Science｜重大突破：设计遗传回路，重塑植物根系！

合成生物学的一个长期目标，是设计基因回路以赋予基因规定的时空表达模式。随着对调控植物发育的分子机制的理解，科研人员已经确定了一系列与重要农艺性状相关的关键性调节因子；但是，要如何在植物中控制这些基因的表达，严重阻碍了这些知识的应用。目前，在植物中以特定模式来表达基因，仍具有挑战性，尤其是当表达模式超出天然启动子的范围时。遗传回路（genetic circuits）的生物合成，是一种有吸引力的解决方案；它已在多种原核生物和真核细胞系中得到成功的应用。然而，转基因植株的构建周期长，加上在异源细胞中调节遗传回路活性的难度大，遗传回路的生物合成在植物中一直难以实施。

2022年8月11日，Science在线发表了美国斯坦福大学José R. Dinneny和Jennifer A. N. Brophy团队题为“Synthetic genetic circuits as a means of reprogramming plant roots”的研究论文。该研究开发了一系列用于植物的合成转录调节因子和合成启动子，并以此设计了一系列逻辑回路，最后以其定量调控拟南芥的侧根密度为例，揭示了合成遗传回路在植物基因工程中的巨大应用潜力。

DOI: 10.1126/science.abo4326

该研究首先开发了一系列用于植物的合成转录调节因子；分为转录激活因子（由细菌DNA结合蛋白、VP16激活域和SV40核定位信号NLS组成），和依靠空间位阻实现抑制的转录抑制因子（仅由DNA结合蛋白和NLS组成），并在此基础上进行了一系列的优化，特别是针对转录抑制因子。与合成转录因子相对应，该研究同时建立并优化了对应的启动子来完成基因表达的有效激活和抑制，如操纵子（operator）的数量和位置等（Figure 1）。

在上述合成转录因子中，AmtR和PhlF DNA结合蛋白构建的合成转录因子表现出强烈激活和抑制作用。以这些合成转录因子作为回路的输入，GFP作为输出，研究人员进一步构建了一系列布尔逻辑运算的回路（设计理念可参见，Nature biotechnology｜建立植物基因回路，开启植物细胞编程），并在本氏烟草的叶片中瞬时表达以测量其活性（Figure 2左）。

为了验证上述逻辑回路在拟南芥中的功能性，该研究利用根的组织特异性启动子SMB（根冠表达）和PIN4（中央根冠、根冠和中柱表达）来表达这些回路。该研究发现，在测试的8个逻辑回路中，只有4个（TRUE、FALSE、A BUFFER和NOT A）在拟南芥中的表达与预期一致；研究人员推测，这可能与逻辑回路在烟草和拟南芥中的表达差异有关，并对余下4个逻辑回路进行了优化以达到预期的表达（Figure 2右）。这些结果表明，在跨细胞类型的异源组织中实现遗传回路仍具有挑战性，需要进行额外的优化才能解决不同组织层中表达的差异性。

植物根系的形状，会直接影响其在土壤中获取必需营养成分和在干旱期间获取水分的能力。植物根系的工程化，可优化植物对水和养分的获取；但通过可预测方式改变根系生长的基因工程，仍受到技术的限制。为了验证上述合成遗传回路在植物基因工程中的应用，该研究利用BUFFER逻辑回路来实现对拟南芥侧根密度的调控。通过在slr-1突变体（侧根缺陷型）中表达GATA23启动子（侧根干细胞特异性表达）驱动的AmtR-VP16合成转录因子，来激活具有一个、两个、四个或六个AmtR操纵子拷贝的合成启动子，该研究实现了对侧根密度的定量调控；并显示，该合成遗传回路赋予的调节侧根密度的能力远大于T-DNA插入位点的影响（Figure 3）。

总而言之，该研究开发了一系列用于植物的合成转录调节因子和合成启动子，并以这些基本模块设计了一系列逻辑回路；通过其中的BUFFER逻辑回路，该研究展示了合成遗传回路在调控拟南芥的根发育过程中的应用，证明了合成遗传回路在控制跨组织基因表达和重新编程植物生长方面的巨大潜力。

鉴于该研究的重大意义，Science同期在线发表了美国加州大学伯克利分校Patrick M. Shih团队题为“Synthetic gene circuits take root”的观点论文，作者称这一研究是植物基因工程道路上的里程碑式研究，并指出拟南芥根可作为一个理想的模型，以更好地理解和比较基因自然表达和工程基因回路在有机体环境中的作用原理。同时，作者也指出了未来可能面临的挑战。

转自：植物科学最前沿

如有侵权，请联系本站删除！