植物天然農藥除蟲菊酯的生物合成和應用研究進展

王鳳姣，徐海洋，閆建斌，李偉

（1 中國農業科學院深圳農業基因組研究所，深圳市農業合成生物學重點實驗室，廣東 深圳 518120；2 華中農業大學植物科學技術學院，湖北 武漢 430071；3 重慶大學生命科學學院，重慶 400044）

農藥對于農業生產至關重要，全球農藥市場總體趨勢呈現增長態勢，自2018 年開始全球殺蟲劑市場以5.2%的年復合增長率持續增長，預計2025 年全球殺蟲劑市場銷售額將達到276.1 億美元（https：//www.alliedmarketresearch.com/insecticidesmarket）。目前使用最多的三類殺蟲劑分別為有機磷類、新煙堿類與擬除蟲菊酯類等，其中擬除蟲菊酯是天然除蟲菊酯的化學合成類似物，占全球殺蟲劑市場的12.8%（https：//www.imarcgroup.com/pyrethroids-market），但是隨著煙堿類農藥造成的大量蜜蜂集體死亡和有機磷農藥對人體的毒性而逐漸淘汰，菊酯類農藥將成為唯一的可以安全使用的農藥產品。

目前化學合成殺蟲劑雖然已得到了廣泛的應用，但其對人類健康和環境生態產生了諸多負面影響。合成的化學殺蟲劑通常在環境中停留時間長，傳播距離遠，通過食物鏈在食品和人體內富集，引起包括皮膚、胃腸道、神經、呼吸、生殖和內分泌等多種不良健康反應［1-3］。基于化學合成殺蟲劑對人類健康和環境生態的諸多負面影響，尋找安全替代殺蟲劑來源在生物學研究中至關重要。

生物農藥是從生物體中合成的天然物質，根據來源不同，可分為生化生物農藥、植物生物農藥和微生物生物農藥［4］。相對化學合成農藥，大部分生物農藥易降解（有毒生物來源的除外），更加安全，而且對環境的負面影響更小。其中植物來源的次生代謝物，如酚類、萜類、生物堿等，均可作為生物農藥用于植物保護［5-6］。作為植物性天然殺蟲劑的重要來源之一，植物精油是從植物中提取的混合揮發性芳香化合物，富含次生代謝產物，如萜類、苯丙素和脂肪酸等，對哺乳動物無毒，而且在環境中停留時間短，然而精油的性能取決于化學成分、毒性和生物活性［7］，提取混合物的復雜性和提純步驟中的困難限制了其大量應用于農業領域［5-7］。

除蟲菊酯是一種廣泛使用的植物源殺蟲劑，來自菊科植物除蟲菊（Tanacetum cinerariifolium），是除蟲菊花精油的主要成分。目前從除蟲菊中天然提取仍然是除蟲菊酯的主要生產方式，然而除蟲菊的種植受海拔、土壤、氣溫的影響較為明顯，全球每年的產量僅為0.8 萬噸，而對天然除蟲菊酯的需求已超過2.1 萬噸，供給嚴重不足（http：//www.fao.org/faostat/en/#data/QC）。雖然除蟲菊酯的工業合成類似物以相對低廉的價格和較大規模的生產，產量每年5萬噸以上，但是伴隨而來的是化學合成引起的環境污染、不可再生能源消耗和不易降解的擬除蟲菊酯環境殘留，同時由于需求增長過快，合成前體價格暴漲。盡管目前也有部分植物源殺蟲劑投入使用，但是除蟲菊酯仍然是全球使用最廣泛的植物源殺蟲劑［8-9］。

近100年的使用和研究表明除蟲菊酯在農藥應用方面效果是十分可觀的。最近幾年除蟲菊酯的生物合成已有了深入研究，鑒定到的基因也從2個增加到了9 個［10-15］，為體外生物合成生產提供了基礎。另外，近期的合成生物學研究表明，通過異源宿主表達，利用內源性除蟲菊酯防御系統改造農作物來提高農作物的抗蟲性；或者微生物發酵生產除蟲菊酯或其前體物質是可行的［16-17］。

