生物论文翻译

针对植物生物技术的先进的遗传工具摘要 基础研究提供了一个更好的理解植物遗传监管层次结构的工具。为满足农业面对的挑战,我们必须能够迅速将这些知识转化为生成改进植物的方法。因此,在本文中,我们讨论先进工具,目前使用在植物和植物生物技术生产新产品来生成植物的新功能。这些工具包括合成促进剂、可调的转录因子和基因编辑工具重组酶。我们也回顾一些工具来改良作物的潜力,如大型DNA分子的组装和合成方法,植物转换连接方法和植物人工染色体法。对于这些基因技术，我们应该认识到他们来应用到集成迫切的农业和环境问题的潜力。应用植物生物学有许多复杂的挑战转化,包括吃穿，全球快速增长的人口,同时维持环境质量。光谱的一端,有一个需要改进现有的植物更好的作物的性能特点,尤其对提高产量。在作物适应不断变化的环境中，而在光谱的另一端,有许多新的功能和任务,我们可能希望植物能生产等有价值的化合物。在植物代谢连续的改变,发展和增长中,可以改善现有的功能或发明新产品。在植物科学和农业方面，生物技术需要帮助来满足这些需求和期望。基因工程在植物不是一项新技术,现在已经开展三十多年了。将外源基因引入植物的主要工具是农杆菌属转化法,它是在1980年代发明的。目前的所有转基因作物商业化种植的生产大多使用这些方法。基因工程直接操纵生物体的基因组通过引入一个或多个新基因和监管元素,或者通过减少内源基因的表达。这些端点的DNA结构插入一个或多个染色体以随机的方式,进入一个或多个基因座。在这种方法已经有效的情况下,有一些简单的特征,如除草剂耐性和抗虫性,已经被添加到植物。然而,基因插入可以有不良影响的随机性质,和这些方法并不有利于使基因组协同变化,如添加整个代谢途径进入植物。多基因转移、特定场地集成和具体监管基因表达在植物生物技术先进的方法是至关重要的。在本文中,我们首先讨论最新进展,允许更精确的调节基因表达的植物,包括合成启动子、转录激活物和阻遏物。然后,我们解决遗传工具组装的发展,DNA合成和转换的插入和多基因工程,有针对性的基因组改造和转基因，在集成多个堆叠转基因的帮助下可以取得质体转变或为精确的基因组编辑工程核酸酶。人工染色体也可能在下一代转基因技术中扮演一个关键的角色。虽然这些基因工具的进步也适用于在植物生物学基础研究,但我们研究的重点是植物生物技术的应用这些工具。转录调节内源性基因和转基因表达的精确控制在植物生物技术是一个重大挑战。合成启动子,转录激活物和阻遏物是最重要的工具，这种工具能够精确调控转基因在空间和时间上表达。举一个例子,multimerized工程元素和信号转导通路能够创建phytosensors,它能检测植物病原菌。这些合成促进剂是专门由不同病原菌诱导转基因烟草和拟南芥产生的，这些早期研究说明使用合成促进剂有潜力开发一系列phytosensors，它们将在商业农业和其他有用的领域来应用。合成植物启动子工程被基因工程的能力实用性和电脑模拟软件所限制纵观植物工程发展的历史，通过发明5端清除技术的结构主义分析已经被用来推断启动子元素的功能。合成启动子设计更加依赖于重建分析,包括添加工程图案,用数据基础相关的图形分析。在实验中，我们也被限制了，因为针对在不同单元上装配的设计方案来增强启动子的功能。准确的解析和功能上具有复杂工程结构的植物能扮演一个关键的角色，即合成启动子设计和提供有价值的信息系统来源。设计合成的促进剂。在一项综合生物信息学的研究中,使用网站评估五个生物信息学工具,使用合成促进剂的发现元素芥。我们实验室也应用一组七个生物信息学工具的第一次发现5 - 7 bp -豆囊肿线虫(SCN)-inducible图案,这一图案在在大豆基因组中也曾被发现。紧随其后的是一个在转基因大豆毛状根中使用合成促进剂体系的函数分析。把他们放在一起分析，这一手段允许基因工程的体系结构被发现和改进合成启动子设计的方法，它能够被用来明显改善转基因表达。总之，组合子库的结构有潜力极大地帮助合成促进剂发挥作用。尽管有些植物能够自身合成一些合成促进剂，为植物设计的合成促进剂仍在起步阶段。许多所谓的合成促进剂已经被通过在没有电脑模型的情况下在原始的植物中插入功能启动子而发明了。例如，基本的合成促进剂Pcec和Mac被插入了转录增强子，比起那些原始植物，信使基因在转基因植物中表达更强。随着科学技术的发展，我们预期,通过使用计算模型、大型“组学”的数据集相结合的一种综合的方法能够获得更好的结果。这种整合将导致合成促进剂与在自然界发现的大相径庭。合成的转录激活物和阻遏物尽管合成促进剂可能被视为微调转基因植物中表达中的最重要的部分, 在植物基因组中，合成转录激活物或阻遏物可以用来调节内源性基因或转基因的表达。融合蛋白,包括工程DNA结合域的催化效应由目标基因表达的控制下植物本构启动子和精确的基因组编辑工程锌指蛋白(ZFPs)已被用于基因激活。绑定到DNA单体目标的ZFPs,每一个都由一系列串联的3 - 6或多个C2H2指针,这目标的特定DNA序列长是9-18base 长度的。在芥和油菜中，合成zinc-finger-transcription因素(ZF-TFs)包含激活域用于目标激活信使基因和内源性基因a。他们也被用于转基因a表达下，调节相同基因表达与其他杆状的病毒启动子的转录因子结合位点。设计转录TALE感受器也可以用于目标基因的表达，这些人工监管机构包含一个氨基-终端易位域,一个中央DNA结合域和一个羧基-终端领域,其中包括核本地化和激活域的信号。