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纳米颗粒进入基因工程研究实现植物品种改良
日期:2019-03-25 作者:编译:串丽敏 来源:农科智库 点击:
     麻省理工学院的研究人员开发了一种新的基因工具,可以更容易地设计出能够抗旱或抵抗真菌感染的植物。这一技术利用纳米颗粒将基因传递到植物细胞的叶绿体内,能应用于包括菠菜和其他蔬菜在内的许多植物上。
    这一新方法能帮助植物生物学家克服基因改良植物过程中的许多困难,这一过程在现阶段仍然十分复杂耗时,需要根据受改良的特定植物物种进行量身定制。
    麻省理工学院的化学工程教授Michael Strano在谈到新方法时表示,这是一种跨物种工作的普遍机制,能通用于所有植物物种。
    该项研究的作者为新加坡国立大学淡马锡生命科学实验室(Temasek Life Sciences Laboratory)副主席Nam-Hai Chua和Strano教授等,已于2月25日发表在《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊上。
    Nam-HaiChua表示,这对于叶绿体改造是十分重要的第一步,这一技术能用于在作物中快速筛选可用于叶绿体表达的候选基因。该研究是新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟项目在颠覆性技术与可持续技术发展农业精准技术方面发布的第一项成果。
瞄准叶绿体
    多年前,Strano和他的同事们发现通过调整纳米颗粒的大小和电荷,他们可以设计出能够穿透植物细胞膜的纳米颗粒。这一机制称为脂质交换包膜渗透(lipid exchange envelope penetration,LEEP),使研究人员通过将携有荧光素酶的纳米颗粒(一种发光蛋白质)嵌入到叶片中,创造出会发光的植物。
    当麻省理工学院的研究小组报告使用LEEP将纳米颗粒植入植物,植物生物学家就开始询问它是否可以用于基因工程,更具体地说,是用于将基因植入叶绿体。植物细胞有几十个叶绿体,因此诱导叶绿体(而不仅仅是细胞核)表达基因可能是产生更多所需蛋白质的一种方法。
    Strano指出把遗传工具带到植物的不同部位是植物生物学家非常感兴趣的事情,他们都会提及能否利用这一技术将基因植入叶绿体。
    叶绿体是光合作用位点,它包括了80种基因,为进行光合作用所需的蛋白质指定遗传密码。叶绿体也有自己的核糖体,使其能够合成叶绿体内的蛋白质。到目前为止,科学家们都很难将基因导入叶绿体:目前唯一的技术使用的是高压“基因枪”,强迫基因进入细胞。这一方法会损伤植物,且效率不高。
    麻省理工学院的团队使用新方法创造出了包含碳纳米管的纳米颗粒,这种碳纳米管包裹在自然生成的壳聚糖中。带有负电荷的DNA与带有正电荷的碳纳米管相吸,但非常松散。为了让纳米颗粒进入植物叶片,研究人员使用充满了粒子溶液的无针注射器注入叶片表面较低的那一面。气孔负责植物的水分蒸发,粒子通过气孔进入叶片。
    一旦进入叶片,纳米颗粒就会穿过植物的细胞壁、细胞膜,然后穿过叶绿体的双层膜。进入叶绿体后,叶绿体的弱酸性环境会让纳米颗粒的DNA释放出来。一旦离开纳米颗粒,DNA就能转变成蛋白质。
    在这项研究中,研究人员提供了一种黄色荧光蛋白基因,这样他们就能很方便地观察到哪些植物细胞表达这种蛋白。他们发现大约有47%的植物细胞产生了这种蛋白质,但是他们相信,如果能输送更多的颗粒,这种蛋白质可能还会增加。
    有专家表示,已经有多个成熟的非模式植物品种实验表明,该种方法能为促进植物转基因表达的叶绿体选择性基因传递开辟新的研究途径。
更多抗性植物
    这一方法的一大优势是可以用于许多种类的植物。在这项研究中,研究人员尝试了菠菜、西洋菜、烟草、芝麻菜和普遍研究用的拟南芥,结果显示,这一技术不限于碳纳米管,可能还能使用其他类型的纳米材料。
    研究人员希望通过这一新工具,能帮助植物生物学家更方便地将大量理想性状植入蔬菜作物中。例如,新加坡和其他地区的农业研究人员都希望能够培育出适宜高密度种植的绿叶蔬菜和作物,以用于都市农业。其他可能性还包括培育出抗旱作物、改良香蕉、柑橘、咖啡等作物以抵抗可能将它们彻底摧毁的真菌感染、以及改良稻谷使其不再从地下水中吸收砷。
    由于工程基因仅存在于母系遗传的叶绿体中,因此这些基因可以传给下一代,但不能转移到其他种类的植物中去。
    专家表示,这是一个很大的优势,因为如果花粉经过了基因修饰,就能传播给野草,然后就能让野草抗除草剂和杀虫剂。而由于叶绿体是母系遗传,不会通过花粉传递,含有基因的成分就会更高。
(来源:AgroNews  北京市农林科学院农业信息与经济研究所报道)
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