让动物肌肉蛋白在一片生菜叶中生长，已不再只是一种修辞。伦敦帝国理工学院的一个团队刚刚在烟草和生菜的叶绿体中获得了猪源肌红蛋白的稳定且可遗传的积累——这在高等植物中尚属首次，此前所报道的仅有瞬时表达。就蛋白质产量而言，结果是明确的；但就肌红蛋白之所以有价值的那一部分，即它的血红素而言，结果就远没有那么明确了。

来源：frontiersin.org

通俗解读

肌红蛋白是赋予红肉颜色和很大一部分风味的蛋白质。在此之前，若要在不依赖动物的情况下制造它，人们靠的是罐式微生物发酵；在植物中，人们只成功实现过一种短暂的、不能传给后代的生产。而在这里，研究者把基因直接插入了叶绿体——细胞中那个绿色的小工厂：正是它捕获光能，也正是它组装出这种蛋白质。

它奏效了：叶片积累了可测量的量，该性状能传给子代植株，而且转化植株的光合作用没有出现可测得的下降。但存在一个障碍。只有当肌红蛋白在其中心包裹一种名为血红素的铁色素时，它才有颜色、才"有味道"。然而在从烟草叶片中纯化出的蛋白质里，只有 35% 的分子结合了血红素——其余的是空壳，折叠正确却没有颜色。作者认为色素可能不足；然而他们自己的数据表明，植物制造的色素比所需的还要多，这就提示应当同时关注色素的装配环节。因此这并不是一件可以出售的产品，而是一次可行性论证，附带一个被清晰界定的瓶颈。

发现

技术解析

1. 为什么瞄准叶绿体而非细胞核 —— 叶绿体源自一种内共生蓝细菌，并保留了细菌型的基因组，即质体基因组。需要提醒的是，这一区室兼具三项使其成为良好生产车间的特性：它在每个细胞中以极高的拷贝数存在；它用带有 σ 因子的细菌型机器转录其基因；而且它不具备使核转基因沉默的转录后消减机制。作者并未测量这些特性——它们是文献中的既有认识——但确实测量了其后果：在他们所分析的 37 个核转化株中，肌红蛋白的积累量一律低于转质体植株，至少低 3 倍。该比较是针对植物常用的两个强启动子进行的：花椰菜花叶病毒的 35S 启动子，以及 Arabidopsis thaliana 的泛素启动子。这一比较在方法学上是干净的，因为它在同一生物体中对比同一个肌红蛋白直系同源物——正如我们将看到的，与藻类的比较并非如此。

2. 表达盒，以及其中每个部件的作用 —— 构建的细节很有启发性，因为它表明增益并不只来自区室本身。在烟草中，编码序列——经合成并按叶绿体密码子偏好优化——被置于核糖体 RNA 操纵子启动子（Prrn）之下，配有一段合成的 5' 非翻译区和一个借自核糖体小亚基基因的终止子。在生菜中，团队改用了 psbA 基因的内源启动子和 5'UTR，psbA 是质体基因组中表达最强的基因之一。两种情况下，插入都瞄准同一个基因间区，即 trnfM 与 trnG 之间。这一选择绝非无关紧要：转基因两侧带有与质体基因组同源的序列，而正是同源重组——它在叶绿体中活跃，与植物细胞核不同——把它安置在这一确定位点，而非随机位置。

3. 同质化验证证明了什么 —— 一个植物细胞含有数千份质体基因组拷贝。轰击之后，只有少数几份携带转基因：植株处于异质化状态，该性状将是不稳定的。因此作者进行了多轮壮观霉素下的再生循环——生菜用 50 mg/L——直到所有拷贝都被转换，然后通过 Southern 印迹和基因组测序加以核实。正是这一步，而非仅仅检测到蛋白质，才使"稳定"一词得以成立：它证明不再残留能够在世代更迭中重新占据上风的野生型拷贝。

4. 肌红蛋白不是一种蛋白质，而是一种蛋白质加上一种色素 —— 需要提醒的是，肌红蛋白是一条约 153 个氨基酸的单链球蛋白，折叠成八段 α 螺旋，并在一个疏水口袋中容纳一个血红素 b（铁–原卟啉 IX）。其中的铁由一个近端组氨酸配位，而一个远端组氨酸稳定所结合的氧分子：
   $\text{Mb} + \text{O}_2 \rightleftharpoons \text{MbO}_2$Mb+O2​⇌MbO2​
   红色以及烹饪时产生的肉香中起决定作用的一部分，都源于血红素铁——美拉德反应和脂质氧化同样有贡献。没有血红素的肌红蛋白——脱辅基肌红蛋白——无色，且在感官上是沉默的。因此，血红素的占据率并非产量上的细枝末节，而是决定产品有用与否的变量：
   $\theta = \frac{[\text{holo-Mb}]}{[\text{holo-Mb}] + [\text{apo-Mb}]} \approx 0{,}35$θ=[holo-Mb]+[apo-Mb][holo-Mb]​≈0,35

