优化根际细菌遗传回路设计以实现农业可持续性

促进植物根系与其外部环境之间的相互作用是应对各种迫在眉睫的粮食、能源和可持续性相关挑战的关键。例如，具有改良根系结构的植物可以降低大气中的二氧化碳含量，甚至可以提高作物产量以维持不断增长的人口。

一种方法是在植物细胞内构建“遗传回路”。遗传回路是编码RNA或蛋白质的生物成分的集合，它允许单个细胞执行特定功能。在植物细胞内，它可能会感知环境条件、解释线索并展示所需的表型。然而，在植物中设计这些电路仍然是一个挑战。

虽然需要更多的研究来设计基于植物的电路，但细菌电路已经取得了巨大的进步。有几个组件可用于设计细菌电路，然后用于促进复杂的细胞功能。这种设计延伸到植物根部，这是植物与细菌相互作用的关键部位。根际细菌——寄生在植物根部的自由生活细菌——显着影响植物健康、养分吸收和土壤化学。因此，他们的遗传电路设计可用于改造具有理想品质的植物。

为此，包括JoséR.Dinneny教授和他来自斯坦福大学的博士后ChristopherM.Dundas博士在内的一组研究人员回顾了设计根际细菌回路的遗传成分和最佳实践。他们的发现发表在BioDesignResearch上，主要关注用于调节植物微生物组过程的传感器、执行器和底盘物种。

“了解设计基因回路的方法可以帮助科学家以有效的方式设计植物-根际相互作用，”Dundas博士在讨论这篇评论背后的动机时说。

首先，该团队探索了可以促进根际细菌基因回路成功构建的工具。特别是，生物信息学工具、正交基因表达机制和基因组挖掘正被用于预测功能启动子序列和核糖体结合位点(RBS)序列，以设计根瘤菌的转录和翻译。

下一代基因组工程工具也被用于减少根际细菌对宿主复制机制和选择的依赖。此外，已经开发了几个工具包来构建根际细菌转化所需的广泛宿主范围的质粒。

接下来，该团队讨论了“根际细菌底盘”，它有助于根部组织的有效定植，进而使电路发挥最佳功能。通过靶向调节根瘤菌定植相关性状的某些基因，例如趋化性、根系附着、定植程度、生物膜形成和躲避植物免疫系统的能力，可以创建一个理想的底盘。

此外，选择合适的根际细菌物种是必要的，以避免与根部细菌过度生长相关的不良影响。

根际细菌经常接触到的植物根系分泌物是追踪植物健康的有吸引力的传感目标。这篇文章阐明了糖、氮化合物、次级代谢物和植物激素等小分子响应转录调节剂在植物健康生物传感器或传感器电路开发中的首选优势。

反过来，传感器电路有助于驱动多个基因和下游通路的表达。

最后，本文概述了“根际细菌致动器”或驱动定殖植物中所需表型的致动器电路。可以通过微调生物合成基因表达来改进致动器设计，这反过来又可以改善养分吸收、生物/非生物胁迫耐受性和植物的生长。

“我们提出的策略可以帮助重新连接遗传电路，通过设计-构建-测试-学习循环改善植物健康和生产力。随着新技术的出现，看到不同的细菌研究领域如何与根际细菌传感器相交将令人兴奋和执行器，”Dundas博士评论道。

这些发现如何使相关的新兴技术受益?“材料科学与合成生物学的交叉点正在获得很大的吸引力。我们的发现包含对功能化活体材料开发的有用见解，这些材料可用于在植物根系中进行各种应用，”Dundas博士回应道。.

尽管根际细菌基因回路具有重塑农业可持续性的巨大潜力，但解决围绕该技术的技术、监管和伦理限制至关重要。此外，还需要探索它们在不同气候条件下的部署。尽管如此，研究人员对扩展这些电路以应对全球粮食安全和可持续性挑战持乐观态度。