21 世紀以來，合成生物學領域迅速發展，除蟲菊酯作為一類重要的綠色殺蟲劑，從簡單的單酶催化到將合成元件流水線式組裝入微生物細胞工廠或者是植物底盤，從頭合成或從中間體通過一系列反應最終得到產物或者提高除蟲菊酯在綠色農業上的應用，運用合成生物學理念，改變傳統的除蟲菊酯的應用方法，將有利于降低生產成本和環境污染。本文主要介紹了除蟲菊酯的成分和結構、研究歷史，闡明目前的生物合成機制，總結了目前天然除蟲菊酯在合成生物學領域應用研究進展，期待在未來可以利用合成生物學手段提高綠色農藥的利用效率。

1 除蟲菊和除蟲菊酯的生物合成

1.1 簡介和研究歷史

除蟲菊起源于克羅地亞（圖1），19 世紀初在西歐、美國等地人們發現了除蟲菊特殊的殺蟲性質，產品主要作為家用殺蟲劑［10，18］。19 世紀末傳入日本，至20 世紀30 年代日本在種植生產方面處于壟斷地位［19］。第二次世界大戰后，東非國家承接了世界上大部分除蟲菊的生產，其中肯尼亞是世界上除蟲菊的主產地，其除蟲菊產量占全球產量的70%～90%［20］。隨著人類社會的不斷發展，綠色可持續的發展觀念逐漸成形，20 世紀初天然的除蟲菊酯成為廣泛使用的農業農藥的替代品，在抵御昆蟲侵害方面起重要的作用（圖1）［21-22］。

圖1 除蟲菊酯發展與應用年鑒Fig.1 Chronicles for the development and application of pyrethrins and their derivatives

除蟲菊酯是一種快速接觸性神經毒劑，它攻擊昆蟲的外周神經系統，滲透到昆蟲的中樞神經系統，作用于神經膜的電壓敏感鈉通道，激活閾值較低的鈉通道來影響鈉通道，導致鈉電流長時間流入神經元，從而破壞昆蟲的神經系統［8］。神經興奮導致能量耗竭和神經肌肉疲勞，引發多動、震顫和僵硬癱瘓，以致死亡［23，24］，這在許多情況下是不可逆的［25］。與許多作用相對緩慢的植物性殺蟲劑相比，除蟲菊酯起效非?？欤?6］。

除蟲菊酯被廣泛用于家庭、農業園藝、食品儲存、醫療和獸醫重要害蟲的防治，對多種蟲類都有效，包括昆蟲綱的鱗翅目（卷心菜環紋夜蛾［27］和黏蟲［28］）、雙翅目（家蠅［29］）、膜翅目、同翅目（蚜蟲［30］）、鞘翅目（蟑螂［31］）、胸翅目、半翅目（臭蟲［31］）、劍翅目、蚤目、纓翅目（西花薊馬［21］），以及蛛形綱的蜱螨［31］、硬蜱［8，32-33］。

除蟲菊酯的優勢是對于蜜蜂和蝴蝶沒有毒性［33］，對哺乳動物和人類的毒性也相對較低［20］。根據美國國家環境保護局（USEPA）和世界衛生組織（WHO）的測定，天然除蟲菊酯對于大鼠的半數致死量（LD50）是700 mg/kg，而人工合成的氯氰菊酯和溴氰菊酯的LD50分別為247 mg/kg 和128 mg/kg［34］。雖然除蟲菊酯對于魚類有一定毒性，但相較于擬除蟲菊酯毒性較低，天然除蟲菊酯對虹鱒魚的LD50為5.1 mg/kg，芐呋菊酯、氯氰菊酯和溴氰菊酯的LD50則分別為0.28 mg/kg、0.38 mg/kg和1.97 mg/kg［34］.

