美国科罗拉多州立大学团队成功合成出一种“基因开关”，首次实现了灵活地开启或关闭成熟植物中的关键遗传特性。该成果发表在最新美国化学会旗下的《ACS合成生物学》杂志上，为未来按需设计的智能农业打下基础。
研究团队在实验室进行讨论。图片来源：美国科罗拉多州立大学
这项研究由跨学科团队完成，是合成生物学领域具有里程碑意义的重要进展。团队通过设计和构建新的DNA片段，并将其植入生物体内，使生物体具备类似电子电路的功能。这种“基因开关”就像控制电灯开关一样，在外部信号的作用下，可以精确地打开或关闭特定基因的表达。
在此之前，类似的基因调控技术仅限于在细菌等单细胞生物中实现，而在复杂的多细胞植物中应用这一技术，则面临更大挑战。因为植物不仅具有根、茎、叶等不同组织结构，还包含不同的营养和生殖器官，发育过程更加复杂。
为实现这一目标，团队首先合成了相关的植物DNA片段，并围绕其中两个关键基因构建了一个潜在的遗传“切换系统”。他们结合数学建模方法，在计算机中模拟多种可能的组合，筛选出最有效的设计方案。随后，研究人员将选定的DNA序列导入植物体内，并在12天内持续监测其变化，以定量评估基因表达的调控效果。
该研究首次实现了对植物基因功能的可预测、可编程调控，为未来按需设计植物功能提供了理论和技术基础。其带来的“基因电路”不仅可以调控植物生命周期中不同阶段的芽和细胞活动，还可广泛应用于农业、材料科学等多个领域。例如，农民可通过激活特定开关来增强作物的抗旱能力；或者利用该技术调控南瓜等作物的生长周期，使其提前发育并保持良好的产量和营养价值。此外，未来有望借助机器学习手段进一步优化基因电路的设计流程，实现自动化操作，从而加快整个研发进程。
这项突破性技术将有助于提升粮食安全，也为环境修复、可持续材料开发等领域带来了全新可能，是实现植物“编程化”改造的重要一步。
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