科技日報記者 張夢然

美國科羅拉多州立大學(xué)團(tuán)隊成功合成出一種“基因開關(guān)”，首次實現(xiàn)了靈活地開啟或關(guān)閉成熟植物中的關(guān)鍵遺傳特性。該成果發(fā)表在最新美國化學(xué)會旗下的《ACS合成生物學(xué)》雜志上，為未來按需設(shè)計的智能農(nóng)業(yè)打下基礎(chǔ)。

這項研究由跨學(xué)科團(tuán)隊完成，是合成生物學(xué)領(lǐng)域具有里程碑意義的重要進(jìn)展。團(tuán)隊通過設(shè)計和構(gòu)建新的DNA片段，并將其植入生物體內(nèi)，使生物體具備類似電子電路的功能。這種“基因開關(guān)”就像控制電燈開關(guān)一樣，在外部信號的作用下，可以精確地打開或關(guān)閉特定基因的表達(dá)。

在此之前，類似的基因調(diào)控技術(shù)僅限于在細(xì)菌等單細(xì)胞生物中實現(xiàn)，而在復(fù)雜的多細(xì)胞植物中應(yīng)用這一技術(shù)，則面臨更大挑戰(zhàn)。因為植物不僅具有根、莖、葉等不同組織結(jié)構(gòu)，還包含不同的營養(yǎng)和生殖器官，發(fā)育過程更加復(fù)雜。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊首先合成了相關(guān)的植物DNA片段，并圍繞其中兩個關(guān)鍵基因構(gòu)建了一個潛在的遺傳“切換系統(tǒng)”。他們結(jié)合數(shù)學(xué)建模方法，在計算機(jī)中模擬多種可能的組合，篩選出最有效的設(shè)計方案。隨后，研究人員將選定的DNA序列導(dǎo)入植物體內(nèi)，并在12天內(nèi)持續(xù)監(jiān)測其變化，以定量評估基因表達(dá)的調(diào)控效果。

該研究首次實現(xiàn)了對植物基因功能的可預(yù)測、可編程調(diào)控，為未來按需設(shè)計植物功能提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。其帶來的“基因電路”不僅可以調(diào)控植物生命周期中不同階段的芽和細(xì)胞活動，還可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、材料科學(xué)等多個領(lǐng)域。例如，農(nóng)民可通過激活特定開關(guān)來增強(qiáng)作物的抗旱能力；或者利用該技術(shù)調(diào)控南瓜等作物的生長周期，使其提前發(fā)育并保持良好的產(chǎn)量和營養(yǎng)價值。此外，未來有望借助機(jī)器學(xué)習(xí)手段進(jìn)一步優(yōu)化基因電路的設(shè)計流程，實現(xiàn)自動化操作，從而加快整個研發(fā)進(jìn)程。

這項突破性技術(shù)將有助于提升糧食安全，也為環(huán)境修復(fù)、可持續(xù)材料開發(fā)等領(lǐng)域帶來了全新可能，是實現(xiàn)植物“編程化”改造的重要一步。

總編輯圈點(diǎn)

科學(xué)家給植物裝上了“智能開關(guān)”，能隨時開啟或關(guān)閉植物的特定功能基因，實現(xiàn)對植物的可預(yù)測和可編程調(diào)控。植物發(fā)育過程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)更加多樣，科研人員結(jié)合數(shù)學(xué)和計算機(jī)等跨學(xué)科方法，為它構(gòu)建了不同基因的切換系統(tǒng)。植入新的DNA片段，就如同給植物植入一套電路系統(tǒng)，能調(diào)控它的生長發(fā)育。以前的農(nóng)民“靠天吃飯”，現(xiàn)在我們能讓農(nóng)作物適應(yīng)天氣。從篩選植物到改造植物再到編程植物，技術(shù)進(jìn)步為應(yīng)對可能的糧食危機(jī)提供了應(yīng)對方案。