Optogenetic control of gene expression in plants in the presence of ambient white light

光遗传学 拟南芥 生物 清脆的 基因表达 合成生物学 转基因 神经科学 基因 细胞生物学 突变体 生物物理学 计算生物学 遗传学
作者
Rocio Ochoa‐Fernandez,Nikolaj B. Abel,Franz-Georg Wieland,Jenia Schlegel,Leonie‐Alexa Koch,J. Benjamin Miller,Raphael Engesser,Giovanni Giuriani,Simon M. Brandl,Jens Timmer,Wilfried Weber,Thomas Ott,Rüdiger Simon,Matías D. Zurbriggen
出处
期刊:Nature Methods [Nature Portfolio]
卷期号:17 (7): 717-725 被引量:117
标识
DOI:10.1038/s41592-020-0868-y
摘要

Optogenetics is the genetic approach for controlling cellular processes with light. It provides spatiotemporal, quantitative and reversible control over biological signaling and metabolic processes, overcoming limitations of chemically inducible systems. However, optogenetics lags in plant research because ambient light required for growth leads to undesired system activation. We solved this issue by developing plant usable light-switch elements (PULSE), an optogenetic tool for reversibly controlling gene expression in plants under ambient light. PULSE combines a blue-light-regulated repressor with a red-light-inducible switch. Gene expression is only activated under red light and remains inactive under white light or in darkness. Supported by a quantitative mathematical model, we characterized PULSE in protoplasts and achieved high induction rates, and we combined it with CRISPR–Cas9-based technologies to target synthetic signaling and developmental pathways. We applied PULSE to control immune responses in plant leaves and generated Arabidopsis transgenic plants. PULSE opens broad experimental avenues in plant research and biotechnology. PULSE is an optogenetic tool that consists of two modules with different wavelength sensitivities. Their interplay enables optogenetic access to gene expression in plants independently of ambient light.
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