Nature重要成果：新型耐旱重編程植物

日期：2015-02-05 09:00:04

農作物和其他的植物常常面臨著如氣溫升高（2014年是有記錄以來最熱的一年）及淡水供應減少等一些不利的環境條件，它們降低了農作物的產量，每年給農民造成數十億美元的損失。

干旱是影響植物生長和發育的一個主要環境脅迫因素。當植物遭遇干旱時，它們會自然地生成脫落酸（abscisic acid,ABA）。ABA是一種抑制植物生長及降低水消耗的應激激素。具體來說，就像手指放入到手套中一樣，當ABA與植物中特異的蛋白（受體）結合時它會開啟這一受體促成一些有利的變化，例如關閉葉片上的氣孔以減少水消耗，從而幫助植物生存。

雖然給農作物噴灑ABA可以幫助它們在旱期生存，但ABA的生產成本高，在植物細胞中會快速失活以及具有光敏性，因此未能直接用于農業。有幾個研究小組一直在致力于開發出合成ABA模擬物來調節耐旱性，然而即便找到它們也可預計這些模擬物將面臨著漫長且高成本的研發過程。

農業化學藥品雙炔酰菌胺（Mandipropamid）已被廣泛應用于農業生產中，控制水果和蔬菜作物晚疫病。那么是否能夠操控遭受干旱威脅的作物像對ABA那樣對雙炔酰菌胺做出反應，由此提高它們在旱期的生存呢？

由加州大學河濱分校Sean Cutler領導的一個科學家小組給出了肯定的答案。他們的研究結果發布在2月4日的《自然》（Nature）雜志上。

研究人員針對擬南芥（在植物生物學實驗室廣泛應用的一種模式植物）和番茄植物展開了研究。在這一實驗室中，他們利用一些合成生物學方法開發出了這些植物的脫落酸受體新版本，通過遺傳工程改造使得它們能夠被雙炔酰菌胺而不是被ABA所激活。研究人員證實，當用雙炔酰菌胺噴灑這些重編程植物時，植物通過開啟脫落酸信號通路，由此關閉葉片上的氣孔防止水分喪失，有效地在干旱條件下生存下來。

這一研究結果顯示出了合成生物學方法在操控農作物方面所具有的能力，并為作物改良打開了新的大門，這有可能讓不斷增長的世界人口由此受益。

Cutler說：“通過遺傳工程改造一種植物受體，我們成功地改變了一種農業化學藥品適用于新的用途。我們預計，這一利用合成生物學來重編程植物反應的策略，也將使得其他的農業化學品能夠用于控制別的有用性狀，例如抗病性或生長速率。”

Cutler說，發現一種新的化學藥品，然后完成評估并讓其獲準使用是一個極其復雜且費用高昂的過程，可能需要經歷幾年的時間。

“我們實際是利用合成生物學繞過了這一障礙——基本上，我們是采用了已在現實世界中發揮功用的東西，并重編程了植物使得這一化學藥品能夠控制水消耗。”

蛋白質工程是一種系統構建許多蛋白質變異體的方法；它還可以檢測這些蛋白質變異體的新特性。Cutler和合作者們利用蛋白質工程構建出了一些改造植物受體，使得雙炔酰菌胺可以匹配并能夠有效地激活它們。將這些工程受體導入到擬南芥和番茄植物中，這些植物就會像對ABA那樣對雙炔酰菌胺做出反應，并且它們與不具有這些工程蛋白的植物只具有微小的差異。