5. 三种不同的测定，三个不同的问题 —— 必须仔细区分这些测量。所积累的肌红蛋白量由免疫印迹估算：用抗体显示多肽，并将信号与标准曲线比较——这一技术对脱辅基型和全酶型一视同仁地计数。作者还对这些数值附加了明确的保留意见：由于定量只涉及有限数量的生物学样本，这些数字应被视为粗略估计，他们呼吁用一种独立方法加以验证，因为抗体检测可能受表位可及性的影响而有偏差。真正装载了血红素的比例是单独测量的，通过对纯化蛋白进行吡啶血色原试验：得到约 35%，而同一种肌红蛋白在 E. coli 中生产时为 80%——但在 S. cerevisiae 中仅为 20%，这使植物处于两个微生物平台之间，而非低于二者。最后，组织的总血红素由第三种试验测定，即辣根脱辅基过氧化物酶法，结果显示烟草生产品系中翻了一倍。作者指出纯化蛋白折叠正确；因此失败在于色素的装载，同时他们也注意到，血红素的不足反过来可能限制总积累量，因为辅因子的可获得性关系到稳定性和折叠。

6. 让怀疑发生位移的那笔算术 —— 这是讨论中最有意思的一段，它使"血红素不够"这一简单读法变得复杂。作者把计算推了下去。以鲜重 94 mg/kg、装载率 35% 的肌红蛋白计，蛋白质已经携带的血红素约为 1.93 μmol/kg；100% 装载则需要 5.5 μmol/kg。然而实际测得的总血红素增量达到鲜重 6 μmol/kg——比完全饱和所需的还要多。*（自此处起为编者的解读。）*因此，在总量上，色素的供给并未明显显得不足，这就把怀疑引向血红素向脱辅基肌红蛋白的递送与插入环节，而非生物合成途径的原始产能。作者态度谨慎，同时并列保留了三个候选原因：外源血红蛋白类的需求超出内源途径的产能；与叶绿素生物合成争夺共同的四吡咯前体；以及向脱辅基蛋白中的插入效率低下。他们也提出了对策：过表达亚铁螯合酶 1（FC1）——血红素 b 合成的末端酶——或补充诸如氨基乙酰丙酸之类的前体。需要提醒的是，相关途径在质体中进行：谷氨酸经所谓的 C5 途径转化为 δ-氨基乙酰丙酸，随后这条链通向原卟啉 IX，即分支点，在此镁螯合酶导向叶绿素，而亚铁螯合酶导向血红素。

7. 注意分母——也注意平台 —— 有两个指标在流传，它们出自同一次定量、以两种基准表示。以总可溶性蛋白的比例计：烟草 2.7%，生菜 1.5%。折算到干物质：烟草 800 ± 110 mg/kg，生菜 810 ± 60 mg/kg——两个区间大幅重叠，因此在这一基准上两个宿主无法区分，尽管以蛋白质比例计存在表面差距。第二项注意事项来自作者本人：植物中表达的直系同源物（猪源）与藻类中的（牛源）并不相同，而直系同源物之间的内在差异可能影响积累、稳定性或血红素的掺入。他们由此得出结论：该研究证明了在每一种宿主中的可行性，但不允许在平台之间做性能的直接定量比较。剩下的是与肌肉的对照：据 Rickansrud 与 Henrickson（1967），牛肉的 psoas major（里脊）含 8.10 mg/g 干物质，longissimus dorsi（外脊）含 11.16 mg/g。作者概括为"约 10 倍"；逐块肌肉计算则得出 10 倍（psoas）至 14 倍（longissimus）的系数。值得注意的是，文中所提出的这一比较跨越了物种：在叶片中生产的猪源肌红蛋白，被拿来与牛肌肉的含量相对照。