合成TALE比设计ZFPS简单，因为他们不需要筛选对表达式库,这是一个ZFP设计的要求。TALE是由1.5 - -33.5(主要是15.5 - -19.5)串联重复序列几乎相同。每个重复30-42(通常是34)氨基酸长。转录起始站点之间的距离的DNA结合位点TALE-TFs ZF-TFs并不是固定的,可能随不同的特异性。在一项研究中,番茄的TALES,包含自己的激活域和由本构CaMV 35 s启动子是用来专门诱导番茄Bs4基因和a .芥EGL3 KNAT1基因的表达。 这些TALES的目标站点46 - 108 bp上游的转录起始站点。这感应导致番茄的毛状体数量的增加,极大地改变了在a芥叶形态。在另一项研究中,证实转基因和内源性RD29A表达式a芥冷后,盐或脱落酸治疗当TALES DNA结合域融合到一个域SRDX ERF-associated。此外，在植物可能通过使用合成转录TALEs激活、重组和其他遗传或表观遗传效应(如甲基化、乙酰化和脱乙酰作用,氨基化或外源基因或内源性脱氨基作用)。例如,合成TALE-TFs嵌合激活域设计目标各种19-25 bp 35 s启动子序列,导致双重reporter-gene表达ZF-TFs和TALE-TFs承诺工具调节内源基因的表达在原始植物的背景下,他们有可能被应用于作物改良。他们可以用来激活整个代谢的关键调节蛋白,主开关和发展路径重要的因素包括:位置、核苷酸序列和独特性的DNA结合网络;选择激活域;非目标效应。在空间和时间上，合成诱导启动子需要搭配上合成特定转录因子和高水平的bioproduct合成先进的DNA组装和合成为更大范围应用工程植物，需要多个基因或整个通路的引入到植物基因组。我们实现这个目标的能力是非常有限的，因为原先依赖多轮转化的方法，传统育种方法和转基因技术位于多个位点。到目前为止，通过多个链接基因的合作转化，多基因转化已经成功在一些植物品种中成功运用。这种方法允许集成4-9个基因进入到单转基因链中，依靠或者不依靠植物繁殖的帮助，为代谢工程或生产multimeric蛋白质复合物。大型DNA分子的组装和合成方法在一个转基因向量中，而多基因转移提供另一种方法，在这种无缝背景下，DNA模块的组装，有或没有de novo DNA合成需要取决于高效的架构。合成13kb长的DNA片段是时常发生的。这种片段的无缝组装已经能被应用于生成大于10kb的分子，在这种理论中，能被生产出来的DNA结构是没有界限的。运用现有的DNA合成手段，整个基因组的de novo 合成是无法完成的，但是合成小的人工染色体和旁路克隆是可能的。有一种新的手段能被更加有效地应用在DNA组装中或是每个DNA组装和转化（例如和）最近，成熟的DNA组装方法已经应用到昆虫的系统中，将来也能被应用到植物中。这些方法要么依靠标准化的限制性内切酶组装方法要么依靠独立序列重叠技术。标准化的限制性内切酶组装方法使用II型限制性内切酶并产生一系列可互换的DNA零件。在这些方法中，biobrick和bglbrick分别留下6bp或8bp长的“疤痕”,这些疤痕可能在一些结构中成为问题，因为他们能够导致框架外的翻译或是额外不必要的且不希望的氨基酸。相比之下，Golden Gate的组装方法运用homing内切酶生成临近的无疤痕组装基因，重叠组装技术使用特定的重组酶或“chew-back-and-anneal”方法，这种方法包括将一条DNA链吸收并返回制造过剩的片段尾部。这种方法包括GATEWAY，USER，In Fusion，SLIC和，GIBSON，片段。在这些方法中，GIBSON组装方法显著增加了长链DNA的使用和组装效率，例如，在组装1.08 Mb的支原体的基因组mycoides进行时，- syn1.0,开始用 5 - 7 - kb合成重叠片段。与造出的限制性内切酶组装方法相比,这些重叠组装方法不适合大段的DNA片段重复序列,可能会导致将重组的目标删除或重排。除了这些组装方法，一些已经开发的自动化组装软件大大帮助了基因的组装，例如，当一条最初的序列被给出时，J5软件运用SLIC对于设计组装策略，Gibson and Golden Gate 方法。另外，一个标准组装系统最近为了植物合成生物学。通过将一次性多歧的组件，它扩展了GoldenGate克隆系统的功能并转换为可重用的组合部分。转换与大型构造植物中多基因转化让研究者转入的整个代谢途径基因，这些基因能表达multimeric蛋白质复合物和监管层次结构。大的DNA结构和多基因能够被集成到一个合适的植物宿主细胞器官或是细胞核转变。然而,在我们看来,人工染色体提供最有前途的长外源DNA整合到植物转基因技术,这一技术虽然被提出，但还是不能被实现。细胞器基因转换同源重组介导细胞器转换让基因簇或未链接基因转移到一个预选的轨迹成为可能。在这种方法中，构造的两翼是两质体序列变换向量，它能被送到质体基因组中。这种在质体基因组中集成的“megalocus”允许non-Mendelian继承了co-遗传基因，避免pollen-mediated在大多数物种中的传播也避免了许多潜在的不希望的表观遗传效应。Transplatomic 植物已经显示了高水平稳定表达转基因的能力，这是因为大量的植物细胞中的质体，也因为基因沉默的缺乏。质体转化已经被提