植物基因調控的路線圖

美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員首次開發出一種基因組規模的方法，以繪製轉錄因子的調控角色。轉錄因子是參與基因表達並決定植物生理性狀的關鍵蛋白質。他們的研究揭示了前所未有的基因調控網絡見解，並識別出了一個新型的DNA部件庫，可用於優化植物的基因工程工作。

這項研究的進展對於理解植物如何調節其基因活動具有重要意義，並為未來的基因編輯和植物育種提供了寶貴的工具。通過建立更全面的基因調控圖譜，科學家們可以更好地設計和調整遺傳改良策略，以應對全球農業挑戰，包括提高作物產量、改善抗逆性能和適應氣候變化等。

這一開創性的工作不僅將推動植物科學的進步，還可能在其他生物技術應用中為創新提供支持，從而促進可持續農業的未來發展。

“轉錄因子調節著植物的生長方式、果實產量以及根部構架等多方面的特徵，”該研究的主要作者、能源部聯合生物能源研究所（JBEI）的研究助理Niklas Hummel表示，該所由伯克利實驗室管理。“通過解碼它們的調控角色，我們可以識別出新策略，來培育更具耐旱能力的生物能源作物及其他具有改進農藝特徵的植物。”

Hummel和研究的資深作者、伯克利實驗室生物科學區的研究科學家及JBEI植物生物系統設計主任Patrick Shih著手開發一種方法，能夠同時對大量的轉錄因子進行特徵化。雖然目前已有針對其他模型生物（如動物、昆蟲和真菌）的方法，但由於植物的複雜性和細胞壁的存在，將其應用於植物上一直存在挑戰。

“到目前為止，這類研究在人類植物上大多是零散進行的，我們只能理解特定轉錄因子的功能，因為某一研究團隊已經專注於它多年，”Shih說，他同時也是創新基因組學研究所的研究者。“所以，我們試圖做的就是提出一種方法，能夠同時繪製出數百個這些轉錄因子在植物中的活動。”

為了解決這一挑戰，Hummel和Shih採用了他們之前為建立植物合成生物學工具開發的瞬時表達系統。在此，他們利用該系統平行特徵化煙草植物（Nicotiana benthamiana）中超過400個轉錄效應域的網絡，這在植物合成生物學中尚未實現過的壯舉。

這項研究的成功不僅有助於理解植物基因調控的複雜性，還可為改進作物培育方法提供新的視角，特別是在面對氣候變化和食物安全挑戰的背景下。

隨後，他們進行了詳細的文獻回顧，以試圖將他們大量識別出的轉錄因子的功能與先前針對其網絡中單個轉錄因子的工作匹配起來。

“我們能夠表明，這是人們在單獨研究轉錄因子在基因表達中所扮演的角色時所觀察到的，我們在平行研究中也看到這一點，”Shih說。“實際上，它們之間的對應非常良好。這使我們對能夠將我們的數據集整合到基因調控網絡中以識別重要植物特徵的關鍵轉錄因子充滿信心。”

該研究的一個意外發現是，在遙遠相關的真核生物之間發現了類似的轉錄調控機制。通過檢查植物和酵母中的轉錄因子調控功能，研究人員發現共享的功能，突顯了基因調控中深度保守機制的存在。

“我們意外地發現，許多轉錄因子調控域在植物和酵母中功能相同，”Hummel表示。“然後，我們進一步展示了如何利用在酵母數據集上訓練的機器學習算法來識別植物中的調控域。”

這項研究的發現對農業和可持續性具有重要意義。轉錄因子在決定植物重要特徵中發揮著關鍵作用，因此理解它們的工作原理將幫助科學家們制定改進農業實踐和應對環境挑戰的策略。這項研究不僅有助於提升作物產量與品質，還能促進可持續農業的發展，應對全球糧食安全的需求。

展望未來，研究人員計劃擴展他們的方法，研究阿拉伯芥（Arabidopsis）中的所有轉錄因子，這是一種廣泛研究的模型植物物種。這將進一步加速對植物特定基因調控的理解，並促進植物生物學領域的進步。

“我們對植物的工程和改造能力取決於我們對各種性狀如何受到調控的基本理解，”Shih表示。“通過理解關鍵轉錄因子如何作為感興趣性狀的主要調控因子，我們能夠識別改進與生物能源相關的性狀的新策略。”

這一研究方向不僅有助於增強對植物基因調控的知識，還將支持生物能源的可持續發展，從而應對日益增長的能源需求與環境挑戰。隨著對阿拉伯芥及其他植物模型的深入研究，科學家們將能夠開發出更高效的作物改良技術，推動農業生產和環境保護的融合。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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