Science：精确的基因工程指明了可持续农业的未来

随着地球气候变暖与变化，可持续农业实践对养活快速增长的人口至关重要。我们能否通过基因工程改造作物，使其适应干旱及气候变暖的其他影响？

加州理工学院生物学与生物工程助理教授、植物发育生物学家Trevor Nolan近期发表的一系列论文，为基因组学和植物发育生物学的新技术与方法如何实现这一目标绘制了路线图。

一篇发表于《科学》杂志的最新综述论文，阐述了利用基础生物学研究工具理解植物细胞内部工作机制，以改进和增强作物的路径。该论文由Nolan与比利时根特大学VIB植物系统生物学中心的研究人员合作撰写。

尽管目前改造作物的通用工具已经存在，但Nolan及其同事提出了一种更精准的方法。他们建议，对植物自身基因表达进行微调，例如可以在干旱期间促进根系更深生长，提高水分和养分吸收效率，或改变叶片结构以在密集田间条件下更好地捕捉光线。

"我们希望以手术级的精度调控植物生长，且不对植物的其他部分产生副作用，"Nolan说。"要做到这一点，需要我们精确理解植物在细胞层面上的活动背景。"

今年早些时候，Nolan与合作者在《细胞》杂志上报告称，一类特定的植物激素——油菜素内酯——通过一个动态的细胞特异性反馈网络来协调根的生长（Cell, 2025, doi: 10.1016/j.cell.2025.02.011）。

油菜素内酯对于植物发育至关重要，它调节细胞分裂和细胞伸长。然而，当广泛施用于植物时，它们可能会产生相反的效果，通过破坏细胞间激素信号的微妙平衡来抑制生长。Nolan解释说，油菜素内酯对植物产生一种"金发姑娘效应"——只有在正确的时间、正确的地点，激素量既不多也不少，生长才能达到最佳状态。

研究团队通过使用尖端技术观察模式实验室植物拟南芥中单个细胞如何表达其基因，从而发现了这一现象。虽然每个细胞在其基因组中存储着相同的遗传信息，但某些基因可以像调光开关一样被调高或调低，从而赋予细胞不同的功能。例如，不同的基因表达模式可以告诉细胞进行分裂，或产生更多激素，甚至自我毁灭。单细胞转录组学等技术可以同时测量许多细胞的基因表达。

Nolan的实验室正率先整合单细胞、空间和活体成像技术，以前所未有的分辨率可视化植物发育过程。利用定制建造的垂直共聚焦显微镜和全根成像流程，该团队现在能够追踪单个细胞的发育进程——从它们作为根分生组织中的干细胞起源，直到分化为特化组织。

通过将这些活体成像数据集与单细胞和空间转录组图谱相结合，该实验室能够追踪基因表达和激素信号如何随时间和空间变化，揭示油菜素内酯等信号如何协调生长、发育和应激响应。

Nolan现在强调，这些技术应应用于研究作物中类似的激素和胁迫耐受机制。"我们的工作表明，植物通过显著的空间精确性来协调生长，"Nolan说。"一旦我们理解了这些原理，我们就可以开始在水稻、玉米和高粱等作物中对这些原理进行工程设计，使农业对高温和干旱更具韧性。"（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Nemanja Vukašinović et al, Unlocking the potential of brassinosteroids: A path to precision plant engineering, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu9798.