噴一噴就能“改造”植物

　　近日，日本理化學研究所可持續資源科學中心的研究人員開發了一種無需改變作物基因組就能提高作物質量的新方法。相關論文發表于《美國化學會志—納米》。

　　基因編輯技術的發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費。由該機構的Masaki Odahara領導的研究小組開發的新技術依賴于一種噴霧，通過植物的葉子將生物活性分子引入植物細胞。這項新技術能在短時間內、以更低成本幫助作物抵御害蟲或變得更耐旱。

　　新技術的原理是，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，但實現它是一個挑戰。“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業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的特定結構，如葉綠體。

　　第一個挑戰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，他們發現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，當質粒DNA附著在CPPs上時，這種技術效果良好。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。研究人員還發現，通過在噴霧溶液中加入其他生物分子和納米結構，可以暫時增加葉片中的氣孔數量，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。通常可以通過插入或敲除基因來提高作物產量，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。

　　“線粒體和葉綠體調節植物的代謝活動，以這些結構為目標，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性狀。”Odahara說，“我們下一步是研究如何提高遞送系統的效率，最終希望這個新技術可以安全地保護作物免受寄生蟲或其他有害因素的影響。”

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c07723