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Plant synthetic biology. ​

文献信息 ​

DOI10.1016/j.tplants.2015.02.004
PMID25825364
期刊Trends in plant science
影响因子20.8
JCR 分区Q1
发表年份2015
被引次数78
关键词设计循环, 赋能工具, 工程原理, 开创性应用, 植物合成生物学
文献类型Journal Article, Research Support, U.S. Gov't, Non-P.H.S., Review
ISSN1360-1385
页码309-317
期号20(5)
作者Wusheng Liu, C Neal Stewart

一句话小结 ​

植物合成生物学结合工程原理与植物生物学，旨在设计和生产新设备，具有改良传统作物和促进新型生物生产的潜力。本文综述了该领域的设计周期、关键工程原理及实例，展望了其在未来农业中的重要应用。

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设计循环 · 赋能工具 · 工程原理 · 开创性应用 · 植物合成生物学

摘要 ​

植物合成生物学是一个新兴领域，它将工程原理与植物生物学相结合，旨在设计和生产新设备。这个新兴领域在未来农业中将发挥重要作用，不仅用于传统作物的改良，还能促进植物中的新型生物生产。在这篇综述中，我们讨论了合成生物学的设计周期，以及可以在植物合成生物学中利用的关键工程原理、遗传元件和计算工具。我们提供了一些开创性的例子，以演示合成生物学如何用于特定目的改造植物。这些例子包括合成传感器、合成代谢途径和合成基因组。我们还对植物合成生物学的未来进行了展望。

英文摘要 ​

Plant synthetic biology is an emerging field that combines engineering principles with plant biology toward the design and production of new devices. This emerging field should play an important role in future agriculture for traditional crop improvement, but also in enabling novel bioproduction in plants. In this review we discuss the design cycles of synthetic biology as well as key engineering principles, genetic parts, and computational tools that can be utilized in plant synthetic biology. Some pioneering examples are offered as a demonstration of how synthetic biology can be used to modify plants for specific purposes. These include synthetic sensors, synthetic metabolic pathways, and synthetic genomes. We also speculate about the future of synthetic biology of plants.

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主要研究问题 ​

  1. 在植物合成生物学中，哪些工程原理对作物改良最为关键？
  2. 如何评估合成生物学在植物生物生产中的潜力与挑战？
  3. 目前有哪些成功的案例展示了合成生物学在植物中的应用？
  4. 合成传感器和合成代谢通路在植物合成生物学中的具体应用是什么？
  5. 对于未来植物合成生物学的发展，有哪些技术创新或趋势值得关注？

核心洞察 ​

1. 研究背景和目的 ​

植物合成生物学是一个新兴领域，旨在结合工程原理与植物生物学，设计和生产新型设备。随着全球对可持续农业和高效生物生产的需求增加，该领域的研究变得尤为重要。本文的目的是探讨植物合成生物学的设计周期、关键工程原理、遗传元件及计算工具，并展示如何利用这些工具对植物进行特定目的的改造。

2. 主要方法和发现 ​

本综述讨论了植物合成生物学的设计周期，强调了在植物改造中可以应用的一些关键工程原理。研究中提到的主要方法包括：

  • 合成传感器：用于监测植物生理状态或环境变化的工具。
  • 合成代谢途径：通过重新设计植物内的代谢通路来增强某些代谢产物的合成。
  • 合成基因组：通过合成基因组技术，全面重构植物的遗传信息以实现特定功能。

通过这些方法，研究者能够在植物中实现预期的生物学功能，进而推动农业和生物生产的发展。

3. 核心结论 ​

植物合成生物学为传统作物改良和新型生物生产提供了新的途径。该领域的工程化设计方法和工具的应用能够有效地实现植物的功能改造，创造出具有特定功能的植物。未来，随着技术的进步，合成生物学将能够实现更复杂的植物功能改造和生产过程，有望在农业和生物技术领域产生深远影响。

4. 研究意义和影响 ​

植物合成生物学的研究不仅为传统农业提供了新的改良手段，还可能在环境保护、食品安全和可再生能源等领域产生积极影响。通过更高效的植物改造，能够提高作物的耐逆性、营养价值及产量，从而满足日益增长的全球食品需求。此外，该领域的进展还可能驱动生物制药、工业生物技术等多个相关领域的创新，为可持续发展做出贡献。因此，植物合成生物学的研究具有重要的科学价值和社会意义。

引用本文的文献 ​

  1. Synthetic biology for pharmaceutical drug discovery. - Jean-Yves Trosset;Pablo Carbonell - Drug design, development and therapy (2015)
  2. Biosynthesis of Essential Polyunsaturated Fatty Acids in Wheat Triggered by Expression of Artificial Gene. - Daniel Mihálik;Lenka Klčová;Katarína Ondreičková;Martina Hudcovicová;Marcela Gubišová;Tatiana Klempová;Milan Čertík;János Pauk;Ján Kraic - International journal of molecular sciences (2015)
  3. A modular toolbox for gRNA-Cas9 genome engineering in plants based on the GoldenBraid standard. - Marta Vazquez-Vilar;Joan Miquel Bernabé-Orts;Asun Fernandez-Del-Carmen;Pello Ziarsolo;Jose Blanca;Antonio Granell;Diego Orzaez - Plant methods (2016)
  4. Innovative farmers and regulatory gatekeepers: Genetically modified crops regulation and adoption in developing countries. - Woldeyesus Sinebo;Karim Maredia - GM crops & food (2016)
  5. Plant synthetic biology for molecular engineering of signalling and development. - Jennifer L Nemhauser;Keiko U Torii - Nature plants (2016)
  6. Advancing Crop Transformation in the Era of Genome Editing. - Fredy Altpeter;Nathan M Springer;Laura E Bartley;Ann E Blechl;Thomas P Brutnell;Vitaly Citovsky;Liza J Conrad;Stanton B Gelvin;David P Jackson;Albert P Kausch;Peggy G Lemaux;June I Medford;Martha L Orozco-Cárdenas;David M Tricoli;Joyce Van Eck;Daniel F Voytas;Virginia Walbot;Kan Wang;Zhanyuan J Zhang;C Neal Stewart - The Plant cell (2016)
  7. Mass spectrometry-guided refinement of chemical energy buffers. - T-R Chen;P L Urban - Proceedings. Mathematical, physical, and engineering sciences (2016)
  8. A Tightly Regulated Genetic Selection System with Signaling-Active Alleles of Phytochrome B. - Wei Hu;J Clark Lagarias - Plant physiology (2017)
  9. GB3.0: a platform for plant bio-design that connects functional DNA elements with associated biological data. - Marta Vazquez-Vilar;Alfredo Quijano-Rubio;Asun Fernandez-Del-Carmen;Alejandro Sarrion-Perdigones;Rocio Ochoa-Fernandez;Peio Ziarsolo;José Blanca;Antonio Granell;Diego Orzaez - Nucleic acids research (2017)
  10. MarpoDB: An Open Registry for Marchantia Polymorpha Genetic Parts. - Mihails Delmans;Bernardo Pollak;Jim Haseloff - Plant & cell physiology (2017)

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