为什么奏效

成功既源于区室的选择，也源于精心的构建。通过把基因放入质体基因组，团队同时获得了高拷贝数、细菌型转录和不存在沉默这三项优势；通过优化密码子使用，并在生菜中借用 psbA 的表达信号，团队利用了该区室中最活跃的机器。增益体现在数字里：在 37 个核转化株上至少 3 倍的系数。第二项结果是测得的而非假定的：在所监测的三个参数上——光系统 II 的有效量子产率、电子传递速率和非光化学淬灭——转化植株与对照之间未出现显著差异。担心一种外源的、对血红素贪婪的血红蛋白会扰乱光合机构，这一担忧并未成为现实。

不过，宣称与证据之间的差距应当摆明。该研究所证明的是：高等植物能够稳定且可遗传地积累一种动物肌红蛋白，其水平高于核表达所能达到的水平——而此前的技术状态仅限于在 Nicotiana benthamiana 中的瞬时表达。它所未证明的是：这种肌红蛋白能赋予食品所期待的颜色、味道或营养价值，也未证明植物平台优于藻类平台——作者明确回避了这一比较。在 35% 的占据率下，近三分之二的分子是空壳，作者写道，商业可行性将不仅取决于蛋白质的总积累量，也取决于全酶型肌红蛋白的得率——两条战线上的进展必须同时推进。

最重的保留意见属于统计性质，而且来自作者本人：无论烟草还是生菜，都只获得了一个独立的转质体品系，他们写道，在更多品系上的验证将增强结论的普遍性。因此上文引用的所有数字都建立在每个宿主一个克隆之上。在接受 Science Media Centre 采访时，Derek Stewart（James Hutton Institute）——他声明无利益关系——指出了同一处脆弱性，并补充说烟草天然产生生物活性生物碱，这会带来现实的提取与食品安全问题——这也就凸显了生菜这一可食用宿主部分的分量。Rodrigo Ledesma-Amaro（伦敦帝国理工学院）——他声明有两位作者属于帝国理工 Bezos Centre for Sustainable Protein 的社群，声明自己未参与该研究，且该项目未获该中心资助——认为其潜力将取决于血红素掺入的改善，而食品功能性、安全性、田间表现、加工要求以及规模化后的经济与环境效益，都仍有待确认。

论文所声明的利益格局值得完整转述。两位共同作者 Kyoko Morimoto 与 Mistianne Feeney 受雇于业内私营公司 Kyomei Ltd；同一家公司提供了 sK23 生菜品系，并与 EPSRC 的 BioDesign Engineering 博士培养中心一道，部分资助了第一作者 Alexia Groff 的博士工作。最后，通讯作者 Peter J. Nixon 声明在投稿时是 Frontiers 编委会成员，并说明这既未影响同行评议，也未影响最终决定。这一切都不足以否定这些结果——它们以开放获取方式发表且可核查；这只是阅读的框架。

因果链

蓝细菌的内共生 → 保留了细菌型质体基因组，且每个细胞拷贝数极高 → 通过基因枪与同源重组建立叶绿体转化技术 → 发现该区室不受限制核表达的转基因沉默影响 → 工业界对用于肉类替代品的血红蛋白类的需求，此前由微生物发酵满足 → 植物中的最初尝试，仅限于 Nicotiana benthamiana 中的瞬时表达 → 将经密码子优化的猪源肌红蛋白基因插入烟草继而生菜质体基因组中 trnfM 与 trnG 之间 → 壮观霉素筛选直至同质化，并经 Southern 印迹与测序核实 → 稳定且可遗传的积累，达总可溶性蛋白的 2.7% 与 1.5%，光合作用无可测得的下降 → 但血红素装载封顶在约 35%，尽管测得的总血红素增量（鲜重 6 μmol/kg）超过了完全饱和所需（5.5） → 作者把血红素的可获得性作为可能的瓶颈保留下来，而他们的算术同时也指向辅因子向脱辅基蛋白的插入 → 作者提出的路径：过表达亚铁螯合酶 1 或补充氨基乙酰丙酸 → 在任何食品前景之前必须解除的瓶颈。

轶事

这个故事的工业先例并非来自一片叶子，而是来自一条根。Impossible Foods 把它的汉堡建立在大豆血红蛋白之上——那是植物在根瘤中制造的血红蛋白，用以缓冲游离氧从而保护固氮酶——由于无法从大豆本身提取到足够的量，公司不得不改用一种酵母 Pichia pastoris 发酵生产。分子是植物的；生产却是工业的。本周发表的研究尝试的是相反的方向：保留动物蛋白，但让生产变成植物性的。而它撞上的，正是当初让大豆血红蛋白显得有趣的同一个辅因子——血红素，确实是这整套化学中最稀缺的那一块。

