合成前馈环路电路显著增强甘蔗转基因表达水平

本研究针对多倍体作物转基因表达效率低的难题，创新性构建了基于GAL4系统的合成前馈环路电路pBEC64。通过结合GAL4-BD::EDLL-AD转录激活模块与pSbDry启动子，在甘蔗叶片和茎秆中实现β-葡萄糖醛酸酶(GUS)报告基因表达量提升8倍，为代谢工程提供新型基因调控工具。

　　

在全球可持续发展背景下，生物基产品替代石油基产品的需求日益迫切。作为贡献全球40%生物燃料的关键作物，甘蔗的代谢工程改造面临多倍体基因组复杂、转基因表达效率低下等瓶颈问题。传统方法难以实现对目标基因的精准调控，特别是在茎秆等能源物质主要积累部位。

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的研究团队创新性地将动物系统中成熟的GAL4转录调控系统引入植物领域。他们设计了一个包含GAL4 DNA结合结构域(BD)和植物特异性EDLL转录激活结构域(AD)的合成转录因子，与高粱Dry基因启动子(pSbDry)构成自激活前馈环路。该电路通过"低水平基础表达→转录因子自激活→靶基因高效表达"的三级放大机制，在稳定转化的甘蔗中实现报告基因表达量突破性提升。

研究采用基因枪转化法将构建体导入甘蔗胚性愈伤组织，通过GUS组织化学染色和4-甲基伞形酮-β-D-葡萄糖醛酸苷(4-MUG)荧光定量分析进行系统评估。关键发现包括：pBEC64转化事件中70%的叶片样本和80%的茎秆样本GUS活性显著高于野生型，最优株系茎秆表达量达9.02 nmol MU/min/mg蛋白，较对照提升近10倍。

在"Evaluation of the synthetic feed-forward loop circuit in sugarcane"部分，研究通过对比实验证实：仅含pSbDry::GUS的对照载体pBEC16仅有27.3%转化株显示微弱活性，而整合GAL4-BD::EDLL-AD的前馈环路载体pBEC64显著提升表达稳定性。特别值得注意的是pBEC64-2株系表现出茎秆特异性增强表达模式，为器官特异性代谢工程提供新思路。

讨论部分指出，这是首次在甘蔗中成功应用合成转录因子构建前馈环路。该设计突破多倍体基因组对转基因表达的抑制效应，其模块化特性允许通过更换启动子(pSbDry)或效应结构域(EDLL-AD)适配不同作物需求。研究为甘蔗高值化利用（如油脂代谢通路改造）提供关键技术支撑，相关成果发表于《Plant Cell Reports》将推动植物合成生物学工具在复杂基因组作物中的创新应用。