葉綠體合成生物學(xué)在光合生物功能改良領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，有望為作物增產(chǎn)、高附加值化合物合成等重大需求提供解決方案。然而，當(dāng)前該領(lǐng)域的發(fā)展嚴(yán)重受制于遺傳工具匱乏、植物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通量不足兩大核心瓶頸，導(dǎo)致功能元件篩選、代謝通路優(yōu)化等關(guān)鍵研究效率低下，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。
萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為突破上述瓶頸的理想底盤：快速生長特性縮短了實(shí)驗(yàn)周期，單葉綠體結(jié)構(gòu)簡化了遺傳改造后的篩選流程，而其天然具備的高通量培養(yǎng)潛力，恰好契合合成生物學(xué)對(duì)規(guī)?；瘜?shí)驗(yàn)的需求，為葉綠體工程研究提供了高效載體。
針對(duì)領(lǐng)域痛點(diǎn)，本研究構(gòu)建了一套自動(dòng)化葉綠體合成生物學(xué)平臺(tái)，核心突破在于實(shí)現(xiàn)了數(shù)千株葉綠體轉(zhuǎn)化株系的并行構(gòu)建與高通量篩選，大幅提升了遺傳改造的效率與規(guī)模。為完善技術(shù)體系，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性擴(kuò)展了葉綠體轉(zhuǎn)化的選擇標(biāo)記與報(bào)告基因庫，豐富了基礎(chǔ)工具儲(chǔ)備；同時(shí)對(duì) 140 余種關(guān)鍵遺傳調(diào)控元件進(jìn)行全面表征，涵蓋啟動(dòng)子、非翻譯區(qū)（UTR）及基因間表達(dá)元件（IEE）等核心模塊，為精準(zhǔn)調(diào)控基因表達(dá)提供了數(shù)據(jù)支撐。在此基礎(chǔ)上，建立了標(biāo)準(zhǔn)化 Phytobrick / 模塊化克隆（MoClo）組裝體系，實(shí)現(xiàn)了功能元件的模塊化拼接與高效重組，降低了多基因通路構(gòu)建的技術(shù)門檻。
平臺(tái)的實(shí)用性通過兩項(xiàng)關(guān)鍵應(yīng)用得到驗(yàn)證：在元件優(yōu)化方面，通過簡化啟動(dòng)子骨架設(shè)計(jì)構(gòu)建篩選文庫，使約 10% 的轉(zhuǎn)化株呈現(xiàn)顯著熒光信號(hào)，為高活性啟動(dòng)子的快速篩選提供了高效方案；在代謝工程方面，通過引入合成光呼吸旁路，工程菌株在環(huán)境 CO?條件下的生物量實(shí)現(xiàn) 3 倍提升，證實(shí)了平臺(tái)在光合效率改良中的顯著效果。
該自動(dòng)化平臺(tái)不僅解決了當(dāng)前葉綠體合成生物學(xué)研究中工具不足、通量低下的核心問題，更具備向高等植物轉(zhuǎn)移的潛力。其建立為規(guī)?；_展光合效率提升、高附加值化合物異源合成等研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，有望加速葉綠體合成生物學(xué)從基礎(chǔ)研究向農(nóng)業(yè)、生物制造等應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化，為光合生物資源的高效開發(fā)提供新路徑。
原文鏈接：A modular high-throughput approach for advancing synthetic biology in the chloroplast of Chlamydomonas
