生物論文翻譯

針對植物生物技術(shù)的先進(jìn)的遺傳工具摘要 基礎(chǔ)研究提供了一個更好的理解植物遺傳監(jiān)管層次結(jié)構(gòu)的工具。為滿足農(nóng)業(yè)面對的挑戰(zhàn),我們必須能夠迅速將這些知識轉(zhuǎn)化為生成改進(jìn)植物的方法。因此,在本文中,我們討論先進(jìn)工具,目前使用在植物和植物生物技術(shù)生產(chǎn)新產(chǎn)品來生成植物的新功能。這些工具包括合成促進(jìn)劑、可調(diào)的轉(zhuǎn)錄因子和基因編輯工具重組酶。我們也回顧一些工具來改良作物的潛力,如大型DNA分子的組裝和合成方法,植物轉(zhuǎn)換連接方法和植物人工染色體法。對于這些基因技術(shù)，我們應(yīng)該認(rèn)識到他們來應(yīng)用到集成迫切的農(nóng)業(yè)和環(huán)境問題的潛力。應(yīng)用植物生物學(xué)有許多復(fù)雜的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化,包括吃穿，全球快速增長的人口,同時(shí)維持環(huán)境質(zhì)量。光譜的一端,有一個需要改進(jìn)現(xiàn)有的植物更好的作物的性能特點(diǎn),尤其對提高產(chǎn)量。在作物適應(yīng)不斷變化的環(huán)境中，而在光譜的另一端,有許多新的功能和任務(wù),我們可能希望植物能生產(chǎn)等有價(jià)值的化合物。在植物代謝連續(xù)的改變,發(fā)展和增長中,可以改善現(xiàn)有的功能或發(fā)明新產(chǎn)品。在植物科學(xué)和農(nóng)業(yè)方面，生物技術(shù)需要幫助來滿足這些需求和期望?；蚬こ淘谥参锊皇且豁?xiàng)新技術(shù),現(xiàn)在已經(jīng)開展三十多年了。將外源基因引入植物的主要工具是農(nóng)桿菌屬轉(zhuǎn)化法,它是在1980年代發(fā)明的。目前的所有轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化種植的生產(chǎn)大多使用這些方法?；蚬こ讨苯硬倏v生物體的基因組通過引入一個或多個新基因和監(jiān)管元素,或者通過減少內(nèi)源基因的表達(dá)。這些端點(diǎn)的DNA結(jié)構(gòu)插入一個或多個染色體以隨機(jī)的方式,進(jìn)入一個或多個基因座。在這種方法已經(jīng)有效的情況下,有一些簡單的特征,如除草劑耐性和抗蟲性,已經(jīng)被添加到植物。然而,基因插入可以有不良影響的隨機(jī)性質(zhì),和這些方法并不有利于使基因組協(xié)同變化,如添加整個代謝途徑進(jìn)入植物。多基因轉(zhuǎn)移、特定場地集成和具體監(jiān)管基因表達(dá)在植物生物技術(shù)先進(jìn)的方法是至關(guān)重要的。在本文中,我們首先討論最新進(jìn)展,允許更精確的調(diào)節(jié)基因表達(dá)的植物,包括合成啟動子、轉(zhuǎn)錄激活物和阻遏物。然后,我們解決遺傳工具組裝的發(fā)展,DNA合成和轉(zhuǎn)換的插入和多基因工程,有針對性的基因組改造和轉(zhuǎn)基因，在集成多個堆疊轉(zhuǎn)基因的幫助下可以取得質(zhì)體轉(zhuǎn)變或?yàn)榫_的基因組編輯工程核酸酶。人工染色體也可能在下一代轉(zhuǎn)基因技術(shù)中扮演一個關(guān)鍵的角色。雖然這些基因工具的進(jìn)步也適用于在植物生物學(xué)基礎(chǔ)研究,但我們研究的重點(diǎn)是植物生物技術(shù)的應(yīng)用這些工具。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)內(nèi)源性基因和轉(zhuǎn)基因表達(dá)的精確控制在植物生物技術(shù)是一個重大挑戰(zhàn)。合成啟動子,轉(zhuǎn)錄激活物和阻遏物是最重要的工具，這種工具能夠精確調(diào)控轉(zhuǎn)基因在空間和時(shí)間上表達(dá)。