MPI开创自动化叶绿体合成技术，引领可编程作物新纪元

当目光落在一片碧波荡漾的池塘，那抹生机勃勃的绿色源自于水中繁茂生长的藻类群落。在这些微小生命体中，叶绿体——植物细胞的"光合引擎"，除了默默执行着能量转换的使命外，正成为合成生物学领域的新焦点。

叶绿体合成生物学致力于通过优化质体功能来增强光合生物效能。然而，遗传工具的匮乏和植物系统的低通量特性，长期以来制约着叶绿体工程的发展进程。

德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的科研团队正在突破这一技术瓶颈。他们成功研发出一套模块化高通量叶绿体工程系统，能够像搭积木般快速构建和评估数百种叶绿体基因组合，高效筛选出最优的"绿色生物系统"。

这项突破性研究以《A modular high-throughput approach for advancing synthetic biology in the chloroplast of Chlamydomonas》为题，已于2025年11月3日发表于国际权威期刊《Nature Plants》。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-02126-2

叶绿体改造的技术突破

作为植物细胞的能量枢纽，叶绿体承担着碳固定和光合作用的核心职能。但令科研人员困扰的是，叶绿体难以实现系统性工程改造。

与细菌或酵母不同，叶绿体拥有独立的基因组和转录机制。这种特殊性使得外源基因的导入过程充满挑战，往往导致实验效率低下甚至失败。

为了系统解析数千个转叶绿体C. reinhardtii菌株的遗传特征，研究团队开发了专门针对叶绿体基因组的自动化模块工程流程。通过高效的自动化组装与筛选技术，他们成功构建并验证了140多种调控元件组合，涵盖启动子、非翻译区、连接序列和报告基因等关键模块。

图1：转叶绿体Chlamydomonas reinhardtii菌株的高通量生成与表征流程

在三周实验周期内，通过平行筛选每种构建体的16个重复菌落，研究人员成功将80%的转化体引导至同质叶绿体状态，仅观察到约2%的损耗。这一创新工作流程使菌株处理时间缩短八倍，年度维护成本降低一半。

图2：叶绿体工程基础工具建立

研究团队建立的组件库包含300多个标准化元件，全部符合通用生物技术规范，确保其他实验室能够便捷地应用这一DNA资源。

合成光呼吸通路的实践验证

在实现叶绿体多基因稳定组合的基础上，研究团队将合成代谢通路引入微藻叶绿体，完成了重要的概念验证。

图3：合成叶绿体启动子设计与叶绿体转化库测试

经过克隆转化，团队从10000个菌落中精选1536个样本进行二次筛选，最终获得768个有效测试案例。尽管90%的菌株在三次荧光检测中表现微弱，但仍有10%显示出显著的mScarlet荧光信号。抽样分析显示，其中82%包含独特序列，其余呈现序列混合特征。

工程化代谢通路使微藻在胁迫环境下CO₂吸收效率显著提升，生物量产量实现近乎倍增，创造了"涡轮增压微藻"的创新范例。这一成果证明，针对叶绿体代谢的精准干预能够有效提升生物生产力。

该研究不仅为叶绿体工程提供了20多个新型合成启动子序列，更展示了叶绿体文库转化的巨大潜力，为叶绿体合成生物学开辟了全新发展路径。

可编程作物的未来展望

这一创新数据库为多领域研究奠定了坚实基础，包括增强植物耐热性、抗旱性、抗强光能力，改善营养品质，提升作物产量等。该平台还可服务于新型碳固定途径开发和高价值天然化合物生产。

该技术平台的应用范围不限于藻类系统。基于标准化DNA语法和兼容接口的设计理念，该系统能够与植物叶绿体转化体系无缝对接。这意味着未来科研人员能够在数周内完成数万种基因组合测试，筛选最优模块用于作物改良。在全球气候变暖与粮食安全压力日益严峻的背景下，这种高通量技术策略有望成为农业革命的重要推动力。

相关报道：https://phys.org/news/2025-11-automated-chloroplast-screening-platform-crop.html

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本文来源：机器之心

原文链接：https://www.jiqizhixin.com/articles/32963ca9-9f83-4845-8a0e-3b6862536dff