2022年6月1日，BioDesign Research在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究组题为“Benchmarking Intrinsic Promoters and Terminators for Plant Synthetic Biology Research”的研究论文。本文对植物学研究中广泛使用的调控元件进行了定量表征，并验证了其在植物代谢途径工程中可实现通量的精细调控，显示了这些定量的调控元件在植物合成生物学中的重要性与应用前景。

　　近几年来，植物合成生物学研究方兴未艾，植物底盘在药用蛋白和高价值代谢物生产中展现出巨大的前景。启动子和终止子作为转录水平重要的调控元件，可影响基因的表达特性和表达剂量，是合成生物学研究中广泛使用的一类重要的工具元件。近年来，得益于植物基因组及生物信息学工具的发展，植物调控元件发现的数量与日俱增，但这些调控元件绝大多数仅有定性描述，而缺乏统一、精确的定量表征，使得在植物合成生物学研究中真正可用的调控元件数量稀少，仅限于少数经典的启动子，例如Ubi启动子、35S启动子、NOS启动子等。相较于单细胞体系而言，植物的复杂性，无论是其复杂的形态分化还是生理分化，都对调控元件的表征造成了困难，对植物底盘而言，目前仍缺乏统一的评价标准。

　　本研究以烟草的两种不同分化细胞（本氏烟草（Nicotiana benthamiana）叶片和BY2悬浮细胞）作为底盘，从转录和翻译两个水平上，针对绿色荧光蛋白（GFP）和双荧光素酶（Dual-Luciferase）两种不同的定量方法，对可用于植物体系的来自于不同物种的45个启动子和13个终止子进行了统一的定量表征。研究发现双荧光素酶法在核酸和蛋白的同步性上更高，更适合用于植物复杂体系中调控元件的定量化表征。这些农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）、拟南芥（Arabidopsis thaliana）、土豆（Solanum tuberosum）、地钱（Marchantia polymorpha）、玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativ）等不同物种来源的调控元件，在两种不同烟草细胞中表现出基因表达的异同。通过105个表达盒启动子和终止子的组合表征，目的蛋白的差异表达剂量可以高达326倍。这些定量表征的调控元件，可用于基因表达剂量的精细控制，在不同的应用场景中发挥重要作用，本文选取甜菜红素的合成验证了这一点。在烟草中，作者选择了不同强度的启动子对甜菜红素合成的关键基因酪氨酸羟化酶（CYP76AD1）和4,5-多巴双加氧酶（DODA）进行了一系列表达剂量的组合调控。结果发现，甜菜红素的产量与启动子强度具有一致性，在本氏烟草叶片中的产量范围在6.0~362.4μg/g鲜重，差异高达60倍。

　　本研究在同一标准下，对可用于植物合成生物学研究的调控元件进行了批量的定量表征，对其可能的实际应用也进行了验证。这将有助于推进植物生物学元件的定量化研究，本研究所获得的定量化元件将在植物工程化设计与构建中发挥重要作用。

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究组的研究生田晨菲为该论文第一作者，王勇研究员和李建华博士为共同通讯作者，吉林农业大学硕士研究生张翼鑫也参与了该项研究。该研究得到了国家重点研发计划、中科院先导科技专项、国家自然科学基金等项目的资助。

　　论文链接：https://spj.sciencemag.org/journals/bdr/2022/9834989

图1 调控元件在两种细胞体系中的定量表征

图2 启动子精确控制甜菜红素的产量