能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员首次开发出一种基因组规模的方法来绘制转录因子的调节作用，转录因子是在基因表达和确定植物生理特性中起关键作用的蛋白质.他们的工作揭示了对基因调控网络的前所未有的洞察力，并确定了一个新的DNA部分库，可用于优化植物的基因工程工作。
“转录因子调节植物的生长方式、它们产生的果实数量以及它们的根结构是什么样子，”细胞系统杂志上一项研究的主要作者和该部门的研究助理NiklasHummel说。Energy的联合生物能源研究所(JBEI)，由伯克利实验室管理。“通过破译它们的调节作用，我们可以确定新的策略来设计更耐旱的生物能源作物和其他具有改良农艺性状的植物。”
Hummel和该研究的资深作者PatrickShih(伯克利实验室生物科学领域的教职科学家和JBEI植物生物系统设计主任)着手开发一种同时表征植物中大量转录因子的方法。虽然存在其他模式生物(例如动物、昆虫和真菌)可以做到这一点的方法，但由于它们的复杂性和细胞壁的破坏性存在，将它们应用于植物一直具有挑战性。
“迄今为止，这类研究实际上是在植物中零星进行的，我们只了解特定转录因子的功能，因为一组研究人员多年来一直专注于它，”施说，他也是该研究所的一名研究员创新基因组学研究所。“所以，我们试图做的是想出一种方法来同时绘制植物中数百种这些转录因子的活性。”
为了应对这一挑战，Hummel和Shih采用了他们之前开发的用于在植物中构建合成生物学工具的瞬时表达系统。在这里，他们使用该系统并行表征烟草植物本塞姆氏烟草中400多个转录效应域的网络，这是植物合成生物学中前所未有的壮举。
然后，他们进行了广泛的文献回顾，试图将他们大量识别的转录因子的功能与之前识别网络中单个转录因子功能的工作相匹配。
“我们能够证明这是人们在单独研究转录因子在基因表达中的作用时所看到的，这也是我们在平行研究它们时所看到的，”Shih说。“它实际上最终对齐得很好。这让我们相信我们可以将我们的数据集整合到基因调控网络中，以确定工程重要植物性状的关键转录因子。”
高粱是JBEI的目标生物能源作物之一。图片来源：MarilynSargent/伯克利实验室
该研究的一个令人惊讶的方面是发现了远缘真核生物之间相似的转录调控机制。通过检查植物和酵母中转录因子调控的功能，研究人员发现了共同的功能，突出了基因调控的深度保守机制的存在。
“我们惊讶地发现许多转录因子调控域在植物和酵母中的功能相同，”Hummel说。“然后我们对此进行了扩展，以证明在酵母数据集上训练的机器学习算法如何用于识别植物中的调控域。”
该研究的结果对农业和可持续发展具有重要意义。转录因子在决定植物的重要性状方面起着至关重要的作用，因此了解它们的工作原理将有助于科学家制定改进农业实践和应对环境挑战的策略。
展望未来，研究人员的目标是扩大他们研究拟南芥中所有转录因子的方法，拟南芥是一种广泛研究的模式植物物种。这将进一步加速对植物特异性基因调控的理解，并促进植物生物学领域的进步。
“我们设计和改造植物的能力取决于我们对各种性状如何受到调节的基本理解，”Shih说。“通过了解关键转录因子如何成为感兴趣特征的主要调节因子，我们可以确定改善生物能源相关特征的新策略。”
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