Достижения в синтетической биологии для повышения плодородия почв и роста растений

Заметным примером является разработка свободноживущих азотфиксирующих бактерий, таких как Azotobacter vinelandii, для сверхэкспрессии ферментов азотазы и снижения их чувствительности к кислороду, что обычно ингибирует фиксацию азота. Эти сконструированные штаммы могут обеспечить значительную часть азота, требуемого культурами, такими как пшеница и рис, уменьшая потребность в синтетических азотных удобрениях. Согласно исследованию в Nature Biotechnology, синтетические азотфиксирующие микробы были проверены на местах с многообещающими результатами, хотя дальнейшая оптимизация необходима для коммерческой жизнеспособности.

Фосфор-солюбилирующие микробы

Фосфор часто заперт в нерастворимых формах в почве, что делает его недоступным для растений. Синтетические биологи сконструировали бактерии и грибы для производства органических кислот и фосфатов, которые растворяют фосфатные минералы. Например, штаммы псевдодонас были модифицированы для сверхэкспрессии путей биосинтеза глюконовой кислоты, значительно увеличивая растворимый фосфор в ризосфере. Эти инженерные микробы могут уменьшить применение фосфорных удобрений на 30-50% в некоторых системах выращивания.

Деградация почвенных загрязнителей

Загрязненные почвы представляют серьезную угрозу для плодородия и безопасности пищевых продуктов. Синтетическая биология предлагает инструменты для разрушения или обездвиживания загрязняющих веществ с помощью инженерных микробов. Например, бактерии были разработаны для разложения стойких органических загрязнителей, таких как полихлорированные дифенилы (ПХБ), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и некоторые пестициды. Ключ заключается в введении или оптимизации катаболических путей, которые могут минерализовать эти соединения в безвредные продукты.

Загрязнение тяжелыми металлами является еще одной проблемой. Синтетические биологи создали бактериальные штаммы, которые секвестрируют тяжелые металлы, такие как кадмий, свинец и мышьяк, используя инженерные металлосвязывающие белки (например, металлотионеины) или путем формирования нерастворимых комплексов. Эти микробы могут применяться в качестве инокулянтов почвы для уменьшения поглощения растений токсичными металлами. Обзор в Биоресурсная технология освещает несколько подходов синтетической биологии для биоремедиации, которые были протестированы в микромире и полевых исследованиях.

Улучшенное поглощение питательных веществ растениями

Помимо модификации микробов, синтетическая биология используется для непосредственного улучшения получения питательных веществ. Один из подходов включает в себя инженерные корни растений для выделения органических кислот или ферментов, которые мобилизуют питательные вещества в ризосфере. Например, трансгенный рис и пшеница были созданы для производства фитазы, фермента, который высвобождает фосфор из фитата, обычного органического соединения фосфора в почве. Это снижает потребность в дополнительном фосфорном удобрении.

Другая стратегия заключается в создании ассоциации между растениями и полезными микоризными грибами. Синтетическая биология может усилить симбиотический сигнальный путь, позволяя растениям более эффективно набирать и вознаграждать арбузные микоризные грибы, которые доставляют фосфор и другие питательные вещества в обмен на углеводы. Исследователи из лаборатории Сейнсбери использовали синтетические генные схемы для повышения скорости колонизации в зерновых, что привело к улучшению поглощения фосфора.

Достижения в области стимулирования роста растений

В дополнение к улучшению плодородия почвы, синтетическая биология непосредственно способствует росту растений за счет производства гормонов роста, повышения стрессоустойчивости и генетического улучшения сельскохозяйственных культур.

Микробное производство растительных гормонов

Гормоны растений, такие как ауксины, цитокины, гиббереллины и абсциссовая кислота, регулируют практически каждый аспект развития растений. Синтетические биологи разработали бактерии, связанные с растениями, для производства этих гормонов в контролируемых количествах, тем самым стимулируя рост корней, удлинение побегов и развитие плодов. Например, штаммы Bacillus subtilis были модифицированы для производства высоких уровней индол-3-уксусной кислоты (IAA), естественного ауксина, что приводит к увеличению разветвления корней и поглощения питательных веществ в растениях томатов и перца.

