MIT研究团队找到改造植物的新方法

除了转基因，人类还可以如何“设计”植物呢？目前，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种新的基因工具，这种工具可以更容易地改造出能够抗旱或抗真菌感染的植物。目前，这项技术适用于包括菠菜和其他蔬菜在内的许多不同的植物。

他们的方法是借助纳米颗粒来将基因传输到植物细胞的叶绿体中。而这样做的好处是可以帮助植物生物学家克服转基因所必须经历的复杂、耗时的过程。

图丨一片芝麻叶中的叶肉细胞(右)和表皮细胞(左)经过设计后，叶绿体中表达黄色荧光蛋白，其中红色为细胞壁，蓝色为叶绿体

关于这种新方法，麻省理工学院 Carbon p. Dubbs 化学工程教授 Michael Strano 评价道：“这是一种较为普遍的机制，适用于所有植物物种。”

这项研究是最近启动的新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟 (SMART) 项目中的第一个成果，研究成果发表在 2 月 25 日的《自然-纳米技术》上，作者是 Michael Strano 和新加坡国立大学新加坡淡马锡生命科学研究院董事、洛克菲勒大学植物分子生物学实验室主任蔡南海 (Nam-Hai Chua)。

“这是迈向叶绿体转化的重要的第一步，”蔡南海说，“这项技术将在快速筛选多种作物中叶绿体表达的候选基因大有作用。”

目标：叶绿体

几年前，Strano 和他的同事发现，通过调整纳米粒子的大小和电荷，他们可以设计出穿透植物细胞膜的纳米粒子。这种机制被称为脂质交换膜渗透 (LEEP)，通过将携带荧光素酶 (一种发光蛋白) 的纳米粒子嵌入到植物的叶片中，使植物发光。

图丨发光的植物（来源：MIT）

当麻省理工学院的研究小组报道使用 LEEP 技术将纳米颗粒植入植物时，植物生物学家开始思考是否可以用它来对植物进行基因改造，更具体地说，是否可以将基因植入叶绿体。因为植物细胞一般有几十个叶绿体，所以诱导叶绿体 (而不仅仅是细胞核) 表达基因可能是一种产生大量所需蛋白质的方法。

“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，”Strano 说。“每次我在植物生物学界做演讲时，他们都会问我，是否可以利用这种技术将基因传递给叶绿体。”

作为光合作用的场所，叶绿体包含大约 80 个基因，这些基因会编码出光合作用所需的蛋白质。同时，叶绿体也有自己的核糖体，使它能够在叶绿体内组装蛋白质。但迄今为止，科学家很难将基因导入叶绿体，现有的唯一技术是使用高压“基因枪”将基因强力导入细胞中，而这种做法不仅会损害植物，而且效率不高。

但在新技术的支持下，麻省理工学院的研究小组创造了由包裹着壳聚糖的碳纳米管所组成的纳米颗粒，带负电荷的 DNA 与带正电荷的碳纳米管松散地结合。为了将纳米颗粒注入植物叶片，研究人员在叶片表面下方使用了一个装满颗粒溶液的无针注射器，颗粒通过控制水分蒸发的气孔进入叶片。

一旦进入叶片内部，纳米颗粒就会穿过植物细胞壁、细胞膜，然后穿过叶绿体的双层膜。粒子进入叶绿体后，叶绿体的弱酸性环境就会促使 DNA 从纳米颗粒中释放出来。一旦脱氧核糖核酸被释放出来，就可以转化成蛋白质。

在这项研究中，研究人员使用了一种黄色荧光蛋白基因，这样能很方便地观察哪种植物细胞表达了这种蛋白质。他们发现，大约 47% 的植物细胞产生这种蛋白质，但研究人员相信，如果他们继续进行实验，这一数字还会增加。

新加坡国立大学 (National University of Singapore) 生物科学副教授 Sanjay Swarup 说：“这种方法肯定为研究植物中叶绿体表达的候选基因筛选开辟了新的研究途径。”

重塑植物

这种方法的一个主要优点是，它可以用于许多植物物种。在这项研究中，研究人员就在菠菜、西洋菜、烟草、芝麻菜和常用于研究的拟南芥中都进行过了测试。他们还表示，这项技术不仅限于碳纳米管，还有可能扩展到其他类型的纳米材料。

研究人员希望，这种新工具将使植物生物学家更容易地设计出各种理想性状的蔬菜和作物。例如，新加坡和其他地方的农业研究人员都有兴趣为城市农业创造出可以在更高密度状态下生长的作物。除此以外，该技术还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，以及对水稻进行改良，使其不会从地下水中吸收砷。

而且，由于该方法仅对叶绿体进行操作，叶绿体是母系遗传的，可以传给后代，却不会转移到其他植物物种，这将是一个巨大的优势。此前出现过的基因编辑花粉传播到杂草中，导致杂草对除草剂和杀虫剂产生抗性的案例就不会再出现。