舉一個例子,multimerized工程元素和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路能夠創(chuàng)建phytosensors,它能檢測植物病原菌。這些合成促進(jìn)劑是專門由不同病原菌誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因煙草和擬南芥產(chǎn)生的，這些早期研究說明使用合成促進(jìn)劑有潛力開發(fā)一系列phytosensors，它們將在商業(yè)農(nóng)業(yè)和其他有用的領(lǐng)域來應(yīng)用。合成植物啟動子工程被基因工程的能力實(shí)用性和電腦模擬軟件所限制縱觀植物工程發(fā)展的歷史，通過發(fā)明5端清除技術(shù)的結(jié)構(gòu)主義分析已經(jīng)被用來推斷啟動子元素的功能。合成啟動子設(shè)計(jì)更加依賴于重建分析,包括添加工程圖案,用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)相關(guān)的圖形分析。在實(shí)驗(yàn)中，我們也被限制了，因?yàn)獒槍υ诓煌瑔卧涎b配的設(shè)計(jì)方案來增強(qiáng)啟動子的功能。準(zhǔn)確的解析和功能上具有復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的植物能扮演一個關(guān)鍵的角色，即合成啟動子設(shè)計(jì)和提供有價(jià)值的信息系統(tǒng)來源。設(shè)計(jì)合成的促進(jìn)劑。在一項(xiàng)綜合生物信息學(xué)的研究中,使用網(wǎng)站評估五個生物信息學(xué)工具,使用合成促進(jìn)劑的發(fā)現(xiàn)元素芥。我們實(shí)驗(yàn)室也應(yīng)用一組七個生物信息學(xué)工具的第一次發(fā)現(xiàn)5 - 7 bp -豆囊腫線蟲(SCN)-inducible圖案,這一圖案在在大豆基因組中也曾被發(fā)現(xiàn)。緊隨其后的是一個在轉(zhuǎn)基因大豆毛狀根中使用合成促進(jìn)劑體系的函數(shù)分析。把他們放在一起分析，這一手段允許基因工程的體系結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)合成啟動子設(shè)計(jì)的方法，它能夠被用來明顯改善轉(zhuǎn)基因表達(dá)。總之，組合子庫的結(jié)構(gòu)有潛力極大地幫助合成促進(jìn)劑發(fā)揮作用。盡管有些植物能夠自身合成一些合成促進(jìn)劑，為植物設(shè)計(jì)的合成促進(jìn)劑仍在起步階段。許多所謂的合成促進(jìn)劑已經(jīng)被通過在沒有電腦模型的情況下在原始的植物中插入功能啟動子而發(fā)明了。例如，基本的合成促進(jìn)劑Pcec和Mac被插入了轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子，比起那些原始植物，信使基因在轉(zhuǎn)基因植物中表達(dá)更強(qiáng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們預(yù)期,通過使用計(jì)算模型、大型“組學(xué)”的數(shù)據(jù)集相結(jié)合的一種綜合的方法能夠獲得更好的結(jié)果。這種整合將導(dǎo)致合成促進(jìn)劑與在自然界發(fā)現(xiàn)的大相徑庭。合成的轉(zhuǎn)錄激活物和阻遏物盡管合成促進(jìn)劑可能被視為微調(diào)轉(zhuǎn)基因植物中表達(dá)中的最重要的部分, 在植物基因組中，合成轉(zhuǎn)錄激活物或阻遏物可以用來調(diào)節(jié)內(nèi)源性基因或轉(zhuǎn)基因的表達(dá)。融合蛋白,包括工程DNA結(jié)合域的催化效應(yīng)由目標(biāo)基因表達(dá)的控制下植物本構(gòu)啟動子和精確的基因組編輯工程鋅指蛋白(ZFPs)已被用于基因激活。