除了轉(zhuǎn)基因，人類還可以如何“設(shè)計(jì)”植物呢？目前，麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的基因工具，這種工具可以更容易地改造出能夠抗旱或抗真菌感染的植物。目前，這項(xiàng)技術(shù)適用于包括菠菜和其他蔬菜在內(nèi)的許多不同的植物。

他們的方法是借助納米顆粒來將基因傳輸?shù)街参锛?xì)胞的葉綠體中。而這樣做的好處是可以幫助植物生物學(xué)家克服轉(zhuǎn)基因所必須經(jīng)歷的復(fù)雜、耗時(shí)的過程。

圖丨一片芝麻葉中的葉肉細(xì)胞(右)和表皮細(xì)胞(左)經(jīng)過設(shè)計(jì)后，葉綠體中表達(dá)黃色熒光蛋白，其中紅色為細(xì)胞壁，藍(lán)色為葉綠體

關(guān)于這種新方法，麻省理工學(xué)院 Carbon p. Dubbs 化學(xué)工程教授 Michael Strano 評(píng)價(jià)道：“這是一種較為普遍的機(jī)制，適用于所有植物物種?！?/p>

這項(xiàng)研究是最近啟動(dòng)的新加坡-麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟 (SMART) 項(xiàng)目中的第一個(gè)成果，研究成果發(fā)表在 2 月 25 日的《自然-納米技術(shù)》上，作者是 Michael Strano 和新加坡國立大學(xué)新加坡淡馬錫生命科學(xué)研究院董事、洛克菲勒大學(xué)植物分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任蔡南海 (Nam-HaiChua)。

“這是邁向葉綠體轉(zhuǎn)化的重要的第一步，”蔡南海說，“這項(xiàng)技術(shù)將在快速篩選多種作物中葉綠體表達(dá)的候選基因大有作用?！?/p>

目標(biāo)：葉綠體

幾年前，Strano 和他的同事發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整納米粒子的大小和電荷，他們可以設(shè)計(jì)出穿透植物細(xì)胞膜的納米粒子。這種機(jī)制被稱為脂質(zhì)交換膜滲透 (LEEP)，通過將攜帶熒光素酶 (一種發(fā)光蛋白) 的納米粒子嵌入到植物的葉片中，使植物發(fā)光。

圖丨發(fā)光的植物（來源：MIT）

當(dāng)麻省理工學(xué)院的研究小組報(bào)道使用 LEEP 技術(shù)將納米顆粒植入植物時(shí)，植物生物學(xué)家開始思考是否可以用它來對(duì)植物進(jìn)行基因改造，更具體地說，是否可以將基因植入葉綠體。因?yàn)橹参锛?xì)胞一般有幾十個(gè)葉綠體，所以誘導(dǎo)葉綠體 (而不僅僅是細(xì)胞核) 表達(dá)基因可能是一種產(chǎn)生大量所需蛋白質(zhì)的方法。

“把遺傳工具帶到植物的不同部位是植物生物學(xué)家非常感興趣的事情，”Strano 說。“每次我在植物生物學(xué)界做演講時(shí)，他們都會(huì)問我，是否可以利用這種技術(shù)將基因傳遞給葉綠體?！?/p>

作為光合作用的場(chǎng)所，葉綠體包含大約 80 個(gè)基因，這些基因會(huì)編碼出光合作用所需的蛋白質(zhì)。同時(shí)，葉綠體也有自己的核糖體，使它能夠在葉綠體內(nèi)組裝蛋白質(zhì)。但迄今為止，科學(xué)家很難將基因?qū)肴~綠體，現(xiàn)有的唯一技術(shù)是使用高壓“基因槍”將基因強(qiáng)力導(dǎo)入細(xì)胞中，而這種做法不僅會(huì)損害植物，而且效率不高。

但在新技術(shù)的支持下，麻省理工學(xué)院的研究小組創(chuàng)造了由包裹著殼聚糖的碳納米管所組成的納米顆粒，帶負(fù)電荷的 DNA 與帶正電荷的碳納米管松散地結(jié)合。為了將納米顆粒注入植物葉片，研究人員在葉片表面下方使用了一個(gè)裝滿顆粒溶液的無針注射器，顆粒通過控制水分蒸發(fā)的氣孔進(jìn)入葉片。

一旦進(jìn)入葉片內(nèi)部，納米顆粒就會(huì)穿過植物細(xì)胞壁、細(xì)胞膜，然后穿過葉綠體的雙層膜。粒子進(jìn)入葉綠體后，葉綠體的弱酸性環(huán)境就會(huì)促使 DNA 從納米顆粒中釋放出來。一旦脫氧核糖核酸被釋放出來，就可以轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了一種黃色熒光蛋白基因，這樣能很方便地觀察哪種植物細(xì)胞表達(dá)了這種蛋白質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，大約 47% 的植物細(xì)胞產(chǎn)生這種蛋白質(zhì)，但研究人員相信，如果他們繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這一數(shù)字還會(huì)增加。

新加坡國立大學(xué) (National University of Singapore) 生物科學(xué)副教授 Sanjay Swarup 說：“這種方法肯定為研究植物中葉綠體表達(dá)的候選基因篩選開辟了新的研究途徑?！?/p>

重塑植物

這種方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它可以用于許多植物物種。在這項(xiàng)研究中，研究人員就在菠菜、西洋菜、煙草、芝麻菜和常用于研究的擬南芥中都進(jìn)行過了測(cè)試。他們還表示，這項(xiàng)技術(shù)不僅限于碳納米管，還有可能擴(kuò)展到其他類型的納米材料。

研究人員希望，這種新工具將使植物生物學(xué)家更容易地設(shè)計(jì)出各種理想性狀的蔬菜和作物。例如，新加坡和其他地方的農(nóng)業(yè)研究人員都有興趣為城市農(nóng)業(yè)創(chuàng)造出可以在更高密度狀態(tài)下生長的作物。除此以外，該技術(shù)還可以用于培育抗旱作物以及抗真菌感染的香蕉、柑橘和咖啡等作物，以及對(duì)水稻進(jìn)行改良，使其不會(huì)從地下水中吸收砷。

而且，由于該方法僅對(duì)葉綠體進(jìn)行操作，葉綠體是母系遺傳的，可以傳給后代，卻不會(huì)轉(zhuǎn)移到其他植物物種，這將是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。此前出現(xiàn)過的基因編輯花粉傳播到雜草中，導(dǎo)致雜草對(duì)除草劑和殺蟲劑產(chǎn)生抗性的案例就不會(huì)再出現(xiàn)。