合成“基因開關”能調控植物遺傳特性

科技日報北京6月10日電 （記者張夢然）美國科羅拉多州立大學團隊成功合成出一種“基因開關”，首次實現了靈活地開啓或關閉成熟植物中的關鍵遺傳特性。該成果發表在最新美國化學會旗下的《ACS合成生物學》雜誌上，為未來按需設計的智能農業打下基礎。

這項研究由跨學科團隊完成，是合成生物學領域具有里程碑意義的重要進展。團隊通過設計和構建新的DNA片段，並將其植入生物體內，使生物體具備類似電子電路的功能。這種“基因開關”就像控制電燈開關一樣，在外部信號的作用下，可以精確地打開或關閉特定基因的表達。

在此之前，類似的基因調控技術僅限於在細菌等單細胞生物中實現，而在複雜的多細胞植物中應用這一技術，則面臨更大挑戰。因為植物不僅具有根、莖、葉等不同組織結構，還包含不同的營養和生殖器官，發育過程更加複雜。

為實現這一目標，團隊首先合成了相關的植物DNA片段，並圍繞其中兩個關鍵基因構建了一個潛在的遺傳“切換系統”。他們結合數學建模方法，在計算機中模擬多種可能的組合，篩選出最有效的設計方案。隨後，研究人員將選定的DNA序列導入植物體內，並在12天內持續監測其變化，以定量評估基因表達的調控效果。

該研究首次實現了對植物基因功能的可預測、可編程調控，為未來按需設計植物功能提供了理論和技術基礎。其帶來的“基因電路”不僅可以調控植物生命週期中不同階段的芽和細胞活動，還可廣泛應用於農業、材料科學等多個領域。例如，農民可通過激活特定開關來增強作物的抗旱能力；或者利用該技術調控南瓜等作物的生長週期，使其提前發育並保持良好的產量和營養價值。此外，未來有望藉助機器學習手段進一步優化基因電路的設計流程，實現自動化操作，從而加快整個研發進程。

這項突破性技術將有助於提升糧食安全，也為環境修復、可持續材料開發等領域帶來全新可能，是實現植物“編程化”改造的重要一步。

【總編輯圈點】

科學家給植物裝上了“智能開關”，能隨時開啓或關閉植物的特定功能基因，實現對植物的可預測和可編程調控。植物發育過程複雜，結構更加多樣，科研人員結合數學和計算機等跨學科方法，為它構建了不同基因的切換系統。植入新的DNA片段，就如同給植物植入一套電路系統，能調控它的生長發育。以前的農民“靠天吃飯”，現在我們能讓農作物適應天氣。從篩選植物到改造植物再到編程植物，技術進步為應對可能的糧食危機提供了應對方案。