合成遗传电路增强作物褪黑素生物合成：大豆营养强化与棉花抗逆性的创新策略

本文推荐：该研究通过合成遗传电路（BUFFER gates）精准调控植物褪黑素（melatonin）生物合成通路，实现大豆种子褪黑素含量提升31倍（1.833 ng/g DW），同时增强棉花对黄萎病（V. dahliae）抗性。利用合成转录调控元件（AmtR-ERF2-NLS）和种子特异性启动子（napin），首次在作物中验证了遗传电路驱动代谢工程的可行性，为功能性农业和气候适应性育种提供新范式。

　　

摘要

研究团队通过合成生物学手段构建BUFFER遗传逻辑电路，将植物内源褪黑素生物合成通路关键酶COMT（咖啡酸-O-甲基转移酶）和SNAT（血清素-N-乙酰转移酶）与合成转录调控系统耦合，在烟草瞬时表达体系中实现褪黑素产量精准调控。其中含双基因的3XSC电路表现最优，为后续作物转化奠定基础。

合成遗传电路在烟草中的验证

采用AmtR-DNA结合蛋白、拟南芥ERF2激活域和SV40核定位信号（NLS）构建合成转录调控系统，相比常用VP16激活域，植物源ERF2表现出更强活性。通过设计3XCO（3拷贝操作子）、6XCO（6拷贝）和3XSC（COMT+SNAT串联）三种BUFFER电路，发现3XSC驱动的褪黑素产量最高，达野生型35倍，但6XCO因底物限制未呈现线性增长，揭示代谢流平衡的重要性。

大豆种子的褪黑素生物强化

将种子特异性napin启动子驱动的NPSC（np3XSC）电路转入大豆Williams 82，获得T2代转基因株系。UPLC-MS/MS检测显示NPSC-14#品系褪黑素含量达1.833 ng/g干重，较野生型（0.059 ng/g）提升31倍。代谢组学分析表明转基因大豆氨基酸衍生物显著积累，蛋白质含量增加而油脂降低，百粒重等农艺性状无显著变化。加工实验证实72.4%的褪黑素可保留至豆浆中，展现食用价值。

抗逆性表型解析

盐胁迫实验显示，150 mM NaCl处理下转基因大豆种子发芽率（36.7%）较野生型（16.7%）提高2.2倍，胚根伸长加速。在棉花中，组成型表达3XSC电路使叶片褪黑素水平提升0.7-1.8倍，接种黄萎病菌（V. dahliae）20天后，转基因株系病指显著低于野生型TM-1，显微切片显示维管束褐变面积减少，证实内源褪黑素增强植物免疫。

应用前景与挑战

该研究突破传统启动子局限性，首次在作物中实现遗传电路驱动的代谢重构。大豆-棉花双系统验证表明，该策略既可满足营养强化需求（如功能性大豆制品），又能提升作物环境适应性。尽管化学合成褪黑素成本仍具优势（约0.3欧元/克），但植物源褪黑素兼具生态友好性和附加营养价值，尤其适合应对全球10%年增速的睡眠健康市场。未来需优化遗传电路正交性以适配更多代谢通路，并解决GMO监管与社会接受度问题。

材料与方法

实验采用农杆菌（GV3101/p19）介导的烟草瞬时转化和大豆（EHA105）/棉花（GV3101）稳定转化。褪黑素检测结合ELISA初筛与UPLC-MS/MS验证（质谱条件：m/z 233.1→174.1，保留时间5.90 min）。非靶向代谢组学通过OPLS-DA分析（VIP>1且|log₂FC|≥1），盐胁迫实验设置150 mM NaCl处理组，黄萎病抗性采用Vd991菌株（1×10⁷ conidia/mL）接种。所有数据经GraphPad Prism v.9进行双尾t检验或双因素ANOVA分析。