Гиббереллины могут способствовать удлинению стебля и прорастанию семян. Разработанные штаммы Azospirillum, которые чрезмерно экспрессируют гены биосинтеза гиббереллина, как было показано, увеличивают биомассу растений до 30% в контролируемых экспериментах. Аналогичным образом, продуцирующие цитокин микробы могут задерживать старение листьев и улучшать заполнение зерна в злаках. Эти решения синтетической биологии предлагают способ замены или дополнения синтетических регуляторов роста, уменьшая химические входы и воздействие на окружающую среду.

Устойчивость к стрессу с помощью биологической инженерии

Абиотические стрессы, такие как засуха, соленость, тепло и холод, являются основными ограничивающими факторами для продуктивности сельскохозяйственных культур. Синтетическая биология обеспечивает несколько стратегий для повышения стрессоустойчивости растений, либо путем разработки самого растения или связанного с ним микробиома.

Разработка микробиома резосферы для толерантности к стрессу

Растения, растущие в условиях стресса, часто набирают специфические полезные микробы. Синтетические биологи разрабатывают синтетические микробные сообщества (SynComs), которые могут быть применены в качестве семенных покрытий или почвенных ливней для простых растений для стресса. Например, SynCom, содержащий инженерные штаммы Pseudomonas putida , которые производят трегалозу, осмопротектант, как было показано, улучшает устойчивость к засухе у кукурузы. Микробы колонизируют корневую поверхность и источают трегалозу, которая поглощается растением и помогает поддерживать клеточную гидратацию.

Аналогичным образом, для стресса солености бактерии были спроектированы для производства фермента ACC-деаминазы, который снижает уровень этилена в растениях. Высокий этилен при стрессе соли ингибирует рост корней; снижение его концентрации помогает поддерживать корневую функцию и поглощение питательных веществ. Полевые испытания с использованием штаммов, продуцирующих ACC-деаминазу Enterobacter , сообщили об увеличении урожайности на 15-25% в солевых почвах.

Инженерные установки сигнальные пути стресса

Прямая генетическая модификация культур также является ключевой областью. Используя синтетическую биологию, исследователи создали синтетические промоторы, которые реагируют на сигналы стресса и активируют защитные гены. Например, синтетический ABA-ответственный промотор стимулирует экспрессию гена белка теплового шока, обеспечивая термотолерантность в рисе без штрафа за урожай. Редактирование генов на основе CRISPR было использовано для создания вариантов транскрипционного фактора DREB , который придает засухоустойчивость с минимальными негативными побочными эффектами. Знаковое исследование, опубликованное в Молекулярное растение , продемонстрировало, что укладка нескольких путей стрессоустойчивости через синтетическую биологию, произвела сорта пшеницы со значительно улучшенной производительностью при комбинированном тепловом и засуховом стрессе.

Генетическое улучшение урожайности и питания

Синтетическая биология также используется для введения совершенно новых метаболических путей в культуры, что позволяет им производить ценные соединения за пределами их собственных возможностей. Например, введение пути биосинтеза β-каротина в рис для создания золотого риса является ранним примером синтетической биологии в сельском хозяйстве. Более поздняя работа включает добавление путей для витамина D, фолиевой кислоты или омега-3 жирных кислот в основные культуры. Эти биоукрепленные культуры могут помочь устранить дефицит микроэлементов в развивающихся регионах.

Еще одним рубежом является разработка фиксации азота непосредственно в зерновых растениях. Пока еще на ранней стадии исследований ученые успешно перенесли функциональные гены азотазы из бактерий в дрожжи и в настоящее время работают над их экспрессией в растительных хлоропластах. Если это будет достигнуто, это может резко снизить потребность в синтетических азотных удобрениях, которые являются энергоемкими и экологически вредными. Подход синтетической биологии также включает в себя реконструкцию чувствительного к кислороду фермента азотазы для функционирования в богатой кислородом среде растительной клетки.

