合成植物能讓我們學到什麼？

隨著生物技術的發展，科學家們已經定序了相當多的生物。從簡單的噬菌體到複雜的人體，我們得到越來越多的基因資訊，但是也累積了越來越多無法了解的謎團。

比方說，有很多序列其實看不出到底有什麼功能！但是，既然它一直在那裡，是不是也表示它對這個生物應該有它的重要性呢？當然，如果整段砍掉這個生物就活不下去，也就代表它對這個生物真的很重要，但是，要把一大段基因砍掉，在生物裡也不是那麼容易的事。

聽過「合成基因體學」（Synthetic genomics）嗎？合成基因體學就是科學家為了了解到底基因體的不同段落有什麼功能，發展出的從新合成基因體的一種手段。透過人工合成DNA，科學家得以在實驗室裡分段合成生物的基因，並將之組裝後，觀察這個合成的基因體是否能產生有正常功能的生物。如果不能，接著就可以透過與活體植物的基因體進行比較，了解到底缺少了什麼？

過去的合成基因體學，已經成功地合成了病毒、細菌與酵母菌，最近，科學家們開始進行植物基因體的合成。

要合成什麼植物呢？研究團隊選了小立碗蘚（Physcomitrium paten）。小立碗蘚的基因體相對較小（482 Mb），且它有相當好的同源重組能力；另外，它的原生質體（protoplast，指去除了細胞壁的植物細胞）的再生能力強、生長週期短，加上體積不大，所以讓它雀屏中選。

小立碗蘚。圖片來源：維基百科

科學家們把一個個基因合成再連接。他們保留了每個基因上下游的調控區域，去掉轉位子（transposon）、將終止密碼統一為TAA。

合成好的基因片段，先使用酵母菌與大腸桿菌的聯合系統做組裝，再送入小立碗蘚的原生質體，去替換相對應的染色體區域。

目前，研究團隊已經成功取代了第18號染色體的短臂上大約155 kb的一個區域，以只有68.53 kb的合成DNA片段取代。這個植物被命名為「semi-syn18L」。

研究團隊有什麼發現呢？

他們發現，去掉轉位子並不影響植物的性狀以及倍性。他們也已經成功地重新建立了表觀遺傳的修飾。但是，這段重新設計的基因體，改變了染色體的結構，影響到基因表現。

例如，研究團隊發現，因為他們把合成區域中的重複DNA元素（如轉位子）去除，造成抑制性的H3K9me2修飾和DNA甲基化的顯著減少，結果造成了合成區域內及附近基因的表現量改變。雖然植物的性狀看起來並未受到影響，也能繁殖，但是長期的觀察與測試還是需要完成，以確定它的確是功能正常。

另外，雖然小立碗蘚已經具有相當好的同源重組能力，但是研究團隊希望可以再提高，讓這個研究能進展得更快一點。或許可以考慮使用CRISPR-Cas系統。

最後，研究團隊希望可以改進原生質體的再生效率。原生質體的再生，一直都是植物生物技術的「天險」之一，科學家把基因送進原生質體，當然希望越多可以活下來越好。不然，辛苦合成、製備好的基因，卻因為原生質體大量陣亡而片甲不留，實在也太傷心了。

不過，小立碗蘚有27個染色體，目前只取代了第18號染色體的短臂上大約155 kb的一個區域，只能說，還需要更多更多的努力啊！

參考文獻：

Du, F., Dai, J. and Jiao, Y. (2024), Insights into a functional synthetic plant genome. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.19979