《Science》新型合成生物:重编程植物根系结构

【字体: 时间:2022年08月12日 来源:Science

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  通过使用合成基因,斯坦福大学的研究人员已经能够修改植物的根结构。他们的工作可以使作物更有效地收集营养和水分,并更能适应气候变化带来的压力。

  
   

Plant circuits    

设计用来重组植物根部基因表达的合成遗传电路可能被用来改变它们的生长方式。    

全球粮食生产正日益受到气候变化影响的威胁。随着洪水、干旱和极端热浪变得越来越普遍,作物需要比以往更快地适应。

斯坦福大学的研究人员正在研究如何操纵植物的生物过程,以帮助它们在各种条件下更有效地生长。Jennifer Brophy她和她的同事们设计了一系列合成基因电路,使他们能够控制不同类型的植物细胞做出的决定。最近发表在Science杂志上,他们使用这些工具来种植具有改良根系结构的植物。他们的工作是设计能够更好地从土壤中收集水分和养分的作物的第一步,并为设计、测试和改进植物中其他应用的合成基因电路提供了一个框架。

Brophy说:“我们的合成基因电路将允许我们建立非常特定的根系或非常特定的叶片结构,以了解什么是最适合我们知道即将到来的具有挑战性的环境条件的。我们正在使植物的工程设计更加精确。”

植物的程序代码

目前的转基因作物品种使用相对简单、不精确的系统,使它们的所有细胞表达抗除草剂或害虫所需的基因。为了实现对植物行为的精细控制,Brophy和她的同事们构建了合成DNA,其工作原理就像计算机代码,逻辑门指导决策过程。在这种情况下,他们使用这些逻辑门来指定哪些类型的细胞表达特定的基因,使它们能够在不改变植物其他部分的情况下调整根系中分枝的数量。

植物根系的深度和形状会影响它从土壤中提取不同资源的效率。例如,有许多分支的浅根系更善于吸收磷(磷停留在地表附近),而底部分支的深根系更善于收集水和氮。利用这些合成基因电路,研究人员可以种植和测试各种根系设计,以创造出适合不同环境的最有效作物。或者,在未来,它们可以赋予植物优化自身的能力。

“我们的现代作物品种已经失去了对土壤养分的反应能力,”José Dinneny说,他是人文与科学学院的生物学副教授,也是这篇论文的主要作者之一。“控制根系分枝的相同类型的逻辑门可以用来创建一个兼顾土壤中氮和磷浓度的电路,然后产生对这些条件最优的输出。”

从模式生物到现代作物

Brophy设计了超过1000种潜在电路,能够操纵植物的基因表达。她在烟草植物的叶子上进行了测试,看看能否让叶子细胞产生水母中存在的一种夜光蛋白质。她发现了188种有效的设计,研究人员正在将这些设计上传到一个合成DNA数据库,以便其他科学家在他们的工作中使用。研究人员使用其中一个电路来创建逻辑门,在拟南芥的一个精确定义的根细胞类型中修改特定发育基因的表达。通过改变这一基因的表达水平,他们能够改变根系中分支的密度。

现在他们已经证明他们可以改变模式生物的生长结构,研究人员打算将这些相同的工具应用于商业作物。他们正在研究利用基因回路操纵高粱根结构的可能性,这种植物可以提炼成生物燃料,以帮助它吸收水分并更有效地进行光合作用。

Brophy说:“气候变化正在改变我们种植的粮食、燃料、纤维和药品原材料所依赖的植物的农业条件。如果我们不能大规模生产这些工厂,我们将面临很多问题。这项工作是为了确保我们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。”

Synthetic genetic circuits as a means of reprogramming plant roots

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