史丹佛大學Stanford University的遺傳學家找出了一個方法,當植物的根在生長與分枝時,小心地控制它們的結構。

重新編輯作物

藉由操控蓬勃發展的根部系統的深度與形狀,研究人員希望,他們有一天可以重新編輯作物,讓它們對氣候變遷更有彈性。

比方說,一個較淺的根部系統,可以幫助作物作物更佳地吸收靠近表面的磷;而對一個較深的根部系統而言,它們可以更佳地收集水與氮。

史丹佛大學的生物工程學家珍妮佛·布洛菲(Jennifer Brophy)博士後研究員說:「我們的合成遺傳線路,將能夠讓我們打造非常特定的根部系統、或是非常特定的葉片結構。這讓我們能夠觀察,在已知要到來的艱難環境條件下,什麼是最佳的結構。我們在讓植物的基因工程更加精確。」

布洛菲博士後與她的同事為了達成如此高的精確度而使用的遺傳技術,可能有望讓植物比它們本身更快速地適應環境、並且能夠更精確地培育出想要的特徵。

合成遺傳線路

藉由使用菸草植物的細胞,研究人員創造了一個合成遺傳線路,可以控制基因表現,並展示說要如何在另一種植物當中運作。

你可以想像說,這個遺傳線路很像帶有邏輯閘的電腦代碼。只有正確的輸入值可以進到閘當中,然後產生輸出。這些生物線路也很類似於具有開關的電路,就像提供你手機電力的那種。

在細胞當中,這些最終會導致遺傳表現的閘,只能由合成的轉錄「啟動子」(promoters)來打開,而這些啟動子是特定於某些植物組織的。這指的是說,研究人員有潛力控制植物中的哪種細胞表現哪種基因,來改變植物如何地生長。

當對與側根發育相關的單一基因,創造一系列合成邏輯閘時,研究人員能夠操縱阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)、一種小型雜草植物的生長。

藉由改變那麼一個基因的表現,研究人員改變了植物根部系統的分支密度,而沒有改變其他根部性質。這是一個很大的成就,因為先前的另一個研究顯示說,在那麼一個根部發展基因上所發生的小小變化,可能會影響各種根部性質,包括根毛發育或是初生根的生長。

研究人員寫到:「為了將根部分支從其他發展過程中解開,我們使用一種特定於組織的、只有在側根幹細胞上的啟動子,來表現 slr-1 突變基因。」

未來發展目標

接下來,研究作者計畫要在高粱(sorghum)、一種顯示出有望成為生物燃料的獨特作物上,來測試他們重新編輯過的遺傳線路。研究團隊希望改善高粱吸水的能力、並且更有效率地進行光合作用。

如果這項遺傳技術結果是有效的,那麼其可能性就是無極限的。然而,使用合成遺傳線路來重新編輯作物會需要小心的調整。

史丹佛大學的植物生物學家荷西·狄因內尼教授說:「我們有些作物的當代品種,已經對土壤養分在哪裡這件事,失去了回應的能力。控制根部分支的同種邏輯閘可以被用來,比方說,創造一個線路,來將土壤中的氮與磷濃度都列入考慮,然後產生出最適合這些條件的輸出。」

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參考資料:

  1. Cassella, C., (2022, August 22). Reprogrammable ‘Genetic Circuits’ May Eventually Help Plants Adapt to Climate Change. ScienceAlert
  2. Brophy, J. A. N. et al., (2022, August 11). Synthetic genetic circuits as a means of reprogramming plant roots. Science. DOI: 10.1126/science.abo4326
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/reprogrammable-genetic-circuits-may-eventually-help-plants-adapt-to-climate-change(圖:Yuji Sakai/Getty Images)
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