强启动子等基因工具对植物生物技术的推动起到了至关重要的作用，然而，在植物整个生命周期中连续的过表达一个基因可能不利于其生长。植物内在的基因调控系统可以整合多种信号来激活或抑制转录，但目前很少有工具能够对植物的转基因进行复杂的时空调控。合成基因回路把基因重组技术结合到细胞生命过程中来，用合成生物技术指导细胞行为的产生。细胞在生物体内能够处理它自己内部和外部的信息，并且能与周围环境相互交互，能够打破植物生物技术的限制。理想情况下，基因回路可以接收多个输入信号，并将它们整合到一个基因处理单元中，以用户自定义的方式控制输出基因的表达。近日，澳大利亚植物能量生物学卓越研究委员会中心在国际知名期刊Nature Biotechnology上在线发表了题为“Synthetic memory circuits for stable cell reprogramming in plants”的研究论文，该论文提出了一套用于植物的功能性重组基因回路。

作者建立了一系列与植物细胞功能兼容的关键基因回路元件，为了创建具有识别功能的重组基因回路，需要抑制输出基因表达直到激活，当侧翼有重组位点时，重组酶表达时可去除终止子，在拟南芥的根谱系追踪过程中，已有多种植物终止因子被用于阻断重组酶活性。因此，作者利用高通量双荧光素酶分析来测量转染到拟南芥叶肉原生质体的构建物的输出，证明了基于重组的基因回路所需的所有基本组件的建立:一个强终止子(OCS)来抑制输出基因的表达，能够驱动重组酶的表达来激活回路(TCTP1和HSP18.2)，以及利用Flp重组酶及其FRT重组位点的有效重组活性。

接下来，作者利用重组酶和植物控制元件，激活转基因的YES，OR，AND逻辑闸，抑制NOT、NOR、NAND逻辑闸，除此之外，作者还实现了A NIMPLY B逻辑闸，它结合了激活和抑制。

总之，作者开发并实现了一系列基于重组的基因回路和逻辑闸，在拟南芥原生质体和转基因植物中显示了强大的功能。作者直接设计一整株植物的基因回路，并利用内源信号(根皮层细胞类型)和外源信号(化学激活)来诱导回路输出。这样的基因回路需要进一步发展，以促进转基因作物更复杂性状的发展，并帮助克服气候变化、新病原体菌株以及田间和受控环境中对食物需求增加的挑战。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-022-01383-2

转自：植物科学最前沿

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