α(1, 3)-海藻糖基(連接于氨基葡糖)，這些獨特的糖基連接常和植物過敏原有關(guān)；再者，高等植物細胞在蛋白糖基側(cè)鏈末端不能加上唾液酸基團，這些末端唾液酸基團一般認(rèn)為能有效延長蛋白的循環(huán)半衰期，缺少末端唾液酸基團的重組蛋白更易被肝臟清除掉。關(guān)于植物表達體系中多余的木糖基和海藻糖基問題，Cox等利用RNA干擾技術(shù)成功將青萍中β-1, 2-木糖基轉(zhuǎn)移酶和α-1, 3-海藻糖基轉(zhuǎn)移酶沉默掉，并同時表達了單克隆抗體mABs。該單克隆抗體具有單一的糖基側(cè)鏈模式，同時不具有植物特異糖基，其與中國倉鼠卵巢細胞(CHO)表達的mABs相比，具有更好的抗體依賴性細胞介導(dǎo)的細胞毒作用(antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity)和效應(yīng)細胞的受體結(jié)合活性(effector cell receptor binding activities)[30]。

綜上所述，浮萍可以說是一種極具魅力和應(yīng)用前景的小型水生被子植物，可以適用于科研的各個研究領(lǐng)域。隨著紫萍基因組測序和其基因轉(zhuǎn)化體系的進一步完善，紫萍也有望成為代表水生植物的一個重要模式植物。相信關(guān)于浮萍的研究和應(yīng)用將會越來越受到社會各界的進一步關(guān)注和青睞。

參考文獻：

[1]LES D H, CRAWFORD D J, LANDOLT E, et al. Phylogeny and systematics ofLemnaceae, the duckweed family [J]. Systematic Botany, 2002, 27(2): 221-240.

[2]LES D H, LANDOLT E, CRAWFORD D J. Systematics of theLemnaceae(duckweeds):inferences from micromolecular and morphological data [J]. Plant Systematics and Evolution, 1997, 204: 161-177.

[3]中國科學(xué)院植物研究所. 成都生物所在植物調(diào)節(jié)劑調(diào)控浮萍高淀粉積累機制研究上獲得突破性進展[N]. http://www.cib.cas.cn/xwdt/kydt/201512/t20151201_4481546.html, 2015 .

[4]LES D H， CRAWFORD D J. Landoltia (Lemnaceae), a new genus of duckweeds [J]. Novon, 1999, 9(4): 530-533.

[5]WANG W, KERSTETTER R A, MICHAEL T P. Evolution of genome size in duckweeds (Lemnaceae) [J]. Journal of Botany, 2011, doi:10.1155/2011/570319.

[6]LI J, JAIN M, VUNSH R, et al. Callus induction and regeneration inSpirodelaandLemna[J]. Plant Cell Reports, 2004, 22(7): 457-464.

[7]STOMP A M. The duckweeds: a valuable plant for biomanufacturing [J]. Biotechnology Annual Review, 2005, 11: 69-99.

[8]WANG W, HABERER G, GUNDLACH H, et al. TheSpirodelapolyrhizagenome reveals insights into its neotenous reduction fast growth and aquatic lifestyle [J]. Nature Communications, 2014, doi:10.1038/ncomms4311.

[9]WANG W, WU Y, MESSING J. The mitochondrial genome of an aquatic plant,Spirodelapolyrhiza[J]. Plos One, 2012, 7(10): 135-139.

[10]WANG W, MESSING J. High-throughput sequencing of three Lemnoideae (Duckweeds) chloroplast genomes from total DNA [J]. Plos One, 2011, 6(9): 24670.

[11]MARDANOV A V, RAVIN N V, KUZNETSOV B B, et al. Complete sequence of the duckweed (Lemnaminor) chloroplast genome: structural organization and phylogenetic relationships to other angiosperms [J]. Journal of Molecular Evolution, 2008, 66(6): 555-564.

[13]MOON H K, STOMP A M. Effects of medium components and light on callus induction, growth and frond regeneration inLemnagibba(duckweed)[J]. In Vitro Cell Devel Biol-Plant, 1997, 33: 20-25.

[14]MOON H K, RAJBHANDARI N, STOMP A M. Effect of media components and phytohormones on in vitro frond proliferation ofLemnagibbaG3 and 24 additionalL.gibbastrains[J]. Plant Res, 1998(1): 98-104.

[15]YAMAMOTO Y T, RAJBHANDARI N, LIN X H, et al. Genetic transformation of duckweedLemnagibbaandLemnaminor[J]. In Vitro Cellular & Developmental Biology-Plant, 2001, 37(3): 349-353.

