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)模的方法來繪制轉錄因子的調(diào)節(jié)作用，轉錄因子是在基因表達和確定植物生理特性中起關鍵作用的蛋白質(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)量以及它們的根結構是什么樣子，”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領域的教職科學家和JBEI植物生物系統(tǒng)設計主任)著手開發(fā)一種同時表征植物中大量轉錄因子的方法。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，但由于它們的復雜性和細胞壁的破壞性存在，將它們應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)百種這些轉錄因子的活性。”
為了應對這一挑戰(zhàn)，Hummel和Shih采用了他們之前開發(fā)的用于在植物中構建合成生物學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多個轉錄效應域的網(wǎng)絡，這是植物合成生物學中前所未有的壯舉。
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錄因子的功能與之前識別網(wǎng)絡中單個轉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)絡中，以確定工程重要植物性狀的關鍵轉錄因子。”
高粱是JBEI的目標生物能源作物之一。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錄調(diào)控機制。通過檢查植物和酵母中轉錄因子調(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)集上訓練的機器學習算法如何用于識別植物中的調(diào)控域。”
該研究的結果對農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。轉錄因子在決定植物的重要性狀方面起著至關重要的作用，因此了解它們的工作原理將有助于科學家制定改進農(nóng)業(yè)實踐和應對環(huán)境挑戰(zhàn)的策略。
展望未來，研究人員的目標是擴大他們研究擬南芥中所有轉錄因子的方法，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，并促進植物生物學領域的進步。
“我們設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。“通過了解關鍵轉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特征的新策略。”
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