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近日，日本理化學(xué)研究所可持續(xù)資源科學(xué)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(xué)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(jī)構(gòu)的Masaki Odahara領(lǐng)導(dǎo)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(xì)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。

新技術(shù)的原理是，使植物不表達(dá)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(xì)胞壁的載體進(jìn)入植物細(xì)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(shè)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(yīng)用于大片區(qū)域。

許多類型的納米顆粒都可以穿透植物細(xì)胞。而研究人員將重點放在細(xì)胞穿透肽(CPPs)上，它們可以針對植物細(xì)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(biāo)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(jìn)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(jìn)一步實驗表明，當(dāng)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(jìn)入細(xì)胞后，在擬南芥和大豆的葉片中均能引起有效表達(dá)。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(dá)的RNA附著在一個CPP上，正如所希望的，該復(fù)合物能沉默黃色花期表達(dá)的基因。通常可以通過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(dá)到同樣的功能效果，這很重要。”

而當(dāng)研究小組將一個以葉綠體為靶標(biāo)的肽加入到特定的CPP-RNA復(fù)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(biāo)，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(hù)作物免受寄生蟲或其他有害因素的影響。”(作者：王方)