近日，生物所微生物智能设计与合成创新团队联合上海交通大学团队，系统分析了植物人工启动子结构和表达强度预测研究进展，提出了人工启动子设计策略与应用路径，展望人工启动子在作物育种中的应用前景。相关论文综述发表在国际知名杂志《植物通讯（Plant Communication）。

启动子是控制植物基因表达的重要元件，主要通过结合不同的转录因子实现基因的表达开关和强度变化。近年来，随着高通量技术的发展以及人工智能在生物领域的应用，人工设计具备“精细、诱导表达、组织特异性”等多特点的“智能型”启动子已经成为合成生物学的研究一个热点，而避免组成型启动子能量易耗散和出现基因沉默的研究也备受科学界关注。

论文总结了启动子结构研究以及表达强度预测的研究进展。目前研究发现绝大多数基因的主要的调控区间在-200 to +51 bp区域，控制了90%以上的基因表达强度，这也是启动子人工设计的关键目标之一。论文还提出了人工启动子设计的当前路径：一是最小启动子策略。该策略通过随机合成寡核苷酸或者构建不同的顺式元件组合, 然后将其与Mini 35S或者核心启动子相连接，驱动报告基因的表达。通过对启动子的测序以及报告基因的表达分析，从而获得人工智能分析所需的海量数据。在此基础上，通过构建模型来预测启动子的强度并指导人工启动子的设计。二是启动子定向进化策略。该策略基于植物细胞内存在的天然启动子，通过基因编辑产生的饱和人工突变，在植物体内构建不同的人工启动子。通过对携带人工启动子的植株进行田间表型分析，确定育种中的候选种质材料。这种方法已经广泛应用到作物抗病、株型、产量育种之中。

图注：创建人工最小启动子策略

图注：启动子定向进化策略

论文还对人工启动子设计发展的趋势做了进一步展望：一是设计特定组织表达启动子；二是利用人工启动子特性作为条件应答开关，从而实现其在基因编辑以及人工传感器上的有效利用；三是设计由人工启动子控制的封闭线路并加以利用。随着人工智能和基因功能调控网络的进一步揭示和完善，这些不同的发展方向都将在作物育种以及植物生物技术之中得到快速应用并产生良好的结果。

该研究得到国家重点研发计划合成生物学专项、国家自然科学基金重点项目、未来生物技术指南引导类项目和中国农业科学院科技创新工程项目的资助。上海交通大学ERUM和生物所王劲研究员为共同第一作者。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346223000561