除蟲菊酯在光照下容易被降解，其半衰期為2 h 至2 天［35-36］。天然除蟲菊酯噴灑果實表面的半衰期不超過2 h，而在土壤中的殘留也在4 天內從0.91 mg/kg 降為0.11 mg/kg，一個月之后則小于0.002 mg/kg［37-38］。人工設計生產的擬除蟲菊酯在土壤中的半衰期可以長達數周或數月，在35～165天不等［34，39］，易導致害蟲對擬除蟲菊酯產生耐藥性，從而對環境和生態造成不容忽視的危害［40-43］。相比之下，天然除蟲菊酯對已產生擬除蟲菊酯耐藥性的一些害蟲仍有效果［44］。

1.2 結構和分類

1923 年，Yamamoto 首次報道除蟲菊中活性成分的化學結構含有一個環丙烷環［45］。1924 年，諾貝爾獎獲得者Staudinger 和Ruzicka 確定了酸配體部分的正確結構［46］。LaForge 和 Barthel 于 1944 年最終確定了除蟲菊酯Ⅰ和Ⅱ的正確結構，同時從除蟲菊提取物中分離出瓜菊酯Ⅰ和Ⅱ［47］。除蟲菊酯Ⅰ酸配體的絕對構型由Crombie和Harper于1954年確定［45］，隨后，除蟲菊酯Ⅱ酸配體的絕對構型由Ⅰnouye 和 Ohno 確 定［45，48］。 1958 年 ， Katsuda 和Ⅰnouye證實了醇配體的絕對構型，即除蟲酮醇和瓜菊酮醇［49］。1966 年，Godin 和他的同事分離出兩種更相關的次要成分，茉莉菊酯Ⅰ和Ⅱ（圖2）［50］。這進一步促進了除蟲菊酯作用方式和合成通路的研究。

圖2 除蟲菊酯不同組分的化學結構Fig.2 Chemical structures of pyrethrins

除蟲菊可以合成六種不同的除蟲菊酯，分為Ⅰ型和Ⅱ型的茉莉菊酯、除蟲菊酯和瓜菊酯。從結構方面而言，除蟲菊酯由一個醇配體和一個酸配體縮合而成［51］。依據側鏈的不同，酸配體有兩種：菊酸（chrysanthemic acid）和第二菊酸（pyrethric acid）。含有菊酸的為Ⅰ型，含有第二菊酸的為Ⅱ型。醇配體有三種，包括：瓜菊酮醇（cinerolone）、茉莉酮醇（jasmolone）和除蟲菊酮醇（pyrethrolone），含有不同醇基的分別被命名為：瓜菊酯（cinerin）、茉莉菊酯（jasmolin）和除蟲菊酯（pyrethrin），如圖2所示［52］。不同除蟲菊植株中6種除蟲菊酯成分含量有所不同，除蟲菊酯Ⅰ、Ⅱ占大部分（約70%），其含量直接決定了該混合物的殺蟲活性［34］。

以天然除蟲菊酯的結構為基礎，對其酮醇部分或有機酸部分分別或同時進行修飾，合成相對更加穩定的擬除蟲菊酯。根據其對不同配體的修飾不同，可以將其分為三類：對酸配體修飾所得的擬除蟲菊酯（如四溴菊酯、氟胺氰菊酯等）；對天然除蟲菊酯醇配體修飾，如丙烯菊酯、炔呋菊酯等擬除蟲菊酯；對醇、酸和酯鍵同時修飾，如醚菊酯、三氟醚菊酯等［53］。

1.3 合成途徑

除蟲菊酯主要在花序中合成，大約94%的除蟲菊酯積累在種子中［20，22］。在成熟植物中，葉片含有的除蟲菊酯遠低于花，在受到損傷誘導后含量增加［8，20，25，54］。腺毛在除蟲菊酯的生物合成中起著主要作用，酸配體和醇配體的合成主要位于花子房外壁的腺體腺毛中，酸醇縮合發生在果皮中［22］。目前對除蟲菊酯生物合成路徑中酸配體的合 成 解 析 已 經 完 成［11，15］， 醇 配 體 中 茉 莉 酮醇和除蟲酮醇的合成通路也已基本解析完成（圖3）［12-13］。

