近日,日本理化學研究所可持續(xù)資源科學中心的研究人員開發(fā)了一種無需改變作物基因組就能提高作物質(zhì)量的新方法。相關(guān)論文發(fā)表于《美國化學會志—納米》。
基因編輯技術(shù)的發(fā)展允許人們直接改變植物基因組,獲得所需要的作物品種,但需花費大量時間和經(jīng)費。由該機構(gòu)的Masaki Odahara領導的研究小組開發(fā)的新技術(shù)依賴于一種噴霧,通過植物的葉子將生物活性分子引入植物細胞。這項新技術(shù)能在短時間內(nèi)、以更低成本幫助作物抵御害蟲或變得更耐旱。
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新技術(shù)的原理是,使植物不表達特定的基因,可以通過在植物中插入特定的生物活性化合物來快速抑制基因。在這種情況下,生物活性化合物通過一種可以穿透植物細胞壁的載體進入植物細胞。
雖然這個概念可能很簡單,但實現(xiàn)它是一個挑戰(zhàn)。“除了設計一種將生物活性分子引入植物中的方法,我們還必須考慮在實際農(nóng)業(yè)條件下對栽培作物而言實用的遞送方式。”Odahara說。
研究小組得出結(jié)論,最好的方法是使用噴霧器,以便相對容易地應用于大片區(qū)域。
許多類型的納米顆粒都可以穿透植物細胞。而研究人員將重點放在細胞穿透肽(CPPs)上,它們可以針對植物細胞內(nèi)的特定結(jié)構(gòu),如葉綠體。
第一個挑戰(zhàn)是確定使用噴霧時哪種CPPs是最好的。他們用熒光黃標記天然和合成的CPPs,將其噴灑在植物葉片上,并在不同時間點用共焦激光掃描顯微鏡測量葉片中的熒光量。在實驗室擬南芥以及幾種大豆、番茄中進行這一操作后,他們發(fā)現(xiàn)了幾種能夠滲透到葉片外層的天然CPPs,在某些情況下甚至更深。
進一步實驗表明,當質(zhì)粒DNA附著在CPPs上時,這種技術(shù)效果良好。分析表明,通過噴霧進入細胞后,在擬南芥和大豆的葉片中均能引起有效表達。研究人員還發(fā)現(xiàn),通過在噴霧溶液中加入其他生物分子和納米結(jié)構(gòu),可以暫時增加葉片中的氣孔數(shù)量,從而增加植物吸收噴霧的量。
研究小組將干擾熒光蛋白表達的RNA附著在一個CPP上,正如所希望的,該復合物能沉默黃色花期表達的基因。通??梢酝ㄟ^插入或敲除基因來提高作物產(chǎn)量,Odahara說,“任何替代基因改造的方法都能達到同樣的功能效果,這很重要。”
而當研究小組將一個以葉綠體為靶標的肽加入到特定的CPP-RNA復合物中時,他們也能夠類似地沉默針對葉綠體的基因。
“線粒體和葉綠體調(diào)節(jié)植物的代謝活動,以這些結(jié)構(gòu)為目標,通過噴霧遞送生物活性分子,可以有效改善作物理想的品質(zhì)性狀。”Odahara說,“我們下一步是研究如何提高遞送系統(tǒng)的效率,最終希望這個新技術(shù)可以安全地保護作物免受寄生蟲或其他有害因素的影響。”(作者:王方)
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