植物基因調(diào)控路線圖

能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的研究人員首次開發(fā)出一種基因組規(guī)模的方法來繪制轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)錄因子是在基因表達和確定植物生理特性中起關(guān)鍵作用的蛋白質(zhì).他們的工作揭示了對基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的前所未有的洞察力，并確定了一個新的DNA部分庫，可用于優(yōu)化植物的基因工程工作。

“轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)植物的生長方式、它們產(chǎn)生的果實數(shù)量以及它們的根結(jié)構(gòu)是什么樣子，”細胞系統(tǒng)雜志上一項研究的主要作者和該部門的研究助理NiklasHummel說。Energy的聯(lián)合生物能源研究所(JBEI)，由伯克利實驗室管理。“通過破譯它們的調(diào)節(jié)作用，我們可以確定新的策略來設(shè)計更耐旱的生物能源作物和其他具有改良農(nóng)藝性狀的植物。”

Hummel和該研究的資深作者PatrickShih(伯克利實驗室生物科學(xué)領(lǐng)域的教職科學(xué)家和JBEI植物生物系統(tǒng)設(shè)計主任)著手開發(fā)一種同時表征植物中大量轉(zhuǎn)錄因子的方法。雖然存在其他模式生物(例如動物、昆蟲和真菌)可以做到這一點的方法，但由于它們的復(fù)雜性和細胞壁的破壞性存在，將它們應(yīng)用于植物一直具有挑戰(zhàn)性。

“迄今為止，這類研究實際上是在植物中零星進行的，我們只了解特定轉(zhuǎn)錄因子的功能，因為一組研究人員多年來一直專注于它，”施說，他也是該研究所的一名研究員創(chuàng)新基因組學(xué)研究所。“所以，我們試圖做的是想出一種方法來同時繪制植物中數(shù)百種這些轉(zhuǎn)錄因子的活性。”

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，Hummel和Shih采用了他們之前開發(fā)的用于在植物中構(gòu)建合成生物學(xué)工具的瞬時表達系統(tǒng)。在這里，他們使用該系統(tǒng)并行表征煙草植物本塞姆氏煙草中400多個轉(zhuǎn)錄效應(yīng)域的網(wǎng)絡(luò)，這是植物合成生物學(xué)中前所未有的壯舉。

然后，他們進行了廣泛的文獻回顧，試圖將他們大量識別的轉(zhuǎn)錄因子的功能與之前識別網(wǎng)絡(luò)中單個轉(zhuǎn)錄因子功能的工作相匹配。

“我們能夠證明這是人們在單獨研究轉(zhuǎn)錄因子在基因表達中的作用時所看到的，這也是我們在平行研究它們時所看到的，”Shih說。“它實際上最終對齊得很好。這讓我們相信我們可以將我們的數(shù)據(jù)集整合到基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，以確定工程重要植物性狀的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。”

高粱是JBEI的目標(biāo)生物能源作物之一。圖片來源：MarilynSargent/伯克利實驗室

該研究的一個令人驚訝的方面是發(fā)現(xiàn)了遠緣真核生物之間相似的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制。通過檢查植物和酵母中轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的功能，研究人員發(fā)現(xiàn)了共同的功能，突出了基因調(diào)控的深度保守機制的存在。

“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)許多轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控域在植物和酵母中的功能相同，”Hummel說。“然后我們對此進行了擴展，以證明在酵母數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的機器學(xué)習(xí)算法如何用于識別植物中的調(diào)控域。”

該研究的結(jié)果對農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。轉(zhuǎn)錄因子在決定植物的重要性狀方面起著至關(guān)重要的作用，因此了解它們的工作原理將有助于科學(xué)家制定改進農(nóng)業(yè)實踐和應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)的策略。

展望未來，研究人員的目標(biāo)是擴大他們研究擬南芥中所有轉(zhuǎn)錄因子的方法，擬南芥是一種廣泛研究的模式植物物種。這將進一步加速對植物特異性基因調(diào)控的理解，并促進植物生物學(xué)領(lǐng)域的進步。

“我們設(shè)計和改造植物的能力取決于我們對各種性狀如何受到調(diào)節(jié)的基本理解，”Shih說。“通過了解關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子如何成為感興趣特征的主要調(diào)節(jié)因子，我們可以確定改善生物能源相關(guān)特征的新策略。”

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