定制植物有一个更简单的方法

麻省理工学院的研究人员开发了一款新的基因工程工具，方便育种人员更容易地设计出抗旱或抗真菌感染的植物。这一新策略帮助植物生物学家克服了基因改造植物的困难，而且不受特定植物物种限制。

　　

“这是一种可以跨物种工作的普遍机制，”MIT化学工程教授Michael Strano说。

Strano和新加坡国立大学教授Nam-Hai Chua是这篇2月25日出版的Nature Nanotechnology文章的通讯作者。文章一作是MIT前博士后研究员Seon-Yeong Kwak和MIT研究生Tedrick Thomas Salim Lew。

“这是叶绿体转化的重要一步，这项技术可用于快速筛选多种植物叶绿体表达候选基因，”Chua说。

靶向叶绿体

几年前，Strano和同事们发现，通过调整纳米颗粒大小和电荷，可以设计出穿透植物细胞膜的纳米颗粒，这种机制被称为脂质交换包膜渗透（LEEP），通过将含有荧光素酶的纳米颗粒嵌入叶片，他们让植物发光了。

当MIT的研究小组刚刚报告使用LEEP将纳米颗粒植入植物的时候，植物生物学家就想到它是否可以用于基因工程，换句话说，将基因直接导入叶绿体。植物细胞通常有几十个叶绿体，因此诱导叶绿体（不仅仅是细胞核）表达基因可能是生产更多设计蛋白质的潜在途径。

“把遗传工具带进植物的不同部位是植物生物学家非常感兴趣的事，”Strano说。“每次我跟植物生物学界交流的时候，他们都会问，你的技术是否可以用于把基因传递给叶绿体。”

叶绿体是著名的光合作用工厂，包含大约80个基因，编码光合作用所需蛋白。叶绿体也有它自己的核糖体，允许自行组装蛋白质。到目前为止，科学家还很难将基因导入叶绿体：现有的唯一技术是高压“基因枪”，但这会损害植物，而且效率不高。

MIT的新技术包括由壳聚糖（一种天然糖）和碳纳米管组成的纳米颗粒，带负电的DNA与带正电的碳纳米管松散结合。为了使纳米颗粒进入植物叶片，研究人员在叶片背面应用一种填充着纳米颗粒溶液的无针注射器，颗粒通过气孔（控制植物水分蒸发的元件）进入叶片。

一旦进入叶片，纳米颗粒就会穿过细胞壁、细胞膜，然后穿过叶绿体双层膜。当颗粒进入叶绿体后，微酸环境导致DNA从纳米颗粒中释放，一旦释放，这些DNA就可以转化成蛋白质了。

在这项研究中，研究人员提供了黄色荧光蛋白基因，使他们能够直观地看到哪些植物细胞表达了外源蛋白。结果是大约47%的植物细胞产生了该蛋白，研究人员确信，如果能输送更多颗粒，蛋白质产量可能会增加。

表达黄色荧光蛋白的叶肉细胞(右)和表皮细胞，细胞壁(红色)，叶绿体(蓝色)

新加坡国立大学生物科学副教授Sanjay Swarup说：“这种方法无疑为植物叶绿体选择性基因呈递和转基因表达开辟了新的研究途径，特别是对一些成熟的非模式物种。”

更具适应性的植物

该方法的一个主要优点是可用于许多植物物种（只要有叶子就行）。在本文中，研究人员实验了菠菜、西洋菜、烟草、芝麻菜和拟南芥。而且材料不限于碳纳米管，还有可能替换成其他类型的纳米材料。

由于基因工程基因仅存在于叶绿体，而叶绿体是母系遗传的，意味着它们可被传递给后代，但不能传播给其他植物物种。“这是一个很大的优势，如果我们改造花粉基因，它也许会传播给杂草，你就得到了不想要的抗除草剂和杀虫剂的杂草。而叶绿体不然，它们是母系遗传的，不会通过花粉传播，拥有更高水平的基因控制，”Lew说。

虽然用作转基因农作物新品种培育的道路还很漫长，但通过这种简便的方法，必将大大简化普通植物学基础研究。

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原文检索：Chloroplast-selective gene delivery and expression in planta using chitosan-complexed single-walled carbon nanotube carriers

（生物通：伍松）