影响与当前数据

这里必须抵御搬出市场数字的诱惑。数据所能支持的断言仅限于实验室量级，而作者本人也把它们呈现为粗略估计：烟草中占总可溶性蛋白的 2.7%，生菜中 1.5%，即干物质 800 ± 110 与 810 ± 60 mg/kg，与牛肌肉的 8.10 和 11.16 mg/g 相比——相差 10 至 14 倍。这些结果没有任何食品试验、任何田间试验、任何成本分析相伴，而且全部建立在每个宿主一个品系之上。

因此，仍有待确立的内容是明确的：优化之后可达到的血红素占据率、在独立品系上的可重复性、用一种独立于免疫检测的方法进行的定量、转质体生菜在真实栽培条件下的表现、提取与纯化成本，以及监管地位——一种供食用的转质体生菜，在那些按工艺来监管产品的司法辖区，很可能需要转基因授权，但所查阅的来源均未论及这一点。唯一结构性的监管优势在于大多数被子植物中质体基因组的母系遗传，它限制了转基因通过花粉的扩散；这是一条一般生物学提醒，而非本研究的结果。

研究者视角 — 开放问题

作者已经提出了两条路径——过表达亚铁螯合酶 1，或补充氨基乙酰丙酸。以下问题是编者提出的延伸，并不属于该研究的结果或建议。

• 先检验插入，而非供给：作者的算术提示，所产生的色素可能足以饱和已积累的肌红蛋白。在进一步提高通量之前，向离体叶片或转质体培养物提供外源血红素将是决定性的：如果占据率没有回升，瓶颈就确实在于向脱辅基蛋白的插入，而过表达 FC1 也无济于事。
• 区分两个杠杆：一项交叉实验——单独 FC1，然后 FC1 与一种血红素插入伴侣蛋白联用——将把产能限制与递送限制区分开来。
• 把光与血红素解耦：在转化的非叶绿素组织中，或在黄化植株中测定占据率，那里镁螯合酶不再抽走原卟啉 IX。这是对竞争假说最直接的检验，而且不需要任何新的构建体。
• 干净地比较各平台：在三种宿主中改用单一的肌红蛋白直系同源物，作者本人也把这项工作认定为裁定相对性能所必需的。
• 稳健性：为每种宿主再生多个独立品系，这一保留意见由作者与 Derek Stewart 共同提出，若不解决，产量就仍只是某一个克隆的属性。

来源

参考文献于 2026 年 8 月 6 日在事实核查审计中，依据文章全文核实。

• Groff A., Lu Y., Feeney M., Whitelegge J., Shao S., Morimoto K., Nixon P. J., « Sustainable production of myoglobin meat protein in plant chloroplasts », Frontiers in Plant Science，第 17 卷，Plant Biotechnology 栏目——2026 年 6 月 22 日接收，2026 年 8 月 6 日发表。同行评议论文，开放获取。DOI：10.3389/fpls.2026.1876707
• Science Media Centre, « Expert reaction to study looking at growing myoglobin animal muscle protein fibres in chloroplasts of lettuce and tobacco plants »，2026 年 8 月 6 日——Rodrigo Ledesma-Amaro（伦敦帝国理工学院，已声明利益关系）与 Derek Stewart（James Hutton Institute，声明无利益关系）的评论。
• Rickansrud D. A. & Henrickson R. L., « Total pigments and myoglobin concentration in four bovine muscles », Journal of Food Science, 1967, 32(1), 57–61 —— 牛肌肉的参考含量，被所评论的文章引用。DOI：10.1111/j.1365-2621.1967.tb01957.x

背景参考文献

这些参考文献支撑一般机制方面的提示，并非出自所评论的研究。

• Bock R., « Engineering plastid genomes: methods, tools, and applications in basic research and biotechnology », Annual Review of Plant Biology, 2015, 66, 211–241 —— 质体基因组拷贝数、同源重组、无沉默、母系遗传。DOI：10.1146/annurev-arplant-050213-040212
• Tanaka R. & Tanaka A., « Tetrapyrrole biosynthesis in higher plants », Annual Review of Plant Biology, 2007, 58, 321–346 —— C5 途径，原卟啉 IX 在镁螯合酶与亚铁螯合酶之间的分支点。DOI：10.1146/annurev.arplant.57.032905.105448
• Ordway G. A. & Garry D. J., « Myoglobin: an essential hemoprotein in striated muscle », Journal of Experimental Biology, 2004, 207(20), 3441–3446 —— 八段螺旋的构架、近端与远端组氨酸、氧的结合。DOI：10.1242/jeb.01172