科技日報記者?張夢然

美國斯坦 福大學研究人員正在研究操縱植物生物過程的方法，以幫助它們在各種條件下更有效地生長。他們設計了一系列合成遺傳回路，能控制不同類型植物細胞的生長。在 最近發表于《科學》雜志的一篇論文中，介紹了他們用這些工具來種植具有改良根結構的植物。這些方法有助于設計出能更好地從土壤中收集水分和養分的作物，并 為設計、測試和改進植物中其他功能的遺傳回路提供了框架。

合成遺傳回路旨在重新連接植物根系中基因表達，可用于改變它們的生長方式。
圖片來源：詹妮弗·布羅菲/《科學》在線版

全球糧食生產日益受到氣候變化的影響，隨著洪水、干旱和極端熱浪越來越普遍，作物需要能更快地適應變化的環境。

為了實現對植物行為的精細控制，研究團隊構建了合成DNA。該DNA像計算機代碼一樣工作，具有指導決策過程的邏輯門。在這種情況下，他們使用這些邏輯門來指定某些細胞表達某些基因，從而使在不改變植物其余部分的情況下調整根系中的分支數量。

植物根系的深度和形狀會影響它從土壤中提取不同資源的效率。例如，具有許多分枝的淺根系更善于吸收磷（停留在地表附近），而在底部分枝的較深根系更善于收 集水和氮。使用這些合成遺傳回路，研究人員可設計、種植并測試各種根系，從而為不同的環境創造出最有效的作物。在未來，還能賦予植物自我優化的能力。

研究人員設計了1000多個潛在回路，以操縱植物中的基因表達。他們發現了188種有效設計，正在將這些設計上傳到合成DNA數據庫，供其他科學家使用。

研究人員在煙草植物的葉子中測試了一種回路，觀察能否讓葉細胞產生一種在水母中發現的發光蛋白質。此外，他們還使用其中一種回路來創建邏輯門，該邏輯門能在精確定義的擬南芥根細胞中修改特定發育基因的表達。實驗證明，該回路可改變擬南芥根系的生長結構。

研究人員稱，氣候變化正在改變植物生長的環境，而種植是人類獲取食物、燃料、纖維和藥物原材料的基本途徑。這項工作旨在幫助人類在環境條件變得不利時，也擁有可種植的品種。