Science | 设计并重编植物表型：利用合成遗传回路定向改造植物根系形态

合理利用已有的科学知识改造、优化植物使其能够适应日益严峻的自然环境变化，保障人类的生存、生活需求，这或许是基础研究的追求之一。

自然遗传回路（遗传电路genetic circuits）已被研究了半个多世纪。1961年雅各布（François Jacob）和莫诺德（Jacques Monod）对一组乳糖代谢相关的基因研究提出了著名的操纵子学说，这是自然遗传回路首次在生物体内被描述。

重要农艺性状密切相关的调控因子及其调控植物生长发育的分子机制研究已经取得了长足发展，但是目前还不能够精确控制植物基因表达，因此还不能有效率地利用这些基因资源。基因的表达受到自身启动子在时空上的调控，如果需要利用这些基因，就要突破自身启动子的限制。突破限制的解决方案之一就是建立合成遗传回路（合成遗传电路Synthetic genetic circuits）。什么是合成遗传回路？简单讲就是人工导入一个相互作用的基因网络，用于执行特定功能。在原核生物、动物细胞系中建立已经建立了一些合成遗传回路，而在植物中却难以实现。这主要有两个困难：一是构建合成遗传回路（涉及多个基因）的转基因植物耗费时间长；二是遗传回路的基因表达跨越不同组织细胞类型存在障碍。

2022年8月11日，Science在线发表了斯坦福大学José R. Dinneny团队题为“Synthetic genetic circuits as a means of reprogramming plant roots”的研究论文。Jennifer A. N. Brophy为本文的第一作者，José R. Dinneny和Jennifer A. N. Brophy为本文的共同通讯。根系形态决定了植物从土壤中获取必需养分和水的能力。目前，人们根据具体需求精确地设计、构建植物根系形态的能力还不足。本文作者为植物开发了一系列转录调节因子，这些转录调节因子可以被编组创建出遗传回路。遗传回路通过执行“布尔运算”（布尔运算本质是数学逻辑）控制基因，实现基因定量瞬时表达，从而定向改变植物根形态。这项工作证明了合成遗传回路在植物中能够跨组织基因表达，调控植物生长发育。

Science同期发表了加州大学伯克利分校Simon Alamos和Patrick M. Shih题为“Synthetic gene circuits take root”的评论文章。

为了在植物中构建遗传回路，作者首先建立了一组转录调节因子。转录激活子由细菌DNA结合蛋白、VP16激活结构域和NLS核定位序列组成。被调节的激活启动子由6个串联重复的可以与转录激活子结合的DNA序列（操纵基因operator）以及1个35S启动子(-66到+18)序列组成。转录抑制子依赖空间位阻效应实现抑制，仅由DNA结合蛋白以及NLS核定位序列组成。受调控抑制启动子则是在一个完整的35S启动子后连接一个操纵基因（图1A、B）。

作者使用合成启动子驱动GFP表达，与在相同T-DNA区域上表达的mCherry进行标准化实现对基因表达定量研究。作者首先使用农杆菌侵染烟草叶片观察遗传回路的实际表现，10种激活子中有9种能够开启目标启动子（相对于仅启动子的对照增加3至45倍），并且其中7种对启动子的调节是特异的（图1C、D）。只有4种抑制子负调控基因表达有2倍以上的显著效果，没有任何一种抑制子能够完全阻遏（图1E、F）。作者通过改变转录激活子的元件激活结构域可以精确控制基因的表达情况，如将乙烯响应因子（ETHYLENE RESPONSE FACTOR 2，ERF2）激活结构域替换VP16激活结构域能够将GFP信号提高至6倍水平（图1G）,但是改变抑制子的元件时效果有限(图1H)。改变激活子操纵基因串联数量也对基因表达水平有显著调控效果（图I），调整抑制启动子结构也能够明显降低基因表达水平（图J）。

作者使用以上调节子，构建了执行布尔逻辑运算的遗传回路。在该回路中AmtR和PhlF DNA结合蛋白构建的转录调节子表现效果更好，它们作为遗传回路的输入信号，而GFP信号作为输出信号。这里运用了逻辑门的概念，与门（AND Gate）是指当两个输入端同为”1”时，输出为“1”，否则输出为“0”；或门（OR Gate）是指只要一个输入端为”1”，输出为“1”，两个输入都为“0”，输出为“0”；蕴涵门（NIMPLY Gate）当且仅当一个输入为”1”时，输出为“1”，如A NIMPLY B是指只有A输入为“1”时，输出才为“1”（图2）。

作者随后在拟南芥中测试了合成遗传回路，确定其是否具有在特异空间位置表达的能力。作者使用了SOMBRERO的启动子(proSMB驱动基因在根冠表达)，PIN-FORMED4启动子（proPIN4驱动基因在小柱、根冠和中柱表达），通过恰当运用逻辑门的组合，作者期望生成几种不同的基因表达模式。最终作者成功地实现了定向控制基因表达区域，这突破了基因在不同区域差异表达的限制（图3）。

那么这种合成遗传回路是否真的能改造植物呢？作者利用该技术重塑了拟南芥根系形态，证明了其可行性。作者关注的拟南芥侧根的密度，因为侧根直接影响了拟南芥在土壤中吸收营养和水分的能力。由于影响根系结构的基因变化通常具有多效性，因此很难直接检验这种假设。为了将侧根分枝与其他发育过程分开，作者使用仅在侧根干细胞中存在的组织特异性启动子proGATA23表达了slr-1突变基因，当其表达时对拟南芥的影响仅限于侧根。作者在侧根干细胞中以不同水平表达slr-1以确定侧根发育是否可以定量控制。结果表明，当slr-1表达较高时完全阻断了拟南芥产生侧根，而表达量较低时可以产生侧根，同时当作者突变了遗传回路元件AmtR结合位点的关键氨基酸也能够调控slr-1表达进而控制植物侧根数量（图4）。这些结果证明了合成遗传回路在不同细胞类型中精确调控基因表达水平。如今随着气候变化加剧，农业生产也面临巨大挑战，合成遗传回路重塑植物形态、强化植物性状的技术显得越来越重要。

ACKNOWLEDGMENTS

We thank T. Beekman for the Arabidopsis slr mutant and T. Vellosillo for assistance in establishing imaging protocols. Funding: Burroughs Wellcome Fund CASI (J.A.N.B.); Chan Zuckerberg Biohub (J.A.N.B., J.R.D.); US Department of Energy Biological and Environmental Research Program grant DE-SC0008769 (J.R.D.); Faculty Scholar grant from Howard Hughes Medical Institute and the Simons Foundation 55108515 (J.R.D.).

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4326

转自：植物生物技术Pbj

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