新的植物基因工程有望顯著改善生物燃料和生物產品的開發

植物基因工程的能力在很大程度上得益於一種微觀助手：一種名為根瘤農桿菌（Agrobacterium tumefaciens）的細菌。根瘤農桿菌在野外會引起開花植物的損害性腫瘤，包括一些經濟重要的作物，但它將自身DNA插入宿主植物的能力使其對農民來說既是害蟲，又是生物技術的強大工具。

來自洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的一組科學家的新研究顯示，對根瘤農桿菌進行一些簡單的改變可以顯著提高將DNA引入基因組的效率，這一過程稱為“轉化”。這項工作為更有效地優化作物植物和真菌以轉換為生物燃料和生物產品開闢了新機會。

這項研究於本週發表在《自然生物技術》(Nature Biotechnology)上，由聯合生物能源研究所（Joint BioEnergy Institute, JBEI）食品原料部副總裁及植物生物系統設計主管帕特里克·施希（Patrick Shih）領導，該所是由伯克利實驗室主導的美國能源部生物能源研究中心。施希同時擔任加州大學伯克利分校創新基因組學研究所（Innovative Genomics Institute，IGI）的研究員。

“目前的植物轉化方法效率較低，成為推動開發不來自石油的生物基燃料和材料的一個重大瓶頸，”施希說，他同時也是伯克利實驗室環境基因組學與系統生物學部門的教授科學家。

“通過我們的研究，我們提高了將DNA引入植物基因組的能力，”施希表示。“通過更有效地轉化植物和真菌，我們可以提高生產生物燃料和生物產品的能力。”

這一里程碑是伯克利實驗室更大努力的一部分，旨在利用微生物和植物的力量，創造新的生物基產品、材料和燃料，同時減少對塑料和化石燃料的依賴。

優化一個用了40年的技術

根瘤農桿菌介導的轉化過程（Agrobacterium-mediated transformation，簡稱AMT）在近幾十年來，已成為植物和真菌生物技術中日益廣泛使用的工具。

“從高層次來看，AMT只是一種將DNA插入目標細胞的工具，”首席作者、加州大學伯克利分校

研究生馬修·薩爾扎諾維茨（Matthew Szarzanowicz）解釋道。“在自然界中，它是一種植物病原體，能將一小段自己的DNA插入植物中，導致腫瘤的形成，腫瘤中藏有細菌。”

研究人員在1980年代共用並簡化了這一系統，使植物生物學家能夠將DNA引入植物基因組。更複雜的細菌系統被簡化為一種小型環狀質粒，稱為“二元載體”（binary vector），經過工程設計以容納所需的DNA並將其攜帶進入植物細胞。

在過去幾十年中，執行AMT的植物科學家對二元載體本身的結構並未深入思考：他們使用過去其他實驗室使用的載體，添加自己的DNA，然後祈求成功。對二元載體的骨架序列關注相對較少。

“我們想問的是：這是一個優化的系統嗎？”薩爾扎諾維茨說。“我們強烈地感覺到答案是否定的，因為過去從未有過對其進行實際工程設計的嘗試，以使其對AMT更為優化。”

植物轉化的局限性

“其中一個問題是，大多數植物實際上不能被根瘤農桿菌轉化，因此存在多樣性問題，”施希說。“但即使對於那些可以轉化的植物，其轉化效果的範圍也可能非常寬廣。”

對於生物技術來說，效率至關重要。進行植物轉化需要耗費大量時間、資源和成本。失敗的次數越少，進行大規模轉化的時間和成本就會變得越快和更便宜。

IGI和JBEI的研究人員特別對作物高粱感興趣，因為其可能在生產先進生物燃料和生物產品，以及大氣碳去除方面的應用。但是高粱並不總是配合。

“我們可以用根瘤農桿菌進行轉化，但這需要很多金錢和時間，”施希解釋說。“但如果你能增加並加快轉化植物的過程，並且從一次目標射擊中獲得更多事件，那就能節省大量時間和金錢。”

更多副本，更多成功

二元載體的骨架序列包含一個已知的複製起始點區域，這是DNA複製開始的地方——對於質粒自我複製至關重要。該區域還控制質粒的複製數量，可以從僅一份副本到幾百份不等。之前的文獻建議，較高的複製數量可能會導致更高效的轉化。團隊著手研究是否可以通過設計具有更高複製數量的質粒來控制這一點。

為了測試這一點，團隊考察了在AMT中使用的四種不同的複製起始點，設計隨機突變體，並使用了一種定向進化測試，讓他們選擇出具有更高複製數量的個體。

“然後我們回去找到了所有這些突變，並顯示出有一堆突變確實增加了複製數量。然後我們將這些質粒用於由細菌用來將DNA注入植物基因組的二元載體，”施希說。

通過提高複製數量，團隊確認他們能夠提高轉化的效率，結果甚至比他們預期的更為驚人。他們能夠使植物轉化效率提高多達100%，而在真菌中則提高了多達400%，這一切都是通過在複製起始點添加簡單的點突變來實現的。

除了提高植物科學家將基因插入植物的能力外，這一發現對於植物中的CRISPR基因編輯也具有重要意義。

“植物和真菌中的一個大問題是CRISPR試劑的傳遞，”施希解釋道。“你引入CRISPR-Cas9，進行編輯後又去除它，因此它是非轉基因的，但你仍然必須能夠將其傳遞到細胞內。大多數時候，我們用根瘤農桿菌來做到這點，所以問題是，我們如何更有效地將Cas9試劑傳遞過去以進行編輯？”

施希和薩爾扎諾維茲希望這項工作能帶來更精細的轉化控制，緩解植物和真菌工程中的一個主要瓶頸。

“希望植物科學家看到這一點後會想，也許在優化這些系統時，我們應該考慮更多，我們也許可以利用這個工具集開始在其他物種中進行試驗，看什麼效果最好，”薩爾扎諾維茲說。

施希對這種方法將如何影響真菌應用以及植物變得非常感興趣。

“根瘤農桿菌並未進化出來以轉化真菌，但這是可能的，因此我們可以改善這一過程，”施希表示。“現在我們有了這個框架，可以嘗試更好地轉化許多與各行各業息息相關的真菌，從製藥公司到製造真菌生物材料的公司。”

這項研究得到了美國能源部科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。