綁定到DNA單體目標(biāo)的ZFPs,每一個都由一系列串聯(lián)的3 - 6或多個C2H2指針,這目標(biāo)的特定DNA序列長是9-18base 長度的。在芥和油菜中，合成zinc-finger-transcription因素(ZF-TFs)包含激活域用于目標(biāo)激活信使基因和內(nèi)源性基因a。他們也被用于轉(zhuǎn)基因a表達(dá)下，調(diào)節(jié)相同基因表達(dá)與其他桿狀的病毒啟動子的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)錄TALE感受器也可以用于目標(biāo)基因的表達(dá)，這些人工監(jiān)管機(jī)構(gòu)包含一個氨基-終端易位域,一個中央DNA結(jié)合域和一個羧基-終端領(lǐng)域,其中包括核本地化和激活域的信號。合成TALE比設(shè)計(jì)ZFPS簡單，因?yàn)樗麄儾恍枰Y選對表達(dá)式庫,這是一個ZFP設(shè)計(jì)的要求。TALE是由1.5 - -33.5(主要是15.5 - -19.5)串聯(lián)重復(fù)序列幾乎相同。每個重復(fù)30-42(通常是34)氨基酸長。轉(zhuǎn)錄起始站點(diǎn)之間的距離的DNA結(jié)合位點(diǎn)TALE-TFs ZF-TFs并不是固定的,可能隨不同的特異性。在一項(xiàng)研究中,番茄的TALES,包含自己的激活域和由本構(gòu)CaMV 35 s啟動子是用來專門誘導(dǎo)番茄Bs4基因和a .芥EGL3 KNAT1基因的表達(dá)。 這些TALES的目標(biāo)站點(diǎn)46 - 108 bp上游的轉(zhuǎn)錄起始站點(diǎn)。這感應(yīng)導(dǎo)致番茄的毛狀體數(shù)量的增加,極大地改變了在a芥葉形態(tài)。在另一項(xiàng)研究中,證實(shí)轉(zhuǎn)基因和內(nèi)源性RD29A表達(dá)式a芥冷后,鹽或脫落酸治療當(dāng)TALES DNA結(jié)合域融合到一個域SRDX ERF-associated。此外，在植物可能通過使用合成轉(zhuǎn)錄TALEs激活、重組和其他遺傳或表觀遺傳效應(yīng)(如甲基化、乙?；兔撘阴Ｗ饔?氨基化或外源基因或內(nèi)源性脫氨基作用)。例如,合成TALE-TFs嵌合激活域設(shè)計(jì)目標(biāo)各種19-25 bp 35 s啟動子序列,導(dǎo)致雙重reporter-gene表達(dá)ZF-TFs和TALE-TFs承諾工具調(diào)節(jié)內(nèi)源基因的表達(dá)在原始植物的背景下,他們有可能被應(yīng)用于作物改良。他們可以用來激活整個代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白,主開關(guān)和發(fā)展路徑重要的因素包括:位置、核苷酸序列和獨(dú)特性的DNA結(jié)合網(wǎng)絡(luò);選擇激活域;非目標(biāo)效應(yīng)。在空間和時(shí)間上，合成誘導(dǎo)啟動子需要搭配上合成特定轉(zhuǎn)錄因子和高水平的bioproduct合成先進(jìn)的DNA組裝和合成為更大范圍應(yīng)用工程植物，需要多個基因或整個通路的引入到植物基因組。我們實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)的能力是非常有限的，因?yàn)樵纫蕾嚩噍嗈D(zhuǎn)化的方法，傳統(tǒng)育種方法和轉(zhuǎn)基因技術(shù)位于多個位點(diǎn)。到目前為止，通過多個鏈接基因的合作轉(zhuǎn)化，多基因轉(zhuǎn)化已經(jīng)成功在一些植物品種中成功運(yùn)用。這種方法允許集成4-9個基因進(jìn)入到單轉(zhuǎn)基因鏈中，依靠或者不依靠植物繁殖的幫助，為代謝工程或生產(chǎn)multimeric蛋白質(zhì)復(fù)合物。大型DNA分子的組裝和合成方法在一個轉(zhuǎn)基因向量中，而多基因轉(zhuǎn)移提供另一種方法，在這種無縫背景下，DNA模塊的組裝，有或沒有de novo DNA合成需要取決于高效的架構(gòu)。