圖3 除蟲菊酯生物合成途徑Fig.3 Pyrethrin biosynthesis pathway

酸配體菊酸和第二菊酸來源于質體中1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸（DXP）萜類途徑［1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate（DXP）terpenoid pathway］。菊醇合成酶（TcCDS，chrysanthemyl diphosphate synthase）是除蟲菊酯生物合成的第一個關鍵酶，定位于質體中，屬于異型的萜類合成酶［15，22，55-56］，能夠催化兩個二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP，dimethylallyl pyrophosphate）分子生成菊醇二磷酸（CPP，chrysanthemyl diphosphate）［56］，CPP可以在同樣定位于質體的磷酸水解酶Nudix1 的作用下水解生產菊醇二磷酸［57］，推測可能還有其他磷酸酶參與菊醇的合成［11，57］。菊醇是合成菊酸和第二菊酸的分支點。菊醇隨后在兩步脫氫酶（TcADH2，alcohol dehydrogenase 2 和TcALDH1， aldehyde dehydrogenase 1）的作用下，依次氧化為菊酮和菊酸［11］；菊醇在羥化酶 （TcCHH，chrysanthemol 10-hydroxylase）、脫氫酶TcADH2 和TcALDH2 的作用下生成10-羧基菊酸，然后進一步在甲基轉移酶（TcCCMT，10-carboxychrysanthemic acid methyltransferase）的作用下將C10 位氧化形成的羧基甲基化形成甲酯，即第二菊酸，這些步驟都發生在細胞質中［11］。

與除蟲菊酯酸配體的生物合成相比，對醇配體的生物合成通路的解析尚不完整。用［1-13C］-D-葡萄糖飼喂產生除蟲菊酯的除蟲菊花器官，檢測到與醇配體前體亞麻酸相一致的帶有13C 標記除蟲菊酯［58-59］。兩個細胞色素P450 酶參與茉莉酮醇和除蟲酮醇的合成，羥化酶（TcJMH，jasmone hydroxylase）催化茉莉酮（jasmone）生成茉莉酮醇開始，茉莉酮醇在除蟲酮醇合成酶（TcPYS，pyrethrolone synthase）的作用下，將戊烯基的末尾碳碳鍵去飽和生成除蟲酮醇［12-13，57］。上游前體茉莉酮，推測來自于茉莉酸合成途徑，是以亞麻酸為前體的一系列氧化還原反應，合成最早發生在質體中，隨后進入過氧化物酶體，分別定位于質體膜的JASSY 和過氧化物體膜的CTS（COMATOSE）的兩個轉運蛋白參與中間體在不同細胞器間的運輸。最近的標記研究表明，12-氧代植物二烯酸（OPDA）和順式茉莉酮都是醇配體的前體，而反應繞過了茉莉酸［60］，除蟲菊中催化順式茉莉酮生成的酶還需要進一步進行鑒定。

最后在細胞外周，醇配體和酸配體在酯水解酶TcGLⅠP（GDSL lipase）的催化作用下進行酸醇縮合生成除蟲菊酯［61］，菊酸和第二菊酸在與醇配體進行醇酸縮合之前是否先與輔酶A偶聯存在爭議，還需要進一步實驗進行探索［51］。相關基因總結于表1。

