除了轉基因，人類還可以如何“設計”植物呢？目前，麻省理工學院的研究人員已經開發(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，這項技術適用于包括菠菜和其他蔬菜在內的許多不同的植物。

他們的方法是借助納米顆粒來將基因傳輸到植物細胞的葉綠體中。而這樣做的好處是可以幫助植物生物學家克服轉基因所必須經歷的復雜、耗時的過程。

圖丨一片芝麻葉中的葉肉細胞(右)和表皮細胞(左)經過設計后，葉綠體中表達黃色熒光蛋白，其中紅色為細胞壁，藍色為葉綠體

關于這種新方法，麻省理工學院 Carbon p. Dubbs 化學工程教授 Michael Strano 評價道：“這是一種較為普遍的機制，適用于所有植物物種。”

這項研究是最近啟動的新加坡-麻省理工學院研究與技術聯(lián)盟 (SMART) 項目中的第一個成果，研究成果發(fā)表在 2 月 25 日的《自然-納米技術》上，作者是 Michael Strano 和新加坡國立大學新加坡淡馬錫生命科學研究院董事、洛克菲勒大學植物分子生物學實驗室主任蔡南海 (Nam-HaiChua)。

“這是邁向葉綠體轉化的重要的第一步，”蔡南海說，“這項技術將在快速篩選多種作物中葉綠體表達的候選基因大有作用。”

目標：葉綠體

幾年前，Strano 和他的同事發(fā)現，通過調整納米粒子的大小和電荷，他們可以設計出穿透植物細胞膜的納米粒子。這種機制被稱為脂質交換膜滲透 (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）

當麻省理工學院的研究小組報道使用 LEEP 技術將納米顆粒植入植物時，植物生物學家開始思考是否可以用它來對植物進行基因改造，更具體地說，是否可以將基因植入葉綠體。因為植物細胞一般有幾十個葉綠體，所以誘導葉綠體 (而不僅僅是細胞核) 表達基因可能是一種產生大量所需蛋白質的方法。

“把遺傳工具帶到植物的不同部位是植物生物學家非常感興趣的事情，”Strano 說?！懊看挝以谥参锷飳W界做演講時，他們都會問我，是否可以利用這種技術將基因傳遞給葉綠體?！?/p>

作為光合作用的場所，葉綠體包含大約 80 個基因，這些基因會編碼出光合作用所需的蛋白質。同時，葉綠體也有自己的核糖體，使它能夠在葉綠體內組裝蛋白質。但迄今為止，科學家很難將基因導入葉綠體，現有的唯一技術是使用高壓“基因槍”將基因強力導入細胞中，而這種做法不僅會損害植物，而且效率不高。

但在新技術的支持下，麻省理工學院的研究小組創(chuàng)造了由包裹著殼聚糖的碳納米管所組成的納米顆粒，帶負電荷的 DNA 與帶正電荷的碳納米管松散地結合。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)的氣孔進入葉片。

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

在這項研究中，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胞表達了這種蛋白質。他們發(fā)現，大約 47% 的植物細胞產生這種蛋白質，但研究人員相信，如果他們繼續(xù)進行實驗，這一數字還會增加。

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

重塑植物

這種方法的一個主要優(yōu)點是，它可以用于許多植物物種。在這項研究中，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行過了測試。他們還表示，這項技術不僅限于碳納米管，還有可能擴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家更容易地設計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業(yè)研究人員都有興趣為城市農業(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，以及對水稻進行改良，使其不會從地下水中吸收砷。

而且，由于該方法僅對葉綠體進行操作，葉綠體是母系遺傳的，可以傳給后代，卻不會轉移到其他植物物種，這將是一個巨大的優(yōu)勢。此前出現過的基因編輯花粉傳播到雜草中，導致雜草對除草劑和殺蟲劑產生抗性的案例就不會再出現。