合成遗传回路助植物适应气候变化

美国斯坦福大学研究人员正在研究操纵植物生物过程的方法，以帮助它们在各种条件下更有效地生长。他们设计了一系列合成遗传回路，能控制不同类型植物细胞的生长。在最近发表于《科学》杂志的一篇论文中，介绍了他们用这些工具来种植具有改良根结构的植物。这些方法有助于设计出能更好地从土壤中收集水分和养分的作物，并为设计、测试和改进植物中其他功能的遗传回路提供了框架。

全球粮食生产日益受到气候变化的影响，随着洪水、干旱和极端热浪越来越普遍，作物需要能更快地适应变化的环境。

为了实现对植物行为的精细控制，研究团队构建了合成DNA。该DNA像计算机代码一样工作，具有指导决策过程的逻辑门。在这种情况下，他们使用这些逻辑门来指定某些细胞表达某些基因，从而使在不改变植物其余部分的情况下调整根系中的分支数量。

植物根系的深度和形状会影响它从土壤中提取不同资源的效率。例如，具有许多分枝的浅根系更善于吸收磷（停留在地表附近），而在底部分枝的较深根系更善于收集水和氮。使用这些合成遗传回路，研究人员可设计、种植并测试各种根系，从而为不同的环境创造出最有效的作物。在未来，还能赋予植物自我优化的能力。

研究人员设计了1000多个潜在回路，以操纵植物中的基因表达。他们发现了188种有效设计，正在将这些设计上传到合成DNA数据库，供其他科学家使用。

研究人员在烟草植物的叶子中测试了一种回路，观察能否让叶细胞产生一种在水母中发现的发光蛋白质。此外，他们还使用其中一种回路来创建逻辑门，该逻辑门能在精确定义的拟南芥根细胞中修改特定发育基因的表达。实验证明，该回路可改变拟南芥根系的生长结构。

研究人员称，气候变化正在改变植物生长的环境，而种植是人类获取食物、燃料、纤维和药物原材料的基本途径。这项工作旨在帮助人类在环境条件变得恶劣时，也拥有可种植的品种。