表1 參與除蟲菊酯生物合成途徑的基因Tab.1 Genes involved in the pyrethrin biosynthesis pathway

除蟲菊酯生物合成在多個不同層面受到調控，包括組織和發育時期、細胞區隔和誘導積累，但是目前僅停留在基因表達和代謝物積累的測定上，尚未有分子生物學和生物化學的報道驗證相關調控因子和轉運蛋白，有待進一步研究。大部分生物合成發生在早期發育中的花蕾中轉錄分析表明，所有與除蟲菊酯生物合成相關的基因主要在管狀花中表達［11-13，15-16，57］。所有除蟲菊酯生物合成基因的mRNA 水平在花蕾發育早期都很高，但隨著花的開放和成熟而減少［11，13，15-16，57］。除蟲菊幼苗中可檢測到低量的除蟲菊酯，TcCDS 等相關合成基因轉錄水平在幼苗中也相對較低［10，22］。除蟲菊酯從花組織轉移到發育中的瘦果中，并隨后在胚中積累［10，22］。 茉 莉 酸 甲 酯 、 揮 發 性 有 機 化 合 物（VOCs，volatile organic compounds）和機械傷害都可以誘導菊酯在除蟲菊花組織中的合成，且相關基因的表達和菊酯在營養組織中的積累均可以受到誘導［10，65-66］。除蟲菊酯合成涉及多個細胞區室的轉變，酸配體合成最早在質體，后轉移至細胞質中，合成的酮醇配體也需要進入細胞間隙才會被定位其中的TcGLⅠP 催化［22］，尚不明確這些配體的轉移是否需要轉運蛋白的參與，如圖3所示。

隨著轉錄組共表達技術和各種體外驗證手段，特別是煙草瞬時表達體系的成熟，菊酸和第二菊酸的完整合成途徑，以及部分醇配體的合成途徑得到解析。除蟲菊的基因組草圖近期也得到測定，大小為7.1 Gb，其中發現了大量的防御相關毒性蛋白、調控蛋白和代謝相關酶類的編碼基因，有些為物種特異性基因［67］。以上條件為除蟲菊酯合成途徑的完全解析和調控研究奠定了基礎，進而為利用合成生物學進行體外異源合成奠定了良好的基礎。

2 除蟲菊酯的合成應用

2.1 天然除蟲菊酯傳統生產方法的局限性

目前從除蟲菊中提取仍然是天然除蟲菊酯的主要生產方式，通常通過對磨碎的除蟲菊花器官進行油基提取而獲得，通過噴灑的方式使用。20 世紀90 年代之前，天然除蟲菊酯的提取技術主要是溶劑萃取法，正己烷［68-69］、丙酮、甲醇、丙醇、二氯甲烷［69］、石油醚［70］和乙醇等有機溶劑進行提取［14，71-72］。有機溶劑提取產能較快，但是涉及安全和污染的問題。隨后超臨界流體萃取工藝得到發展［73］，其處理周期短，無溶劑回收問題，生產過程安全高效，加速了天然除蟲菊酯市場的擴展。另外，微波萃取技術和超聲波輔助提取以其工序短、節能低耗、溶劑少、安全穩定等優勢，也得到了科研領域和技術市場的青睞［74-75］。天然提取的方法雖然可以大規模應用，但是受限于原料供應，生產量受到限制。

利用懸浮培養細胞進行代謝物的生產，能夠確保在生產過程中更好地控制原材料的供應、質量和成本，而不受社會、政治、經濟和氣候波動的影響，所以高產愈傷組織細胞系產生除蟲菊酯，可以作為一種替代品，成為除蟲菊酯的原料庫。Levy 在1981 年利用莖尖或者是葉芽作為外植體開發了一種成功的培養技術［76］，但是除蟲菊酯主要在花器官中合成，所以利用體外生產除蟲菊酯存在一定的難度。1990 年Zito 和Tio 分析了三年生溫室植物的愈傷組織，結果表明，因為愈傷組織中亞麻酸的含量較低（在醇配體合成通路上），愈傷組織中產生的除蟲菊酯含量較低［77］。Hitmi 等培養的除蟲菊愈傷組織產生的除蟲菊酯的含量為1%左右，但是細胞懸浮培養不能積累除蟲菊酯［78-79］。McLaughlin Gromley 公司于1984 年申請了一種用粗提的酶合成除蟲菊酯專利。該生產方法制備含有除蟲菊和萬壽菊的無細胞勻漿并加入甲羥戊酸或焦磷酸異戊烯孵育產除蟲菊酯［78］。目前懸浮細胞培養的方法在現實應用中并未得到推廣。

