精准基因工程：开启可持续农业的新时代

随着地球气候的变暖和变化，可持续农业实践对养活迅速增长的人口至关重要。我们能否通过基因工程让作物适应干旱及气候变暖带来的其他影响？

最近，加州理工学院的植物发育生物学家特雷弗·诺兰（Trevor Nolan）发表的一系列论文展示了基因组学和植物发育生物学的新技术和方法如何实现这一目标的路线图。

在期刊 Science 上发表的一篇新的 综述论文 概述了通过使用基础生物学研究工具来理解植物细胞的内部工作原理，从而改善和增强作物的途径。该论文由诺兰与比利时根特大学VIB植物系统生物学中心的研究人员共同撰写。

虽然目前存在用于改良作物的常规工具，但诺兰和他的同事们提出了一种更为精确的方法。他们建议对植物自身基因表达进行细微调整，比如说，在干旱时促进根系更深的生长，提高水分和养分的吸收效率，或者改变叶片结构，以便在拥挤的田间条件下更好地捕捉光线。

“我们希望能够以外科手术般的精确度来调节植物生长，而不会对植物的其他部分造成副作用，”诺兰说。“要做到这一点，我们需要理解植物在细胞层面上究竟在做什么。”

今年早些时候，诺兰和他的合作者在Cell期刊上报告说，一种特定的植物激素——油菜素内酯，通过动态的细胞特异性反馈网络来协调根系生长。

植物激素（brassinosteroids）对植物发育至关重要，调节细胞分裂和细胞伸长。不过，当这些激素被广泛施用于植物时，可能会产生相反的效果，抑制生长，因为它们会破坏细胞之间激素信号的微妙平衡。诺兰解释说，brassinosteroids 对植物的影响就像金发姑娘的故事一样——生长只有在适量、适时、适地的情况下才能达到最佳效果。

研究小组通过使用先进技术发现了这一点，观察模式实验室植物阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）中单个细胞如何表达基因。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打开或关闭，从而使细胞具备不同的功能。

不同的基因表达模式可以指示细胞进行分裂、产生更多激素，甚至自我毁灭。像单细胞转录组学这样的技术可以同时测量多个细胞的基因表达。

诺兰的实验室正在开创将单细胞、空间和活体成像技术整合在一起，以前所未有的分辨率可视化植物发育。通过使用定制的垂直共聚焦显微镜和全根成像系统，团队现在可以跟踪单个细胞的发育进程——从根尖分生组织中的干细胞起源，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，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，揭示像油菜素内酯这样的信号如何协调生长、发育和应激反应。

诺兰现在强调，这些技术应该用来研究作物中类似的激素和抗逆机制。

“我们的研究表明，植物通过卓越的空间精确性协调生长，”诺兰说。“一旦我们理解了这些原理，就可以开始对水稻、玉米和高粱等作物进行工程改造，让农业更能抵御高温和干旱。”

更多信息：Nemanja Vukašinović 等，释放油菜素内酯的潜力：精确植物工程之路，科学（2025）。 DOI: 10.1126/science.adu9798