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(fā)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(yǎng)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。
全球糧食生產(chǎn)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(huán)境。
為了實現(xiàn)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(diào)整根系中的分支數(shù)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(huán)境創(chuàng)造出最有效的作物。在未來，還能賦予植物自我優(yōu)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(fā)現(xiàn)了188種有效設計，正在將這些設計上傳到合成DNA數(shù)據(jù)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(chǎn)生一種在水母中發(fā)現(xiàn)的發(fā)光蛋白質(zhì)。此外，他們還使用其中一種回路來創(chuàng)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(fā)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(huán)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(huán)境條件變得惡劣時，也擁有可種植的品種。
總編輯圈點
新冠疫情對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的沖擊，疊加氣候變化對糧食作物的影響，多重因素使糧食安全問題再次成為全球重要議題。解決糧食安全問題，一方面要從保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、暢通糧食運輸?shù)拳h(huán)節(jié)入手;另一方面，也要看到農(nóng)業(yè)科技的重要性，通過科技力量的投入，不斷提升糧食產(chǎn)量。就后者而言，不僅要大力推廣業(yè)已成熟的農(nóng)業(yè)科技成果，還要注重開拓新的前沿技術，用新思路、新方法為糧食安全問題尋求解決方案。(記者張夢然)
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