天然結構的除蟲菊酯的化學合成目前有一些理論可行的方法，但未有大規模應用。普瑞林醇等前體可通過Sonogashira 反應形成瓜菊酮醇等醇配體［52］。外消旋菊酯乙酯通過差相異構和外消旋可形成菊酸［80］。TsCl/N-甲基咪唑（NMⅠ）可介導酸醇配體的結合酯化形成除蟲菊酯［52，81］。

2.2 除蟲菊酯的異源表達合成進展

鑒于化學合成和離體培養的研究未能大規模應用，所以利用最新的合成生物學技術生產除蟲菊酯成為一個新的研究方向。隨著除蟲菊酯合成途徑的逐漸解析和底盤生物的構建成熟，利用合成生物學手段異源表達除蟲菊酯合成酶，進行大規模生產除蟲菊酯及其前體物質成為可能。由于途徑的全面解析是最近幾年才出現的進展，利用異源生物表達來進行合成生物學生產和改良作物抗性的相關研究尚處在起步階段。

Hu 等將除蟲菊酯的酸配體第一個合成酶TcCDS（TcCHS）編碼基因在杭菊（Chrysanthemum morifolium）中過表達，異源引入除蟲菊酯的合成途徑，結果檢測到揮發性菊醇（volatile chrysanthemol）的釋放和菊醇的糖基化衍生物菊醇苷（chrysanthemyl-6-O-malonyl-β-D-glucopyranoside）的積累，菊醇含量達到47 pmol/（h·g）（以鮮重計），菊醇苷的含量達到1.1 mmol/L，這兩種成分對蚜蟲具有獨立的生物活性，且植株并沒有導致有害表型的出現。TcCDS 在植物中的表達顯著減少了蚜蟲的繁殖，誘導了一種雙重防御系統，既有揮發性菊醇的氣味驅避作用，又有其非揮發性糖苷對蚜蟲產生的威懾作用［17］。

Xu 等在番茄果實中重構了菊酸生物合成途徑，該途徑自然條件下產生高水平的四烯類色素番茄紅素，這是一種與菊酸具有共同前體二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP）的類異戊二烯類化合物，通過在番茄果實中表達來源于除蟲菊的菊醇二磷酸合成酶（TcCDS）基因，和來源于野生番茄的醇脫氫酶（ADH）基因與醛脫氫酶（ALDH），實現了菊酸的異源生物合成。其中菊醇二磷酸合成酶基因來自于除蟲菊，另外兩個基因來自于野生番茄品種。表達這三種基因的番茄果實中的菊酸含量是非轉基因植株中番茄紅素的含量的1.7 倍，達到 67.1 μg/g FW，轉移的 DMAPP 中有97% 轉化為菊酸［16］。

在隨后的研究中，Xu 等采用邊解析邊重構的策略，利用發掘的醇脫氫酶（TcADH2）、醛脫氫酶（TcALDH1）、細胞色素P450 酶（TcCCH）和甲基轉移酶（TcCCMT1）以及前期報道的TcCDS在煙草瞬時表達體系中完整重組了第二菊酸的合成通路，第二菊酸的總產量（包括游離和糖基化修飾）達到（24.0±2.7）μg/g［15］，為異源合成除蟲菊酯奠定了基礎。

醇配體的異源重組合成尚未見報道，沒有醇配體和酸配體的組裝就無法形成完整的除蟲菊配體。而且由于醇配體的前體茉莉酮在常見底盤物種（如煙草）中含量非常低，所以預測如果僅過表達參與合成的細胞色素P450，生成的產物含量也會過低沒有應用價值。目前茉莉酮的合成途徑也尚未完全解析，制約著代謝重組應用。茉莉酮的含量在很多植物（如茉莉花）的花器官中含量非常高，所以利用茉莉花等材料發掘茉莉酮的合成關鍵酶，是重組生產醇配體和完整除蟲菊酯的必要條件。

