日本研发生物活性纳米载体喷雾 不改变基因情况下提升农作物品质

日本理化学研究所可持续资源科学中心（CSRS）的研究人员已经开发出一种改善作物质量的方法，而不需要创造特殊的转基因植物。这种新技术不是改变植物基因组，而是依靠一种喷雾，通过植物的叶片将生物活性分子引入植物细胞。这项新技术可用于帮助作物抵御害虫或变得更耐旱，操作时间更短，成本更低。该研究报告发表在科学杂志ACS Nano上。

技术允许我们直接改变基因组并创造转基因生物（GMOs），包括转基因食品。然而，制造转基因植物需要时间、金钱，并且仍然没有获得广泛的公众支持。由Masaki Odahara领导的理化学研究所CSRS研究人员已经开发出一种可以克服这些问题的转基因食品的替代方案。例如，与其改变植物的基因组，使其不表达某种特定的基因，不如通过在植物中插入一种特定的生物活性化合物，在短时间内抑制同一基因。在这种情况下，生物活性化合物被一种能够穿透植物细胞壁的载体带入植物的细胞。

有证据表明，该系统可用于沉默番茄的基因。将多肽载体（左）、干扰RNA（中）或包含两者的复合物（右）喷洒在番茄植物的叶片上。番茄植物被设计为过度表达一种绿色荧光蛋白。当使用RNA/CPP复合物时，没有绿色荧光，表明驱动绿色荧光蛋白表达的基因被沉默了。虽然这个概念可能很简单，但要实现它却是一个挑战。除了设计一种将生物活性分子引入植物的方法外，我们还必须考虑一种在实际农业条件下对栽培作物实用的传递方法。该团队得出结论，最好的方法是通过喷雾，可以相对容易地部署在大面积的田地上。

许多类型的纳米粒子可以穿透植物细胞。研究人员专注于细胞穿透肽（CPPs），因为它们也可以针对植物细胞内的特定结构，如叶绿体。第一个挑战是确定哪些CPPs在使用喷雾时是最好的。他们用荧光黄标记天然和合成的CPPs，将它们喷洒在植物叶片上，并在不同的时间点用共焦激光扫描显微镜测量叶片中的荧光量。在典型的实验室拟南芥以及几种类型的大豆和番茄中执行这一程序后，他们发现有几种天然CPPs能够渗透到叶片外层，在某些情况下甚至更深。

进一步的实验表明，当质粒DNA附着在CPPs上时，这种技术效果很好，而且分析表明，基因在通过水基喷雾被带入细胞后，在A. thaliana和大豆的叶片中得到有效表达。研究人员还发现，通过在喷雾溶液中加入其他生物分子和纳米结构，他们可以暂时增加叶片中的孔隙数量，从而增加植物对喷雾的吸收程度。通常，作物产量可以通过插入或敲除基因来提高。在创建了一种在叶片中过度表达黄色荧光的转基因植物后，该团队将干扰荧光蛋白表达的RNA连接到CPP上。正如所希望的那样，用这种复合物喷洒叶子可以抑制黄色荧光的表达。这一结果至关重要，因为重要的是，任何替代基因修饰的方法都能实现同样的功能结果。