Синтетические биологические подходы: инструменты и методы

Быстрый прогресс в синтетической биологии обусловлен набором передовых инструментов. Понимание этих методов имеет решающее значение для оценки того, как достигаются описанные выше инновации.

Синтез ДНК и сборка

Современные технологии синтеза ДНК позволяют исследователям упорядочить настраиваемые фрагменты ДНК до нескольких килобаз, что позволяет строить синтетические гены и целые метаболические пути. Методы сборки, такие как сборка Гибсона, клонирование Золотых ворот и интеграция CRISPR-Cas9, облегчают быстрое построение сложных генетических цепей. Эти инструменты необходимы для создания синтетического биоудобрения и штаммов, способствующих росту, обсуждавшихся ранее.

Генная редакция с помощью CRISPR-Cas9

CRISPR-Cas9 и связанные с ним инструменты сделали редактирование генома доступным и точным. В микробах CRISPR можно использовать для удаления генов, снижающих производительность (например, регуляторных генов, ограничивающих фиксацию азота) или для вставки новых функций. В растениях CRISPR используется для повышения стрессоустойчивости, эффективности использования питательных веществ и устойчивости к болезням. Кроме того, генные драйвы на основе CRISPR были предложены для модификации популяций вредителей, хотя их использование в сельском хозяйстве по-прежнему жестко регулируется.

Метаболическая инженерия и синтетические пути

Метаболическая инженерия включает в себя перенаправление клеточных ресурсов для получения желаемого соединения. Синтетическая биология добавляет способность проектировать и строить совершенно новые пути, которые не существуют в природе. Например, исследователи построили пути синтетической фиксации углерода, которые более эффективны, чем естественный цикл Кальвина, и они могут в конечном итоге быть введены в культуры для повышения фотосинтеза. В то время как большинство этих исследований остаются в модельных организмах, таких как E. coli , путь к сельскохозяйственным применениям активно изучается.

Вычислительный дизайн и машинное обучение

Проектирование синтетических биологических систем является сложным. Необходимы вычислительные инструменты для моделирования генных схем, прогнозирования активности ферментов и оптимизации метаболических потоков. Алгоритмы машинного обучения в настоящее время используются для прогнозирования того, какие генетические модификации дадут желаемые черты, ускоряя цикл проектирования. Это особенно полезно для инженерных взаимодействий растений и микробов, где результаты зависят от многих экологических переменных.

Проблемы и будущие направления

Хотя потенциал синтетической биологии в сельском хозяйстве огромен, остаются значительные проблемы, охватывающие технические, нормативные и социальные области.

Экологическая безопасность и содержание

Выпуск инженерных организмов в окружающую среду вызывает опасения по поводу горизонтального переноса генов, экологических нарушений и непреднамеренных последствий. Синтетические биологи разрабатывают стратегии биосдерживания, такие как ауксотрофия (требующая синтетического питательного вещества), убивают переключатели, которые запускают в отсутствие конкретного сигнала, и инженерные организмы, которые не могут выжить вне целевой среды. Однако обеспечение надежного сдерживания в этой области является постоянной проблемой. Регулирующие органы, такие как EPA в Соединенных Штатах и EFSA в Европе, требуют тщательной оценки риска перед любым высвобождением поля.

Регуляторные проблемы

Регуляторный ландшафт для продуктов синтетической биологии широко варьируется в разных странах. В США модифицированные микробы, используемые в качестве биоудобрений, могут регулироваться в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами (TSCA) и требовать одобрения EPA. Генетически модифицированные растения попадают под надзор USDA APHIS. В ЕС правила еще более строгие, многие ГМ-культуры сталкиваются с длительными процессами утверждения или прямыми запретами. Эти нормативные различия создают неопределенность для компаний, разрабатывающих решения для синтетической биологии и могут замедлить путь на рынок.