目前除蟲菊合成相關的調控因子和轉運系統亦未有報道，關鍵催化酶及調控因子是否形成復合體亦未有報道，所以下游合成生物學應用受到限制，進一步深入研究除蟲菊酯合成途徑的調控和轉運是除蟲菊酯合成生物學應用的關鍵。未來更多的合成生物學技術和思路的引路將更進一步助力合成生物學的研究，包括但不限于：利用特殊的啟動子優化組織特異性表達；通過密碼子優化、增加基因的拷貝數和強啟動子來增加節點基因的表達量；通過轉運蛋白引入和亞細胞定位改造來聚合上下游代謝的空間區隔；催化酶的融合表達和蛋白質結構優化等手段增加催化活性；以及大片段組裝多基因串聯轉化和表達來提高異源表達的效率等，均是合成生物學研究的重點。

3 展 望

2016 年美國農業部的報告預測，到2025 年，生物基化學品的產值將超過5000 億美元，占全部化學品的25%左右［82］。設計和合成的工程細菌用于靶向治療中的藥物載體等。以青蒿酸異源合成為標志，合成生物學在天然產物、抗生素等的人工合成方面展現出巨大潛力。微生物發酵工程具有快速、便捷、易操控的優勢，最新的發展通過多種技術將酶發掘、活性改造、途徑和菌種優化、混菌發酵和發酵體系的工程優化等相結合，實現了酵母中阿片（opiate）類藥物的全合成［83］，丁醇生物的生產［84］，青蒿酸［85］、紫杉烷類、硫醚抗生素等的合成［86］。植物源次級代謝產物在微生物中的人工生物合成，降低了對野生和珍稀植物資源的依賴，減少了對生態環境的破壞。目前還沒有關于利用微生物工廠化生產除蟲菊酯系列產物的研究和應用，隨著其合成通路中關鍵酶得到進一步的挖掘，加強了利用微生物發酵工程進行工廠化生產的優勢和潛力。

利用植物底盤進行除蟲菊酯的生物技術生產具有重要意義，開發高效的植物底盤能夠提高除蟲菊酯的產量及其替代品的開發。與單細胞微生物相比，雖然植物體系更加復雜，周期更長、基因組更大、細胞器更多、代謝與調控機制更復雜，但是植物合成生物學研究也具有其獨特的優勢，植物底盤本身具有豐富的前體物質和完善的蛋白表達調控體系，植物來源的天然產物生物合成、調控及轉運元件、線路和模塊能更好適配植物底盤。在優化后植物底盤能夠實現前體的足量供應和催化酶等的高表達，克服原產植物中特異性和含量低的缺點，實現在葉片、果實、毛狀根、腺毛等組織中的規?；a。同時作為自養生物，植物利用自然中的陽光、土壤、水等作為能量和營養的來源，是未來綠色合成生物學的一個重要研究方向。隨著植物基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組和表型組等組學大數據的快速發展，利用多種組學數據進行突變體庫篩選、元件發掘以及模型預測加速了植物代謝網絡和信號轉導通路等數據發掘工作，已成為植物合成生物學研究的必備研究策略，為未來植物合成生物學研究提供了新的契機。

隨著新型載體系統、工程菌、大片段組裝和人工染色體以及高通量測序技術等的發展和完善，合成生物學的學科體系也日趨成熟。最近很多研究通過大片段組裝，實現多個基因同時導入底盤細胞，實現目標產物的生產。例如Zhu等利用高效多基因轉化疊加技術在胚乳中工程合成花青素培育出“紫胚乳水稻”［87］；Fu等成功解析了紫錐菊中菊苣酸的生物合成途徑，并在煙草中成功實現了異源構建［88］。隨著除蟲菊酯合成途徑的解析，利用植物作為底盤進行除蟲菊酯相關代謝產物的異源表達開始有了相關的報道［16］，下一步通過大片段組裝來進行除蟲菊酯完整途徑的構建和異源生產也具有更加廣闊的前景，為未來新型綠色農藥的開發和規?；a提供保障，實現我國清潔、低能耗、無公害的農業產業發展。