合成13kb長的DNA片段是時(shí)常發(fā)生的。這種片段的無縫組裝已經(jīng)能被應(yīng)用于生成大于10kb的分子，在這種理論中，能被生產(chǎn)出來的DNA結(jié)構(gòu)是沒有界限的。運(yùn)用現(xiàn)有的DNA合成手段，整個基因組的de novo 合成是無法完成的，但是合成小的人工染色體和旁路克隆是可能的。有一種新的手段能被更加有效地應(yīng)用在DNA組裝中或是每個DNA組裝和轉(zhuǎn)化（例如和）最近，成熟的DNA組裝方法已經(jīng)應(yīng)用到昆蟲的系統(tǒng)中，將來也能被應(yīng)用到植物中。這些方法要么依靠標(biāo)準(zhǔn)化的限制性內(nèi)切酶組裝方法要么依靠獨(dú)立序列重疊技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化的限制性內(nèi)切酶組裝方法使用II型限制性內(nèi)切酶并產(chǎn)生一系列可互換的DNA零件。在這些方法中，biobrick和bglbrick分別留下6bp或8bp長的“疤痕”,這些疤痕可能在一些結(jié)構(gòu)中成為問題，因?yàn)樗麄兡軌驅(qū)е驴蚣芡獾姆g或是額外不必要的且不希望的氨基酸。相比之下，Golden Gate的組裝方法運(yùn)用homing內(nèi)切酶生成臨近的無疤痕組裝基因，重疊組裝技術(shù)使用特定的重組酶或“chew-back-and-anneal”方法，這種方法包括將一條DNA鏈吸收并返回制造過剩的片段尾部。這種方法包括GATEWAY，USER，In Fusion，SLIC和，GIBSON，片段。在這些方法中，GIBSON組裝方法顯著增加了長鏈DNA的使用和組裝效率，例如，在組裝1.08 Mb的支原體的基因組mycoides進(jìn)行時(shí)，- syn1.0,開始用 5 - 7 - kb合成重疊片段。與造出的限制性內(nèi)切酶組裝方法相比,這些重疊組裝方法不適合大段的DNA片段重復(fù)序列,可能會導(dǎo)致將重組的目標(biāo)刪除或重排。除了這些組裝方法，一些已經(jīng)開發(fā)的自動化組裝軟件大大幫助了基因的組裝，例如，當(dāng)一條最初的序列被給出時(shí)，J5軟件運(yùn)用SLIC對于設(shè)計(jì)組裝策略，Gibson and Golden Gate 方法。另外，一個標(biāo)準(zhǔn)組裝系統(tǒng)最近為了植物合成生物學(xué)。通過將一次性多歧的組件，它擴(kuò)展了GoldenGate克隆系統(tǒng)的功能并轉(zhuǎn)換為可重用的組合部分。轉(zhuǎn)換與大型構(gòu)造植物中多基因轉(zhuǎn)化讓研究者轉(zhuǎn)入的整個代謝途徑基因，這些基因能表達(dá)multimeric蛋白質(zhì)復(fù)合物和監(jiān)管層次結(jié)構(gòu)。大的DNA結(jié)構(gòu)和多基因能夠被集成到一個合適的植物宿主細(xì)胞器官或是細(xì)胞核轉(zhuǎn)變。然而,在我們看來,人工染色體提供最有前途的長外源DNA整合到植物轉(zhuǎn)基因技術(shù),這一技術(shù)雖然被提出，但還是不能被實(shí)現(xiàn)。細(xì)胞器基因轉(zhuǎn)換同源重組介導(dǎo)細(xì)胞器轉(zhuǎn)換讓基因簇或未鏈接基因轉(zhuǎn)移到一個預(yù)選的軌跡成為可能。在這種方法中，構(gòu)造的兩翼是兩質(zhì)體序列變換向量，它能被送到質(zhì)體基因組中。這種在質(zhì)體基因組中集成的“megalocus”允許non-Mendelian繼承了co-遺傳基因，避免pollen-mediated在大多數(shù)物種中的傳播也避免了許多潛在的不希望的表觀遺傳效應(yīng)。Transplatomic 植物已經(jīng)顯示了高水平穩(wěn)定表達(dá)轉(zhuǎn)基因的能力，這是因?yàn)榇罅康闹参锛?xì)胞中的質(zhì)體，也因?yàn)榛虺聊娜狈?。質(zhì)體轉(zhuǎn)化已經(jīng)被提