Общественное восприятие и принятие

Общественный скептицизм в отношении генетически модифицированных организмов (ГМО) распространяется на продукты синтетической биологии. Потребители могут опасаться «дизайнерских» микробов или культур, выращенных с помощью инженерных почв. Прозрачная коммуникация, образование и взаимодействие с заинтересованными сторонами имеют решающее значение для укрепления доверия. Несколько некоммерческих организаций и отраслевых групп работают над разработкой добровольных стандартов и методов маркировки для информирования потребителей, позволяя при этом внедрять инновации.

Масштабируемость и стоимость

Разработка продукта синтетической биологии в лаборатории — это одно; производство его в масштабе и по цене, которую могут себе позволить фермеры, — другое. Многие инженерные микробы требуют сложных процессов ферментации и приготовления. Например, производство синтетических азотфиксирующих бактерий должно экономически конкурировать с дешевыми синтетическими удобрениями. Достижения в технологии ферментации, использование сельскохозяйственных отходов в качестве корма и улучшение стабильности штаммов помогают снизить затраты, но требуется больше работы.

Интеграция с существующими сельскохозяйственными практиками

Для широкого внедрения решений в области синтетической биологии они должны быть совместимы с современными методами ведения сельского хозяйства, включая обработку почвы, орошение и севооборот. Они также должны быть устойчивыми к переменным полевым условиям, таким как колебание температуры, влажности и рН почвы. Исследователи в настоящее время тестируют продукты в полевых испытаниях на нескольких участках для обеспечения надежности в различных средах.

Будущие направления

Следующее десятилетие обещает захватывающие события в синтетической биологии для сельского хозяйства. Несколько тенденций, вероятно, будут формировать область.

Точное сельское хозяйство и микробиомная инженерия

По мере совершенствования технологий зондирования почвы станет возможным развертывание специализированных микробных консорциумов, адаптированных к конкретным недостаткам питательных веществ или стрессовым условиям поля. Синтетическая биология может обеспечить строительные блоки для таких «рецептурных» микробиомов. Например, тест почвы может выявить низкий уровень фосфора и высокую соленость; соответственно может быть применен синтетический консорциум фосфор-растворителей и производителей ACC-деаминазы.

Синтетические симбиозы

Разработка совершенно новых симбиотических связей между культурами и микробами является долгосрочной целью. Например, исследователи работают над созданием симбиоза синтетических корневых узелков в злаках, основанного на модели бобовых и ризобии. Прогресс был достигнут в индуцировании узелковых структур в рисе, а синтетическая биология используется для разработки сигнальных молекул, которые вызывают развитие инфекции и узелков.

Генные приводы для борьбы с вредителями и сорняками

Генные приводы были предложены для борьбы с инвазивными видами и сельскохозяйственными вредителями. Хотя эти инструменты синтетической биологии могут потенциально подавлять насекомых-устойчивых вредителей или гербицидоустойчивых сорняков. Однако экологические и нормативные проблемы означают, что широкое применение на местах, вероятно, будет через много лет.

Цифровая биология и дизайн, управляемый ИИ

Сочетание синтетической биологии с искусственным интеллектом ускорит разработку новых штаммов и путей. ИИ может предсказать оптимальное сочетание генов для желаемой функции, уменьшая потребность в пробах и ошибках. Это будет особенно ценно для инженерных сложных черт, таких как засухоустойчивость, в которых задействовано множество генов.

Заключение

Синтетическая биология трансформирует сельскохозяйственный ландшафт, предоставляя инновационные инструменты для повышения плодородия почв и содействия росту растений. От инженерных биоудобрений и микробов, разрушающих загрязняющие вещества, до стрессоустойчивых растений и биоукрепленных культур, приложения разнообразны и многообещающи. В то время как проблемы, связанные с безопасностью, регулированием, стоимостью и общественным признанием, остаются, продолжающееся совершенствование технологий синтетической биологии и совместные усилия ученых, политиков и фермеров проложат путь для их ответственной интеграции в глобальное сельское хозяйство. По мере созревания этих решений они будут играть все более важную роль в питании растущего населения мира при сохранении здоровья почв и экосистем нашей планеты.