Nature Communications:通过合成生物学编排根结构和根际相互作用

iSynBio造物

2024-05-24

导读：植物合成生物学的新工具使研究人员能够对基因表达进行精细的空间和幅度控制，从而可预测地改变植物的形态和功能。

本文来源于nature communications。

气候变化正在推动环境发生极端变化，对全球粮食安全和生物能源构成重大威胁。鉴于植物根系在介导植物与环境相互作用方面的直接作用，对根系及其相关微生物群的形态和功能进行工程设计可能会减轻这些影响。多年来，合成基因回路已经实现了对微生物系统中基因表达的精密控制，而突飞猛进的进展预示着这种方法已经扩展到多细胞植物物种。利用这些工具来影响根系结构、分泌物产出和根系表面的微生物活动，为促进气候适宜作物的发展提供了多种策略。

在植物领域，要实现从基因操纵到基因工程的飞跃，就必须了解内源调控机制，并建立精确的分子工具，以跨时间、空间和幅度调节基因表达。开发这种对基因调控的控制能力将释放农作物的潜力，使其在极端天气下更具复原力，并重新平衡大气与全球土壤（主要的陆地碳储存库和植物生长介质）之间的碳比例。

然而，由于缺乏能够可靠、可预测地改变植物结构和功能的先进基因工具，这一创新领域的进展受到了阻碍。相比之下，细菌工程则得益于一整套特性良好的设计和基因操作工具。天然分离的根系定植细菌，即根瘤菌，可以通过合成植物激素影响寄主植物的免疫力和生长发育，并提供病原体生物防治和养分合成/溶解等关键服务。这些特性可以通过合成生物学方法进行转移、定制和增强，从而创造出新型菌株，用于提高作物抗逆性和土壤碳储存。

根系是与土壤接触的主要生物界面，因此是固存大气碳和增强作物抗逆性的明确工程目标。根系的功能受以下因素制约：根系分支的结构布局决定了对土壤的探索程度、表达运输体以促进养分和水分吸收的组织类型以及介导与土壤微生物相互作用的复杂代谢物环境。非生物和生物触发因素对发育和生理反应的综合作用使根系功能具有可塑性，这种可塑性可表现为不同植物的不同拓扑结构、生化活性和微生物特征，从而使每个根系都独一无二。合成生物学提供了一种潜在的强大方法，通过建立体内模型来严格探索决定根系结构和功能的不同过程，从而解开并优化这些关系。

虽然我们可能不知道修改控制根系结构、根际沉积和根与微生物相互作用的基因调控网络的所有后果，但设计对这些过程的控制是重要的第一步。本文首先介绍了植物遗传工具和可调性状，用于设计具有改良形态、功能和根际相互作用的根。在此基础上，讨论了气候变化条件下根瘤菌的工程改造过程及其在作物生产中的作用。从这一探索中，我们提供了合成生物学方法可以应用于植物根系和微生物组工程以提高作物抗逆性和可持续性的整体描述。

图1 | 根中控制组织特异性基因表达的双输入逻辑门。原生启动子如a SMB启动子和b PIN4启动子可用于驱动基因的组织特异性表达。通过将这些启动子与合成激活子和抑制子相结合，Brophy等人生成了可以执行布尔逻辑运算的电路，创造了自然界中没有发现的新的基因表达模式。c. 在NOR门中，GFP仅在PIN4和SMB启动子均不活跃的组织中表达。d. 在NIMPLY 门中，GFP只在SMB活跃的地方表达，而PIN4不表达。

图2| 通过缓冲门和基于重组的电路控制表达。成功的植物形态工程将需要对基因表达的精细控制，无论是在量级上还是在空间模式上。a.实现缓冲门的电路调节slr-1的表达(抑制侧根形成)，使Brophy等人能够控制侧根形成的数量。b. Guiziou等人利用丝氨酸整合酶创建了一个电路，当整合酶被表达时，该电路永久地改变其输出，从而创建了一种记录过去基因活动的细胞记忆形式。

图3 | 通过根系和微生物工程对根际进行调节。未来的气候条件将加剧非生物（盐、干旱等）和生物（病原体和害虫）等因素对作物产量产生负面影响。通过合成生物学，可以改变根的形态、功能和微生物的相互作用，从而创造出更好地适应这些更具挑战性条件的新作物。a. 通过改变分支速率和重力设定点角度可以重建根系结构，从而改善根系摄取水和养分。调节软木脂沉积可以限制有毒钠和金属离子的吸收，同时使根系免受养分损失。每个面板代表一个工程的特征。虚线左边是减少目标性状的根。虚线右边代表一个增加的目标特性。b. 主根尖和侧根尖是植物通过根沉积过程改变当地土壤环境的主要界面，进而改变其微生物组的组成。控制根冠脱落和粘液释放可以提高根系对土壤的渗透能力和抗旱性。这些特征以及某些糖和其他代谢物的释放，也是控制根微生物组组成的有吸引力的工程目标。虚线左侧是野生型根系。虚线右侧为工程根系。c. 植物根系微生物群扩展了植物可用的遗传库，为其宿主提供了过多的有益功能。细菌的代谢灵活性有助于设计多种执行器，用于提高植物对生物和非生物因素的抗逆性，营养获取和碳固存。

展望

虽然合成生物学方法应用于植物方面的最新进展为未来的研究奠定了工具基础，但仍有几个领域存在实质性的进展瓶颈。让作物适应基因改造是具有挑战性的，因为很少有特征的组织特异性或环境特异性启动子被直接测试。虽然单细胞转录组学和评估染色质可及性的方法在任何物种的基因组测序中都很容易应用，但测试来源启动子的活性仍然需要转基因植物的生产，这减慢了基因回路（电路）设计的初始阶段。毛状根转化系统在这方面可能是有用的。

然而，这些系统的生理相关性在某些情况下可能有明显的局限性。在烟草（Nicotiana benthamiana）中，瞬态转化是一种有效的电路原型设计方法，但由于系统发育距离的关系，这种方法在设计单胞体时可能效用有限。在烟草中使用瞬时转染试验可能会促进这种可转移性差距。除了对单个生物体进行工程改造外，对植物-微生物相互作用进行工程改造将受益于快速基因表达系统的发展，该系统有助于对植物和微生物进行基因操作。

N. benthamiana已经成为研究植物-病原体相互作用的有用系统，探索与共生或共生植物-微生物相互作用相关的分子途径是否可以在瞬时转化的叶组织中建模和设计将是有趣的。丛枝菌根真菌（AMF）是另一个有希望的基因工程目标，因为它们与大多数作物植物形成共生关系。AMF的稳定遗传转化尚未被证实，但一旦这个障碍被克服，在其他真菌门中测试的遗传部分和基因回路可能被移植到AMF中立即使用，为改善农业打开新化学的宝库。目前，转基因微生物在该领域的应用是不被允许的，需要做出重大努力来建立一个监管框架，既允许创新，又保护环境和自然生物多样性。

尽管目前存在这些限制，但植物合成生物学的新工具使研究人员能够对基因表达进行精细的空间和幅度控制，从而可预测地改变植物的形态和功能。随着我们的理解不断加深，我们可能很快就会看到第一个设计根系和微生物群，它们既能通过增强抗逆性来应对气候变化，又能通过增加土壤碳固存来对抗气候变化，实现面对气候变化的可持续农业。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45272-

-----

译者/月月鸟

审核/莫十二

编辑/莫十二

关注狗头造物，阅读有趣科普