近日，来自内华达大学生物化学与分子生物学系的教授 John Cushman 因其在提高植物的耐旱性和水分利用效率方面的研究而获得了两项专利。这项工作在作物改良研究方面取得了重大突破，将有助于在高温或长期干旱期间保持农业生产力。
具有高度肉质的植物，例如仙人掌，更适合在干旱气候中生存。去年，Cushman 和该系前博士后研究学者 Sung Don Lim （目前是韩国尚志大学助理教授）获得了美国专利 11053512。该专利公开了增加植物组织肉质化的过程。为了改进过去的工作， Cushman 利用拟南芥或鼠耳水芹，通过生物技术使叶子增厚约 40%，使它们能够储存更多的水。
该团队还包括研究生研究助理 Jesse Mayer，他利用拟南芥开展了植物组织肉质的研究。
而在这之前，Cushman、Lim 和 Cushman 的部门同事 Won Cheol Yim 助理教授获得了美国专利 10858404。他们建立了一种合成生物学方法，该方法是从适应沙漠的植物中转移景天酸代谢 (CAM) 途径到其他作物中，例如美国的主要作物之一 ——大豆，使其获得耐旱性状。CAM 是一种光合作用中暗反应的形式，与 C3 光合作用物种相比，可将作物的相对需水量减少约 5 到 6 倍。
光合作用在植物体内分两个部分进行 —— 光反应和暗反应 —— 分别在不同的空间发生。光反应发生在类囊体膜，暗反应发生在叶绿体基质，利用光反应中形成的活跃化学能同化 CO 2 ，使它转变成有机物质。
暗反应中，不同的植物固碳过程不一样，而且叶片的解剖结构也不相同。这是植物对环境的适应结果。高等植物中，按照 CO 2 固定过程的不同，可分为以下三种反应途径：
C3 途径（又称卡尔文循环）最为基本、如水稻、小麦、棉花、大豆等。CO 2 经气孔进入叶片后，直接进入叶肉进行卡尔文循环；C4 途径，如甘蔗、玉米、高粱等，CO2 固定效率比 C3 高，有利植物在干旱环境生长。
以上两种途径中，光反应和暗反应是同时进行，只是在空间上分割开来。而CAM 途径在时间上也是分开的。
CAM 途径，最早在景天科植物中发现，一般见于景天科、仙人掌科及凤梨科等生存在干旱地区的多肉植物。这样的植物白天进行光合作用，但气孔保持关闭，以减少水分蒸散；夜间打开气孔，将 CO 2 以四碳酸（苹果酸）的形式储存在液泡中。然后到白天，四碳酸（苹果酸）被运输到叶绿体中，在那里被转化回 CO 2 ，继而用于光合作用。这样就可以避免水分过快的流失，因为气孔只在夜间开放以获取 CO 2 。但 CAM 途径比 C3 更加消耗能量。
图丨景天酸代谢 (CAM) 光合途径的简化视图，包括关键酶、调节蛋白和转运蛋白 (来源：论文 [3])
John Cushman 教授团队就想将 CAM 和 C3 的优点结合在一起，让 C3 类的作物干旱的时候能够使用 CAM 途径，白天关闭气孔减少水分流失，以达到耐旱的作用。
如何将 CAM 途径转入 C3 类植物？CAM 分子机制的探索对于 C3 植物物种的 CAM 工程至关重要。
John Cushman 教授团队首先深入研究了 CAM 途径有关基因的功能，以及 C3、C4、CAM 之间的进化关系。研究表明，CAM 植物可以是兼性的，即可以通过环境胁迫，可逆诱导或上调 CAM 途径。
他们据此设想，如果在 C3 植物细胞中建立一个 “CAM 按需系统”（CAM-on-Demand Systems），让植物在潮湿和凉爽的条件下以 C3 模式运行，在环境炎热干燥时暂时切换到 CAM 模式，那么植物不仅具有 CAM 模式下耐旱的特点，而且在 C3 模式下还能保持较高的生物量积累增长率，从而形成有望成功应对气候变化的策略。
图丨 一种响应干旱的 C3 作物 CAM 按需系统（来源：论文 [3]）
这样的设想在理论上具备可行性：不需要将大量基因从 CAM 物种转移到 C3 物种（C3 到 CAM 的转变可以通过重新布线时间基因表达和现有代谢通量的重新通道来实现），且 CAM 按需系统可以通过可逆的干旱诱导的基因表达来设计。
他们使用基因编辑和合成生物学的方法将 “CAM 按需系统” 转入 C3 植物，为此研究了 CAM 工程所需的基因组编辑和基因调控方法、干旱胁迫信号通路的建立和基因激活系统的建立。
实际操作中，生物系统设计在 CAM 工程中的应用涉及设计 - 构建 - 测试 - 学习（DBTL）四个阶段：1）设计制造 CAM 合成器件；2）将基因递送到植物细胞；3）将上一步的植物细胞进行组织培养；4）将高通量植物表型测量技术与组学方法相结合，以推进功能分析，好快速评估转基因或基因组编辑植物中的生物设计元件和通路。
图 | 合成生物学依赖的 CAM 工程概述（来源：论文 [3]）
他们的专利“工程化植物中的景天酸代谢 (CAM) 途径” （Engineering crassulacean acid metabolism (CAM) pathways in plants）公开了将 CAM 途径导入 C3 植物的方法。包括分离的多核苷酸序列（包含植物启动子、编码参与调节 CAM 途径的酶的基因的多核苷酸序列、植物终止子的多核苷酸序列和绝缘体的多核苷酸序列）；还提供了包含公开的分离的多核苷酸序列的植物转化载体，以促进构建用于在植物细胞内表达的多基因回路；此外，提供了包含公开的载体构建体的转基因植物细胞、植物部分和植物。
其中，调节 CAM 途径的酶的基因可以编码一种或多种酶，将夜间 CO 2 固定（羧化）的基本生化序列转化为 C4 酸（苹果酸），将 C4 酸储存在植物的液泡中，随后在植物细胞中通过 C3 光合作用将释放的 CO 2 脱羧并重新固定，从而改变植物细胞中的 CAM。且编码这组 CAM 酶的这些基因仅在植物遭遇缺水胁迫时才会显著表达。专利所公开的方法还避免了 CAM 途径表达的能量负担，估计占植物所需能量的 10％，而这也仅发生于干旱条件下 —— 因为每个启动子在缺水胁迫下才会表达，因此 CAM 途径主要在缺水条件下运作。
另一个专利“植物工程组织肉质化的方法” （Methods of engineered tissue succulence in plants）则通过增加植物肉质，更进一步改善了植物的耐旱和盐分耐受性。方法是在植物细胞中过表达修饰的螺旋 - 环 - 螺旋转录因子 CEB1。
两种专利所述的方法可以结合使用，更加全面地给植物锁水。两者不仅是 1+1 的关系，植物组织肉质化还可以减少细胞内的空气，更好地发挥 CAM 性能。
Cushman 和他的团队正在大豆中 进行这两种工艺的测试，以提高产量和水分利用效率，以及在更热和更干燥环境下的抗盐耐旱程度。一旦完成对大豆的测试，该工程可能会用于其他重要作物，例如玉米。
参考资料：
[1] https://www.unr.edu/nevada-today/news/2022/cushman-patents
[2] https://www.unr.edu/bmb/directory/cushman-john
[3] https://spj.sciencemag.org/journals/bdr/2020/3686791/
[4] https://patents.google.com/patent/US10858404B2/en
[5] https://patents.google.com/patent/US11053512B2/en?oq=11053512
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