MPI推出全球首個自動化葉綠體合成平臺，加速作物設計進程

俯視一洼碧綠的池塘——這抹綠意來自于其中繁衍興盛的藻類家族。其中的葉綠體，植物細胞的「光動力裝置」，在默默地生產代謝之外，也吸引到了合成生物學的注意力。

葉綠體合成生物學有望通過改善質體的功能來推進光合作用生物。然而，由于遺傳工具的稀缺和植物系統的低吞吐量，葉綠體工程工作面臨局限性。

德國馬克斯·普朗克陸地微生物研究所（Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology）的研究者們正嘗試讓這個想象變為現實。他們開發了一套一套模塊化高通量葉綠體工程平臺， 能像拼裝積木一樣構建、測試上百種葉綠體基因組合，在短時間內篩選出高性能的「綠色系統」。

該研究以「A modular high-throughput approach for advancing synthetic biology in the chloroplast of Chlamydomonas」為題，于 2025 年 11 月 3 日發布在《Nature Plants》。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-02126-2

來改造葉綠體試試

葉綠體（chloroplast）是植物細胞的能量中心，也是碳固定和光合作用的核心場所。然而，它有一個科學家頭疼已久的問題：難以被系統性地工程化。

不同于細菌或酵母，葉綠體擁有自己獨立的基因組和轉錄系統。這意味著，倘若要在葉綠體內導入外源基因，就會帶來各種復雜低效甚至無用的的實驗結果。

為了系統地表征數千個轉葉綠體 C. reinhardtii 菌株中的遺傳元件，該研究所的團隊開發了一種自動化工作流程，專門用于葉綠體基因組的模塊化和合成工程。通過自動化裝配和篩選流程，他們一次性構建并測試了超過 140 種調控元件組合，包括啟動子（promoter）、非翻譯區（UTR）、連接序列和報告基因模塊。

圖 1：生成和高通量表征轉葉綠體 Chlamydomonas reinhardtii 菌株的工作流程。

在三周內，通過在平板上同時篩選每種構建體的 16 個重復菌落，可以輕松將 80%的轉化子驅動到同質葉綠體狀態，僅觀察到輕微的損失（總計約 2% 的損失）。使用此工作流程，挑取和劃線所需的時間減少了約八倍（從每周 16 小時處理 384 個菌株減少到每周 2 小時），而年維護成本減少了兩倍。

圖 2：建立葉綠體工程的基本工具。

團隊所提供的庫有超過 300 個組件，所有組件都符合常見的生物技術標準，因此該 DNA 庫可以在其他實驗室中輕松使用。

合成光呼吸通路

既然現在可以穩定地將多個基因組合到葉綠體中，并且預測其活性，團隊將一個合成代謝途徑引入了微藻的葉綠體中，作為他們的概念驗證。

圖 3：設計和測試合成葉綠體啟動子及葉綠體轉化庫。

在克隆轉化后，團隊從 10000 個菌落中選擇了 1536 個作為例子，進行第二次篩選，最終獲得 768 個測試例。雖然在三次重復熒光技術檢測后，90% 的菌株微弱或無光，但也有 10% 顯示了廣泛的 mScarlet 熒光信號。在這其中，通過抽樣，越有 82% 包含一個獨特的序列，剩下的則表現出序列混合。

接下來，工程化的代謝途徑使微藻在脅迫條件下更有效地吸收 CO?，結果生物量產量幾乎翻了一番——「渦輪增壓微藻」。這表明對葉綠體代謝的靶向干預可以提高生產力。

這些發現不僅為葉綠體提供了超過 20 個額外的合成啟動子序列，還證明了葉綠體中文庫轉化的強大力量，為葉綠體合成生物學和工程開辟了新的可能性。

未來的可編程作物

新的數據庫為廣泛的研究奠定了堅實的基礎，例如提高植物對熱、干旱或強光的抵抗力、改善營養成分或增加產量。它還可以作為新型碳固定途徑或高價值天然化合物生產的平臺。

這一平臺并不僅限于藻類，由于構建模塊基于標準化 DNA 語法和兼容接口，它可以與植物葉綠體轉化系統直接對接。這意味著未來科學家能在幾周內完成對成千上萬種基因組合的測試，然后選擇最優模塊用于作物改良。這種高通量策略在全球氣候變暖、糧食壓力增大的當下，或許會成為下一場農業革命的引爆點。

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