Science | 通过合成遗传回路实现植物根系形态重编程

近年来，随着研究手段和分子技术的突飞猛进，植物科学领域研究成果节节攀升，并鉴定了多个与农艺性状相关的关键调节因子，为全球农业可持续发展奠定了基础。然而，由于目前很难在植物中以特定模式实现基因表达，因此如何将这些基因的功能应用到农业生产中仍具挑战【1】。值得一提的是，合成遗传回路被证明是一种实现特定基因表达模式的可行方案，并已在多种原核生物和真核细胞系中构建【2】；然而，由于转基因株系的生长时间尺度较长，并且在异质细胞类型中调节回路活性的难度很大【3】，该技术尚未在植物中实现。

近日，美国Stanford University的研究人员在Science在线发表了一篇题为Synthetic genetic circuits as a means of reprogramming plant roots 的研究论文，该研究在烟草体系中成功构建了合成遗传回路，并在模式植物拟南芥中实现了通过逻辑回路操纵基因表达的空间模式以改变根系形态。Science还同期配发了美国University of California的Simon Alamos和Patrick M. Shih撰写的题为Synthetic gene circuits take root-Complex spatial patterns of gene expression are engineered in plants to modulate root morphology的评论文章，对该项工作的研究意义和重要性进行了介绍。

为了在植物中构建合成遗传回路，研究人员首先生成了一组合成转录调节因子（包括转录激活子（由细菌 DNA 结合蛋白、VP16 激活域和 SV40 核定位信号 (NLS) 组成）和合成抑制子（由 DNA 结合蛋白和 NLS 组成）），之后通过农杆菌将编码蛋白和靶启动子的DNA转至本氏烟叶片中，并通过绿色荧光蛋白 (GFP) 荧光测试回路性能（合成TF活性）。结果显示，大多数合成激活子具有活性并且对靶启动子具有特异性，但是合成抑制子的导入不能实现完全抑制，仍需进一步优化。进一步，研究人员通过将拟南芥ERF2AD（ETHYLENE RESPONSE FACTOR 2）的激活阈替换VP16 激活域以达到更好的激活阈表达以及抑制阈的阻遏增加；同时通过改变启动子中结合位点数量及移动操纵子位置调整启动子表达水平并增加动态范围。通过上述步骤，研究人员在本氏烟中构建了执行布尔逻辑运算的回路系统，并通过多层次的逻辑组合实现通过启动子的转录/抑制子影响转录因子活性和靶基因表达。

由于拟南芥根系系统相对简单、易于成像且根中的细胞类型特异性信使 RNA (mRNA) 模式已被表征，研究人员进一步在拟南芥根系中进行了遗传回路构建以测试该回路介导根系特定空间模式基因表达的能力。通过对SOMBRERO（proSMB，在根帽中表达）和 PIN-FORMED 4（proPIN4，在小柱、根冠和中柱中表达）的组织特异性启动子驱动转录因子表达并测试了不同的逻辑门回路，其中一半产生预期的表达模式，而不起作用的门回路揭示了拟南芥和本氏烟之间回路行为的差异。因此，研究人员进一步调整输入转录因子类型或相关元件实现了与预期表达模式相匹配的结果。在此基础上，研究人员还尝试通过这一电路修饰拟南芥根系形态，结果显示，通过使用GATA23 启动子驱动 AmtR-VP16合成转录因子表达可有效激活具有AmtR操纵子的合成启动子并驱动slr-1 （与侧根发育相关）的表达，从而定量控制拟南芥侧根分支的发育；此外，通过突变AmtR 结合位点中的关键残基则可以降低输出启动子的强度。

综上所述，该研究开发了一系列合成转录调节因子并在植物中成功构建合成遗传回，该回路通过执行布尔逻辑运算来控制基因表达，并可用于定向改变根系结构等农艺性状。该研究结果突出了合成遗传回在控制组织基因表达和植物生长相关特性重编程方面的潜力。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4326

转自：植物科学SCI

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