[16]VUNSH R, LI J, HANANIA U, et al. High expression of transgene protein inSpirodela[J]. Plant Cell Reports, 2007, 26(9): 1511-1519.

[17]ZHU Y R, LU X Y, WANG S F, et al. The relationship between photorespiration and senescence ofS.polyrrhizaP143 [J]. Plant Science, 2005, 168(6): 1625-1632.

[18]LIU Q D, ZHU Y R, TAO H L, et al. Damage of PSII during senescence ofSpirodelapolyrrhizaexplants under long-day conditions and its prevention by 6-benzyladenine [J]. Journal of Plant Research, 2006, 119(2): 145-152.

[19]ZHU Y R, TAO H L, LV X Y, et al. High level of endogenous L-serine initiates senescence inSpirodelapolyrrhiza[J]. Plant Science, 2004, 166(5): 1159-1166.

[20]SCHERR C, SIMON M, SPRANGER J, et al. Test system stability and natural variability of aLemnagibbaL. bioassay [J]. Plos One, 2008, 3(9):3133.

[21]XU H, HU X H, ZOU X M, et al. Synthesis and herbicidal activities of novel 3-N-substituted amino-6-methyl-4-(3-trifluoromethylphenyl)pyridazine derivatives [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56(15): 6567-6572.

[22]CHEN Q, JIN Y, ZHANG G, et al. Improving production of bioethanol from duckweed (Landoltiapunctata) by pectinase pretreatment [J]. Energies, 2012, 5(8): 3019-3032.

[23]XIU S N, SHAHBAZI A, CROONENBERGHS J, et al. Oil production from duckweed by thermochemical liquefaction [J]. Energy Sources Part A:Recovery Utilization and Environmental Effects, 2010, 32(14): 1293-1300.

[24]DUAN P, XU Y, BAI X. Upgrading of crude duckweed bio-oil in subcritical water [J]. Energy and Fuels, 2013, 27(8): 4729-4738.

[25]MURADOV N, FIDALGO B, GUJAR A C, et al. Production and characterization of Lemna minor bio-char and its catalytic application for biogas reforming [J]. Biomass and Bioenergy, 2012, 42: 123-131.

[26]BALIBAN R C, ELIA J A, FLOUDAS C A, et al. Thermochemical conversion of duckweed biomass to gasoline, diesel, and jet fuel: process synthesis and global optimization [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(33): 11436-11450.

[27]TAO X, FANG Y, XIAO Y, et al. Comparative transcriptome analysis to investigate the high starch accumulation of duckweed (Landoltiapunctata) under nutrient starvation [J]. Biotechnology for Biofuels, 2013, doi: 10.1186/1754-6834-6-72.

[28]朱曄榮, 馬榮, 劉清岱, 等. 浮萍相關(guān)研究的幾方面重要進展 [J]. 生物學(xué)通報, 2010, 45(4): 4-6.

[29]MCELROY D, ZHANG W, CAO J, et al. Isolation of an efficient actin promoter for use in rice transformation [J]. The Plant Cell, 1990, 2(2): 163-171.

[30]COX K M, STERLING J D, REGAN J T, et al. Glycan optimization of a human monoclonal antibody in the aquatic plantLemnaminor[J]. Nature Biotechnology, 2006, 24(12): 1591-1597.

The research advance in duckweed

HUANG Ming-xing, ZHU Si-si, ZHANG Qiu-hong

(Department of Biological Engineering, Faculty of Chemical Engineering and Light Industry,Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

AbstractThe Lemnoideae, commonly known as duckweeds, are the smallest, fastest-growing, and simplest of flowering plants. Duckweeds have been extensively used not only in the research of phytophysiology, phytogenetics, plant senescence, ecology and environmental test, but also in the treatment of water contamination, and the screening of herbicides. At present, duckweeds have shown great value in the bio-energy and bio-pharmaceuticals. Based on the studies of our laboratory, the recent researches in the taxology and the genomics of duckweeds were reviewed, and some important breakthroughs in the molecular level and the biopharmaceuticals were pointed out.

Key wordsduckweed; tissue culture; genomic sequencing; plant expression system

收稿日期：2015-05-12；修回日期：2015-06-30

基金項目：廣東工業(yè)大學(xué)博士啟動基金(NO. 253141005)資助項目

作者簡介：黃明星，實驗師，研究方向為生物能源，E-mail: mxhuang82@sohu.com。

中圖分類號Q949.71+7.3

文獻標(biāo)識碼A

文章編號2095-1736(2016)02-0092-07

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2016.03.092