合成遗传回路精确改变植物根系生长

科学家们开发了一个植物转录调节工具箱，并表明它们可用于构建可预测地改变根系生长的合成遗传回路。他们的工作是设计提高生产力、适应气候变化的作物的重要一步。

斯坦福大学生物工程助理教授JenniferBrophy博士说：“我们的合成基因回路将使我们能够构建非常特定的根系或非常特定的叶结构，以了解什么是我们知道即将到来的具有挑战性的环境条件的最佳选择。”他与斯坦福大学生物学副教授JoséDinneny博士共同领导了这项研究。

“我们正在使植物工程更加精确，”Brophy补充道。他们在一篇题为“合成遗传电路作为重新编程植物根系的手段”的科学文章中发表了他们的工作。

全球粮食生产越来越受到与气候变化相关的洪水、干旱和极端热浪的威胁。Brophy和她的同事们旨在通过设计可以驱动特定性状发展的基因回路，帮助作物在这些广泛的条件下更有效地生长。

尽管合成基因电路已在各种微生物和真核细胞系中实施，但由于生产转基因系所需的时间以及跨不同细胞类型调节电路活动的难度，该技术难以在植物等复杂生物体中实施。

Brophy的团队从一个工具箱开始。该团队在他们的文章中写道：“我们为植物开发了一系列合成转录调节剂，可以对其进行编译以创建基因回路。”这些包括来自细菌和真核系统的不同合成转录因子和启动子。

“[这些]形成了一个令人印象深刻的部件集合，可以执行所有主要的逻辑运算，”来自加州大学伯克利分校的SimonAlamos博士和PatrickShih博士从研究论文的角度写道。“鉴于这个工具箱的完整性，原则上应该可以使用特定于细胞类型的启动子来驱动合成[转录因子]并以特定于细胞类型的方式创建空间嵌入的逻辑操作。”

Brophy的团队设计了1,000多个能够操纵植物基因表达的潜在电路，通过在烟草植物的叶子中瞬时表达转基因来测量它们的性能，并找到了188个有效的设计。研究人员正在将这些上传到一个合成DNA数据库，供其他科学家在他们的工作中使用。

一旦他们有了可行的设计，研究人员就使用其中一个电路来创建逻辑门，该逻辑门将修改模型植物拟南芥根细胞中特定发育基因的表达。通过改变那个基因的表达水平，他们能够改变根系中分枝的密度。

“这项努力构成了一个完整的、完全发育的多细胞生物基因工程的里程碑，”阿拉莫斯和施在他们的观点中写道。

植物根系的深度和形状会影响它从土壤中汲取不同资源的效率。例如，具有许多分支的浅根系统更善于吸收磷(留在表面附近)，而在底部分支的更深的根系统更善于收集水和氮。

“我们拥有现代作物品种，它们已经失去了对土壤养分所在位置做出反应的能力，”Dinneny说。“可以使用控制根分枝的相同类型的逻辑门，比如说，创建一个考虑土壤中氮和磷浓度的电路，然后生成最适合这些条件的输出。”

现在他们已经证明他们可以改变模式生物的根系生长结构，研究人员打算将这些相同的工具应用于经济作物。他们正在研究利用他们的基因电路来操纵高粱根部结构的可能性，高粱是一种可以提炼成生物燃料的植物，以帮助它吸收水分并更有效地进行光合作用。

“气候变化正在改变我们种植我们赖以获取食物、燃料、纤维和药物原材料的植物的农业条件，”Brophy说。“如果我们不能大规模生产这些植物，我们将面临很多问题。这项工作是为了帮助确保我们拥有可以种植的植物品种，即使我们种植它们的环境条件变得不那么有利。”