Оптимізація дизайну генетичних ланцюгів ризобактерій для забезпечення стійкості сільського господарства
Сприяння взаємодії між корінням рослини та її зовнішнім середовищем є ключем до вирішення різних проблем, що насуваються, пов'язаних з харчуванням, енергією та стійкістю. Наприклад, рослини із зміненою кореневою структурою можуть знизити рівень вуглекислого газу в атмосфері або навіть підвищити врожайність, щоб підтримувати зростання населення.
Один із способів зробити це — побудувати «генетичний ланцюг» усередині рослинних клітин. Генетичний ланцюг - це сукупність біологічних компонентів, що кодують РНК або білок, що дозволяють окремим клітинам виконувати певні функції. Усередині рослинних клітин він може відчувати умови довкілля, інтерпретувати сигнали та демонструвати бажані фенотипи. Проте проектування цих ланцюгів на заводах залишається проблемою.
У той час як для розробки схем на основі рослин потрібні додаткові дослідження, бактеріальні схеми досягли величезного прогресу. Доступні кілька компонентів для створення бактеріальних ланцюгів, які використовуються для полегшення складних клітинних функцій. Цей дизайн поширюється на коріння рослин, які є місцем критичних взаємодій між рослинами та бактеріями. Ризобактерії - вільноживучі бактерії, що колонізують коріння рослин, - суттєво впливають на здоров'я рослин, засвоєння поживних речовин та хімічний склад ґрунту. Отже, їхня генетична схема може бути використана для створення рослин з бажаними якостями.
Генетичні ланцюги ризобактерій можуть бути налаштовані на транскрипційному та трансляційному рівнях для покращення росту/розвитку коренів, засвоєння поживних речовин, стійкості до стресу та секвестрації вуглецю. У той час як сенсорні ланцюги перетворюють сигнали ризосфери на експресію репортерного гена або регуляцію шляху, виконавчі ланцюги впливають на хімію коренів або фізіологію рослин за допомогою біосинтезу цільових сполук. Автори та права: BioDesign Research (2022 р.)
З цією метою група дослідників, до якої входили професор Хосе Р. Діннені та його аспірант доктор Крістофер М. Дандас зі Стенфордського університету, вивчили генетичні компоненти та передовий досвід проектування ризобактеріальних ланцюгів. Їхні висновки, опубліковані в журналі BioDesign Research, в основному стосувалися датчиків, виконавчих механізмів та видів шасі, які використовуються для регулювання процесів рослинного мікробіома.
"Вивчення підходів до проектування генетичних ланцюгів може допомогти вченим ефективно конструювати взаємодії рослин і ризосфери", - говорить доктор Дандас, обговорюючи мотиви, що лежать в основі цього огляду.
По-перше, команда вивчила інструменти, які можуть сприяти успішній побудові генетичних кіл у ризобактерій. Зокрема, біоінформаційні інструменти, ортогональний механізм експресії генів та аналіз геному використовуються для прогнозування послідовностей функціональних промоторів та послідовностей сайтів зв'язування рибосом (RBS) для розробки транскрипції та трансляції у ризобактерій.
Інструменти геномної інженерії нового покоління також використовують для зниження залежності ризобактерій від механізму реплікації та відбору господаря. Крім того, було розроблено декілька наборів інструментів для конструювання плазмід широкого спектру господарів, необхідних для їх трансформації.
Потім команда обговорила «ризобактеріальне шасі», яке сприяє ефективній колонізації тканин кореня і, своєю чергою, дозволяє ланцюгу функціонувати оптимально. Створення ідеального шасі може бути досягнуто шляхом націлювання на певні гени, які регулюють пов'язані з колонізацією риси ризобактерій, такі як хемотаксис, прикріплення коренів, ступінь колонізації, утворення біоплівки та здатність ухилятися від імунної системи рослин.
Крім того, вибір компетентних видів ризобактерій необхідний, щоб уникнути небажаних ефектів, пов'язаних із надмірним зростанням бактерій у корінні.
Ексудати коріння рослин, яким регулярно піддаються ризобактерії, є привабливими мішенями для відстеження здоров'я рослин. Стаття проливає світло на переваги, завдяки яким регулятори транскрипції, що реагують на малі молекули, такі як цукри, сполуки азоту, вторинні метаболіти та фітогормони, переважні для розробки біосенсорів здоров'я рослин або сенсорних ланцюгів.
Сенсорні ланцюги, у свою чергу, допомагають керувати експресією кількох генів та нижчими шляхами.
Нарешті, у статті наведено огляд «ризобактеріальних приводів» або приводних ланцюгів, які керують бажаними фенотипами в колонізованих рослинах. Конструкцію актуатора можна покращити шляхом точного настроювання експресії генів біосинтезу, що, у свою чергу, може покращити засвоєння поживних речовин, стійкість до біотичних/абіотичних стресів та зростання рослини.
«Стратегії, які ми представили, можуть допомогти переналаштувати генетичні ланцюги для покращення здоров'я та продуктивності рослин за допомогою циклу «дизайн-складання-тестування-навчання». У міру появи нових технологій буде цікаво побачити, як різні сфери досліджень бактерій перетинаються з ризобактеріальними сенсорами. та виконавчі механізми», - зазначає доктор Дандас. Яку користь можуть принести ці результати родинним новим технологіям? «Перетин матеріалознавства із синтетичною біологією набирає обертів. Наші результати містять корисну інформацію для розробки функціоналізованих живих матеріалів, які можна використовувати для колонізації коренів рослин для різних цілей», – каже доктор Дандас у відповідь. .
Хоча генетичні ланцюги ризобактерій мають величезний потенціал для зміни стійкості сільського господарства, дуже важливо усунути технічні, нормативні та етичні обмеження, пов'язані з цією технологією. Крім того, необхідно вивчити можливість їх використання у різних кліматичних умовах. Тим не менш, дослідники з оптимізмом дивляться на розширення цих схем для вирішення глобальних проблем продовольчої безпеки та сталого розвитку.
Також читайте: